I/O多路複用之 epoll 系統呼叫
I/O多路複用除了之前我們提到的select和poll外，epoll 也可以檢查多個檔案描述符的就緒狀態，以達到I/O多路複用的目的。
epoll 系統呼叫是 Linux 系統專有的，在 Linux 核心 2.6 版本新增，epoll 的主要優點有：
- 當檢查大量的檔案描述符時，epoll 的效能比
select和poll高很多 - epoll 既支援水平觸發也支援邊緣觸發，
select和poll只支援水平觸發
epoll 程式設計介面的核心資料結構為 epoll 例項，它和一個開啟的檔案描述符相關聯。這個檔案描述符是核心資料結構的控制代碼，該核心資料結構的作用主要有兩個：
- 記錄在程序中宣告過的感興趣的檔案描述符列表，即 interest list
- 維護處於I/O就緒狀態中檔案描述符列表，即 ready list
其中，ready list 是 interest list 的子集。
epoll 程式設計介面由以下3個系統呼叫組成：
epoll_create建立一個 epoll 例項，返回程式碼該例項的檔案描述符epoll_ctl增刪改 epoll 例項的 interest listepoll_wait返回與 epoll 例項相關聯的就緒列表中的成員
建立 epoll 例項: epoll_create
系統呼叫epoll_create建立一個新的 epoll 例項，其對應的 interest list 初始化為空。
#include <sys/epoll.h>
int epoll_create(int size);引數size指定了我們想要通過 epoll 例項來檢查的檔案描述符個數，該引數並不是一個上限，而是告訴核心應該如何為內部資料結構劃分初始大小。epoll_create返回新建立 epoll 例項的檔案描述符，這個檔案描述符在其他幾個 epoll 系統呼叫中會被用來表示 epoll 例項。當這個檔案描述符不再使用時，應該通過close來關閉。
從 Linux 2.6.27 版核心以來，Linux 支援了一個新的系統呼叫
epoll_create1。該系統呼叫執行的任務同epoll_create，但是去掉了無用的引數size，並增加了一個可用來修改系統呼叫行為的flag標誌。
修改 epoll 例項: epoll_ctl
系統呼叫epoll_ctl能夠修改由檔案描述符epfd所代表的 epoll 例項中的 interest list。
#include <sys/epoll.h>
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *ev);- 引數
epfd指定 epoll 例項的檔案描述符，即對哪個 epoll 例項進行操作 - 引數
fd指明要修改 interest list 中的哪一個檔案描述符。 - 引數
op用來指定需要執行的操作，下文我們還會對op操作型別進行進一步描述 - 引數
ev是指向結構體epoll_event的指標，關於結構體epoll_event的定義，我們也在下文描述
epoll_ctl中op支援的操作包括以下以種：
EPOLL_CTL_ADD
將描述符fd新增到 epoll 例項的 interest list 中去。對於fd上我們感興趣的事件，在ev所指向的結構體中指定。EPOLL_CTL_MOD
修改描述符fd上設定的事件，需用到由ev所指向的結構體中的資訊。EPOLL_CTL_DEL
將描述符fd從 epoll 例項的 interest list 中移除，該操作忽略ev引數。
上面我們多處提到了ev，ev是指向結構體epoll_event的指標，該結構體的定義如下：
struct epoll_event {
uint32_t events; // epoll 事件
epoll_data data; // 使用者資料
};結構體epoll_event中的data欄位的型別為epoll_data，其定義以下：
typedef union epoll_data {
void *ptr; // 使用者自定義資料的指標
int fd; // 檔案描述符
uint32_t u32; // 32位整型
uint64_t u64; // 64位整型
} epoll_data_t;引數ev為檔案描述符fd所做的設定如下：
- 結構體
epoll_event中的events欄位是一個位掩碼，它指定了 epoll 例項監控的事件集合 data欄位是一個聯合體，當fd就緒時，聯合體的成員可用來指定傳回給呼叫程序的資訊
就緒等待: epoll_wait
系統呼叫epoll_wait返回 epoll 例項中處於就緒狀態的檔案描述符的資訊。單個epoll_wait呼叫能返回多個就緒態檔案描述符的資訊，這也正是I/O多路複用的體現。
#include <sys/epoll.h>
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *evlist, int maxevents, int timeout);- 引數
evlist所指向的結構體陣列中返回就緒狀態檔案描述符的資訊。資料evlist的空間由呼叫者負責申請，所包含的元素個數在引數maxevents中指定。 - 引數
timeout指定epoll_wait的阻塞行為，例如timeout等於-1，呼叫將一直阻塞，走到 interest list 中的檔案描述符上有事件產生。
epoll_wait 呼叫成功後，返回資料evlist中的元素個數，即就緒的描述符個數。
例子
我們以編寫一個 TCP 伺服器為例子，說明 epoll 的用法，該 TCP 伺服器打印出所有接收到的訊息。
我們先來看建立和繫結 TCP 監聽套接字的函式。
static int
create_and_bind (char *port)
{
struct addrinfo hints;
struct addrinfo *result, *rp;
int s, sfd;
memset (&hints, 0, sizeof (struct addrinfo));
hints.ai_family = AF_UNSPEC; // 支援 IPv4 和 IPv6
hints.ai_socktype = SOCK_STREAM; // TCP socket
hints.ai_flags = AI_PASSIVE; // 監聽套接字
s = getaddrinfo (NULL, port, &hints, &result);
if (s != 0)
{
fprintf (stderr, "getaddrinfo: %s\n", gai_strerror (s));
return -1;
}
for (rp = result; rp != NULL; rp = rp->ai_next)
{
sfd = socket (rp->ai_family, rp->ai_socktype, rp->ai_protocol);
if (sfd == -1)
continue;
s = bind (sfd, rp->ai_addr, rp->ai_addrlen);
if (s == 0)
{
// 已成功繫結套接字
break;
}
close (sfd);
}
if (rp == NULL)
{
fprintf (stderr, "Could not bind\n");
return -1;
}
freeaddrinfo (result);
return sfd;
}create_and_bind接受port引數（表示監聽的埠），其作用是建立並繫結監聽套接字。
getaddrinfo函式既可以用於IPv4，也可以用於IPv6，能夠處理名字到地址以及服務到埠這兩種轉換，它返回addrinfo結構體陣列的指標。關於getaddrinfo詳細介紹，可以參考《UNIX網路程式設計》的有關描述。
create_and_bind返回結構體addrinfo陣列的指標（儲存在reslut指標中）接下來，我們對result進行遍歷，直到將監聽套接字成功繫結為止。
接下來，我們再來看將一個套接字設定為非阻塞套接字的函式。
static int
make_socket_non_blocking (int sfd)
{
int flags, s;
flags = fcntl (sfd, F_GETFL, 0);
if (flags == -1)
{
perror ("fcntl");
return -1;
}
flags |= O_NONBLOCK;
s = fcntl (sfd, F_SETFL, flags);
if (s == -1)
{
perror ("fcntl");
return -1;
}
return 0;
}最後我們來看下main函式的實現。
int
main (int argc, char *argv[])
{
int sfd, s;
int efd;
struct epoll_event event;
struct epoll_event *events;
if (argc != 2)
{
fprintf (stderr, "Usage: %s [port]\n", argv[0]);
exit (EXIT_FAILURE);
}
sfd = create_and_bind (argv[1]);
if (sfd == -1)
abort ();
s = make_socket_non_blocking (sfd);
if (s == -1)
abort ();
s = listen (sfd, SOMAXCONN);
if (s == -1)
{
perror ("listen");
abort ();
}
efd = epoll_create1 (0);
if (efd == -1)
{
perror ("epoll_create");
abort ();
}
event.data.fd = sfd;
// ET 模式
event.events = EPOLLIN | EPOLLET;
s = epoll_ctl (efd, EPOLL_CTL_ADD, sfd, &event);
if (s == -1)
{
perror ("epoll_ctl");
abort ();
}
// 用來儲存epoll_wait返回的就緒檔案描述符列表
events = calloc (MAXEVENTS, sizeof event);
// 主迴圈
while (1)
{
int n, i;
n = epoll_wait (efd, events, MAXEVENTS, -1);
for (i = 0; i < n; i++)
{
if ((events[i].events & EPOLLERR) ||
(events[i].events & EPOLLHUP) ||
(!(events[i].events & EPOLLIN)))
{
// 監測的檔案描述符出錯了
fprintf (stderr, "epoll error\n");
close (events[i].data.fd);
continue;
}
else if (sfd == events[i].data.fd)
{
// 監聽套接字就緒，表明有一個或者多個連線進來
while (1)
{
struct sockaddr in_addr;
socklen_t in_len;
int infd;
char hbuf[NI_MAXHOST], sbuf[NI_MAXSERV];
in_len = sizeof in_addr;
infd = accept (sfd, &in_addr, &in_len);
if (infd == -1)
{
if ((errno == EAGAIN) ||
(errno == EWOULDBLOCK))
{
// 處理完所有的連線
break;
}
else
{
perror ("accept");
break;
}
}
s = getnameinfo (&in_addr, in_len,
hbuf, sizeof hbuf,
sbuf, sizeof sbuf,
NI_NUMERICHOST | NI_NUMERICSERV);
if (s == 0)
{
printf("Accepted connection on descriptor %d "
"(host=%s, port=%s)\n", infd, hbuf, sbuf);
}
// 設定已連線套接字為非阻塞，並且加入到 epoll 例項監測中
s = make_socket_non_blocking (infd);
if (s == -1)
abort ();
event.data.fd = infd;
// ET 模式
event.events = EPOLLIN | EPOLLET;
s = epoll_ctl (efd, EPOLL_CTL_ADD, infd, &event);
if (s == -1)
{
perror ("epoll_ctl");
abort ();
}
}
continue;
}
else
{
// 已連線套接字可讀，我們讀取該套接字所有的資料並打印出來
// 由於使用了 ET 模式，我們必須將所有可讀資料讀取完畢
int done = 0;
while (1)
{
ssize_t count;
char buf[512];
count = read (events[i].data.fd, buf, sizeof buf);
if (count == -1)
{
// 如果 errno == EAGAIN，說明所有資料已讀取完畢
// 如果 errno != EAGAIN，說明讀取出錯
if (errno != EAGAIN)
{
// 讀取出錯
perror ("read");
done = 1;
}
break;
}
else if (count == 0)
{
// 客戶端斷開了連線
done = 1;
break;
}
// 列印到標準輸出
s = write (1, buf, count);
if (s == -1)
{
perror ("write");
abort ();
}
}
if (done)
{
printf ("Closed connection on descriptor %d\n",
events[i].data.fd);
// 關閉連線
close (events[i].data.fd);
}
}
}
}
free (events);
close (sfd);
return EXIT_SUCCESS;
}main函式首先呼叫create_and_bind建立並繫結監聽套接字，接下來呼叫make_socket_non_blocking設定監聽套接字為非阻塞模式，並呼叫listen系統呼叫監聽客戶端的連線請求。
接下來，我們建立了一個 epoll 例項，並將監聽套接字加入到該 epoll 例項的 interest list，當監聽套接字可讀時，說明有新的客戶端請求連線。
在主迴圈中，我們呼叫epoll_wait等待就緒事件的發生。timeout引數設定為-1說明主執行緒會一直阻塞到事件就緒。這些就緒事件包括以下型別：
- 客戶端請求到達：當監聽套接字可讀時，說明一個或者多個客戶端連線請求到達，我們設定新的已連線套接字為非阻塞模式並新增到 epoll 例項的 interest list 中。
- 客戶端資料可讀：已連線套接字就緒時，說明客戶端資料可讀。我們使用
read每次讀出512位元組的資料，直接所有的資料讀取完畢。這是由於我們使用了 ET 模式，ET 模式對於資料可讀只會通知一次。讀出的資料通過write系統呼叫列印到標準輸出。