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网络通信基础重难点解析 12 ：Linux epoll 模型.md

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网络通信基础重难点解析 12 ：Linux epoll 模型

Linux epoll 模型

综合 select 和 poll 的一些优缺点，Linux 从内核 2.6 版本开始引入了更高效的 epoll 模型，本节我们来详细介绍 epoll 模型。

要想使用 epoll 模型，必须先需要创建一个 epollfd，这需要使用 epoll_create 函数去创建：

#include <sys/epoll.h>

int epoll_create(int size);

参数 size 从 Linux 2.6.8 以后就不再使用，但是必须设置一个大于 0 的值。epoll_create 函数调用成功返回一个非负值的 epollfd，调用失败返回 -1。

有了 epollfd 之后，我们需要将我们需要检测事件的其他 fd 绑定到这个 epollfd 上，或者修改一个已经绑定上去的 fd 的事件类型，或者在不需要时将 fd 从 epollfd 上解绑，这都可以使用 epoll_ctl 函数：

int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event* event);

参数说明：

  • 参数 epfd 即上文提到的 epollfd；

  • 参数 op，操作类型，取值有 EPOLL_CTL_ADD、EPOLL_CTL_MOD 和 EPOLL_CTL_DEL，分别表示向 epollfd 上添加、修改和移除一个其他 fd，当取值是 EPOLL_CTL_DEL，第四个参数 event 忽略不计，可以设置为 NULL；

  • 参数 fd，即需要被操作的 fd；

  • 参数 event，这是一个 epoll_event 结构体的地址，epoll_event 结构体定义如下：

    struct epoll_event
{
    uint32_t     events;      /* 需要检测的 fd 事件，取值与 poll 函数一样 */
    epoll_data_t data;        /* 用户自定义数据 */
};

    epoll_event 结构体的 data 字段的类型是 epoll_data_t，我们可以利用这个字段设置一个自己的自定义数据，它本质上是一个 Union 对象，在 64 位操作系统中其大小是 8 字节，其定义如下：

    typedef union epoll_data
{
    void*		 ptr;
    int          fd;
    uint32_t     u32;
    uint64_t     u64;
} epoll_data_t;

  • 函数返回值：epoll_ctl 调用成功返回 0，调用失败返回 -1，你可以通过 errno 错误码获取具体的错误原因。

创建了 epollfd，设置好某个 fd 上需要检测事件并将该 fd 绑定到 epollfd 上去后，我们就可以调用 epoll_wait 检测事件了，epoll_wait 函数签名如下：

int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event* events, int maxevents, int timeout);

参数的形式和 poll 函数很类似，参数 events 是一个 epoll_event 结构数组的首地址，这是一个输出参数，函数调用成功后，events 中存放的是与就绪事件相关 epoll_event 结构体数组；参数 maxevents 是数组元素的个数；timeout 是超时时间，单位是毫秒，如果设置为 0，epoll_wait 会立即返回。

当 epoll_wait 调用成功会返回有事件的 fd 数目；如果返回 0 表示超时；调用失败返回 -1。

epoll_wait 使用示例如下：

while (true)
{
	epoll_event epoll_events[1024];
	int n = epoll_wait(epollfd, epoll_events, 1024, 1000);
	if (n < 0)
	{
		//被信号中断
		if (errno == EINTR)
			continue;
		
		//出错，退出
		break;
	}
	else if (n == 0)
	{
		//超时，继续
		continue;
	}

	for (size_t i = 0; i < n; ++i)
	{
		// 处理可读事件
		if (epoll_events[i].events & POLLIN)
		{
		}
		// 处理可写事件
		else if (epoll_events[i].events & POLLOUT)
		{
		}
		//处理出错事件
		else if (epoll_events[i].events & POLLERR)
		{
		}
	}
}

epoll_wait 与 poll 的区别

通过前面介绍 poll 与 epoll_wait 函数的介绍，我们可以发现：

epoll_wait 函数调用完之后，我们可以直接在 event 参数中拿到所有有事件就绪的 fd，直接处理即可（event 参数仅仅是个出参）；而 poll 函数的事件集合调用前后数量都未改变，只不过调用前我们通过 pollfd 结构体的 events 字段设置待检测事件，调用后我们需要通过 pollfd 结构体的 revents 字段去检测就绪的事件（ 参数 fds 既是入参也是出参）。

举个生活中的例子，某人不断给你一些苹果，这些苹果有生有熟，调用 epoll_wait 相当于：

1. 你把苹果挨个投入到 epoll 机器中(调用 epoll_ctl);
2. 调用 epoll_wait 加工，你直接通过另外一个袋子就能拿到所有熟苹果。

调用 poll 相当于：

1. 把收到的苹果装入一个袋子里面然后调用 poll 加工；
2. 调用结束后，拿到原来的袋子，袋子中还是原来那么多苹果，只不过熟苹果被贴上了标签纸，你还是需要挨个去查看标签纸挑选熟苹果。

当然，这并不意味着，poll 函数的效率不如 epoll_wait，一般在 fd 数量比较多，但某段时间内，就绪事件 fd 数量较少的情况下，epoll_wait 才会体现出它的优势，也就是说 socket 连接数量较大时而活跃连接较少时 epoll 模型更高效。

LT 模式和 ET 模式

与 poll 的事件宏相比，epoll 新增了一个事件宏 EPOLLET，这就是所谓的边缘触发模式（Edge Trigger，ET），而默认的模式我们称为 水平触发模式（Level Trigger，LT）。这两种模式的区别在于：

  • 对于水平触发模式，一个事件只要有，就会一直触发；
  • 对于边缘触发模式，只有一个事件从无到有才会触发。

这两个词汇来自电学术语，你可以将 fd 上有数据认为是高电平，没有数据认为是低电平，将 fd 可写认为是高电平，fd 不可写认为是低电平。那么水平模式的触发条件是状态处于高电平，而边缘模式的触发条件是新来一次电信号将当前状态变为高电平，即：

水平模式的触发条件

1. 低电平 => 高电平
2. 处于高电平状态

边缘模式的触发条件

1. 低电平 => 高电平

说的有点抽象，以 socket 的读事件为例，对于水平模式，只要 socket 上有未读完的数据，就会一直产生 POLLIN 事件；而对于边缘模式，socket 上每新来一次数据就会触发一次，如果上一次触发后，未将 socket 上的数据读完，也不会再触发，除非再新来一次数据。对于 socket 写事件，如果 socket 的 TCP 窗口一直不饱和，会一直触发 POLLOUT 事件；而对于边缘模式，只会触发一次，除非 TCP 窗口由不饱和变成饱和再一次变成不饱和，才会再次触发 POLLOUT 事件。

socket 可读事件水平模式触发条件：

1. socket上无数据 => socket上有数据
2. socket处于有数据状态

socket 可读事件边缘模式触发条件：

1. socket上无数据 => socket上有数据
2. socket又新来一次数据

socket 可写事件水平模式触发条件：

1. socket可写   => socket可写
2. socket不可写 => socket可写

socket 可写事件边缘模式触发条件：

1. socket不可写 => socket可写

也就是说，如果对于一个非阻塞 socket，如果使用 epoll 边缘模式去检测数据是否可读，触发可读事件以后，一定要一次性把 socket 上的数据收取干净才行，也就是说一定要循环调用 recv 函数直到 recv 出错，错误码是EWOULDBLOCK（EAGAIN 一样）（此时表示 socket 上本次数据已经读完）；如果使用水平模式，则不用，你可以根据业务一次性收取固定的字节数，或者收完为止。边缘模式下收取数据的代码写法示例如下：

bool TcpSession::RecvEtMode()
{
    //每次只收取256个字节
    char buff[256];
    while (true)
    {       
        int nRecv = ::recv(clientfd_, buff, 256, 0);
        if (nRecv == -1)
        {
            if (errno == EWOULDBLOCK)
                return true;
            else if (errno == EINTR)
                continue;

            return false;
        }
        //对端关闭了socket
        else if (nRecv == 0)
            return false;

        inputBuffer_.add(buff, (size_t)nRecv);
    }

    return true;
}

下面我们来看一个具体的例子，代码如下：

/** 
 * 验证epoll的LT与ET模式的区别, epoll_server.cpp
 * zhangyl 2019.04.01
 */
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
#include<sys/epoll.h>
#include<poll.h>
#include<iostream>
#include<string.h>
#include<vector>
#include<errno.h>
#include<iostream>

int main()
{
    //创建一个监听socket
    int listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (listenfd == -1)
    {
        std::cout << "create listen socket error" << std::endl;
        return -1;
    }

    //设置重用ip地址和端口号
    int on = 1;
    setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, (char*)&on, sizeof(on));
    setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEPORT, (char*)&on, sizeof(on));


    //将监听socker设置为非阻塞的
    int oldSocketFlag = fcntl(listenfd, F_GETFL, 0);
    int newSocketFlag = oldSocketFlag | O_NONBLOCK;
    if (fcntl(listenfd, F_SETFL, newSocketFlag) == -1)
    {
        close(listenfd);
        std::cout << "set listenfd to nonblock error" << std::endl;
        return -1;
    }

    //初始化服务器地址
    struct sockaddr_in bindaddr;
    bindaddr.sin_family = AF_INET;
    bindaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    bindaddr.sin_port = htons(3000);

    if (bind(listenfd, (struct sockaddr*)&bindaddr, sizeof(bindaddr)) == -1)
    {
        std::cout << "bind listen socker error." << std::endl;
        close(listenfd);
        return -1;
    }

    //启动监听
    if (listen(listenfd, SOMAXCONN) == -1)
    {
        std::cout << "listen error." << std::endl;
        close(listenfd);
        return -1;
    }


    //创建epollfd
    int epollfd = epoll_create(1);
    if (epollfd == -1)
    {
        std::cout << "create epollfd error." << std::endl;
        close(listenfd);
        return -1;
    }

    epoll_event listen_fd_event;
    listen_fd_event.data.fd = listenfd;
    listen_fd_event.events = EPOLLIN;
    //取消注释掉这一行，则使用ET模式
    //listen_fd_event.events |= EPOLLET;

    //将监听sokcet绑定到epollfd上去
    if (epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, listenfd, &listen_fd_event) == -1)
    {
        std::cout << "epoll_ctl error" << std::endl;
        close(listenfd);
        return -1;
    }

    int n;
    while (true)
    {
        epoll_event epoll_events[1024];
        n = epoll_wait(epollfd, epoll_events, 1024, 1000);
        if (n < 0)
        {
            //被信号中断
            if (errno == EINTR) 
                continue;

            //出错,退出
            break;
        }
        else if (n == 0)
        {
            //超时,继续
            continue;
        }
        for (size_t i = 0; i < n; ++i)
        {
            //事件可读
            if (epoll_events[i].events & EPOLLIN)
            {
                if (epoll_events[i].data.fd == listenfd)
                {
                    //侦听socket,接受新连接
                    struct sockaddr_in clientaddr;
                    socklen_t clientaddrlen = sizeof(clientaddr);
                    int clientfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &clientaddrlen);
                    if (clientfd != -1)
                    {
                        int oldSocketFlag = fcntl(clientfd, F_GETFL, 0);
                        int newSocketFlag = oldSocketFlag | O_NONBLOCK;
                        if (fcntl(clientfd, F_SETFD, newSocketFlag) == -1)
                        {
                            close(clientfd);
                            std::cout << "set clientfd to nonblocking error." << std::endl;
                        }
                        else
                        {
                            epoll_event client_fd_event;
                            client_fd_event.data.fd = clientfd;
                            client_fd_event.events = EPOLLIN;
                            //取消注释这一行，则使用ET模式
                            //client_fd_event.events |= EPOLLET; 
                            if (epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, clientfd, &client_fd_event) != -1)
                            {
                                std::cout << "new client accepted,clientfd: " << clientfd << std::endl;
                            }
                            else
                            {
                                std::cout << "add client fd to epollfd error" << std::endl;
                                close(clientfd);
                            }
                        }
                    }
                }
                else
                {
                    std::cout << "client fd: " << epoll_events[i].data.fd << " recv data." << std::endl;
                    //普通clientfd
                    char ch;
                    //每次只收一个字节
                    int m = recv(epoll_events[i].data.fd, &ch, 1, 0);
                    if (m == 0)
                    {
                        //对端关闭了连接，从epollfd上移除clientfd
                        if (epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_DEL, epoll_events[i].data.fd, NULL) != -1)
                        {
                            std::cout << "client disconnected,clientfd:" << epoll_events[i].data.fd << std::endl;
                        }
                        close(epoll_events[i].data.fd);
                    }
                    else if (m < 0)
                    {
                        //出错
                        if (errno != EWOULDBLOCK && errno != EINTR)
                        {
                            if (epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_DEL, epoll_events[i].data.fd, NULL) != -1)
                            {
                                std::cout << "client disconnected,clientfd:" << epoll_events[i].data.fd << std::endl;
                            }
                            close(epoll_events[i].data.fd);
                        }
                    }
                    else
                    {
                        //正常收到数据
                        std::cout << "recv from client:" << epoll_events[i].data.fd << ", " << ch << std::endl;
                    }
                }
            }
            else if (epoll_events[i].events & POLLERR)
            {
                // TODO 暂不处理
            }
        }
    }

    close(listenfd);
    return 0;
}

我们先来看水平模式的行为，将代码 79 行和 134 行注释掉则使用 LT 模式，我们编译下程序并运行：

[root@localhost testepoll]# g++ -g -o epoll_server epoll_server.cpp 
[root@localhost testepoll]# ./epoll_server

然后再另外开启一个 shell 窗口，使用 nc 命令模拟一个客户端，连接服务器成功后，我们给服务器发送一个消息"abcef"：

[root@localhost ~]# nc -v 127.0.0.1 3000
Ncat: Version 7.50 ( https://nmap.org/ncat )
Ncat: Connected to 127.0.0.1:3000.
abcdef

此时服务器端输出：

[root@localhost testepoll]# ./epoll_server 
new client accepted,clientfd: 5
client fd: 5 recv data.
recv from client:5, a
client fd: 5 recv data.
recv from client:5, b
client fd: 5 recv data.
recv from client:5, c
client fd: 5 recv data.
recv from client:5, d
client fd: 5 recv data.
recv from client:5, e
client fd: 5 recv data.
recv from client:5, f
client fd: 5 recv data.
recv from client:5,

nc 命令实际发送了 a、b、c、d、e、f 和 \n 七个字符，由于服务器端使用的是 LT 模式，每次接收一个字符，只要 socket 接收缓冲区中仍有数据可读，POLLIN 事件就会一直触发，所以服务器一共有 7 次输出，直到 socket 接收缓冲区没有数据为止。

我们将代码 79 行和 134 行注释取消掉，使用 ET 模式再试一下，修改代码并重新编译，然后重新运行一下。再次使用 nc 命令模拟一个客户端连接后发送"abcef"，服务器只会有一次输出，效果如下：

由于使用了 ET 模式，只会触发一次 POLLIN 事件，如果此时没有新数据到来，就再也不会触发。所以，如果我们继续给服务器发送一条新数据，如 123，服务器将再次触发一次 POLLIN 事件，然后打印出字母 b，效果如下：

所以如果使用 ET 模式，切记要将该次 socket 上的数据收完。

**小结：**LT 模式和 ET 模式各有优缺点，无所谓孰优孰劣。使用 LT 模式，我们可以自由决定每次收取多少字节（对于普通 socket）或何时接收连接（对于侦听 socket），但是可能会导致多次触发；使用 ET 模式，我们必须每次都要将数据收完（对于普通 socket）或必须理解调用 accept 接收连接（对于侦听socket），其优点是触发次数少。

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