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Linux网络：多路转接 epoll

news 2025/8/2 11:51:24

Linux网络：多路转接 epoll

一、epoll三个接口函数
- 1、epoll_create
- 2、epoll_ctl
- 3、epoll_wait
二、epoll的工作原理
三、epoll的echo_server
- 1、EpollServer类
- 2、构造函数
- 3、事件循环
- 4、事件派发
- 5、事件处理
- 6、测试
四、LT和ET模式
- 1、LT
- 2、ET
五、项目代码

一、epoll三个接口函数

多路转接是非常高效的一种IO模型，它可以在同一时间等待多个套接字，从而提高效率。Linux提供了三种系统调用实现多路转接：select、poll、epoll。本博客讲解epoll。

epoll是经过改进的poll，在Linux 2.5.44版本引入内核，并认为是Linux2.6最好的多路转接实现方案

1、epoll_create

epoll_create用于创建一个epoll模型，需要头文件<sys/epoll.h>，函数原型如下：

int epoll_create(int size);

此处的参数size已经被废弃，可以填入大于0的任何值。

返回值是一个文件描述符，通过这个文件描述符，可以操控Linux底层创建的epoll(主要是那两个模型)

2、epoll_ctl

epoll_ctl用于控制epoll模型，需要头文件<sys/epoll.h>，函数原型如下：

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

参数：

epfd：通过epoll_create获取到的文件描述符
op：本次执行的操作，传入宏
fd：要监听的文件的文件描述符
event：对文件要执行的监听类型

其中：op操作包括

EPOLL_CTL_ADD：新增一个文件描述符到epoll中
EPOLL_CTL_MOD：修改一个epoll中的文件描述符
EPOLL_CTL_DEL：从epoll中删除一个文件描述符

其中event的类型是struct epoll_event*，该结构体定义如下：

struct epoll_event {uint32_t      events;  /* Epoll events */epoll_data_t  data;    /* User data variable */
};union epoll_data {void     *ptr;int       fd;uint32_t  u32;uint64_t  u64;
};

这个结构体中，包含events和data两个字段：

events：一个位图，存储要监听的事件以及一些其它配置
data：当epoll返回时，携带的数据

此处的data是一个联合体，它可以存储四种类型的数据：ptr指针，int文件描述符，uint32_t和uint64_t的整型。

其中events包括：

EPOLLIN：监听读事件
EPOLLOUT：监听写事件
EPOLLERR：监听错误事件
EPOLLHUP：文件描述符被关闭
EPOLLONESHOT：只监听一次事件，本次监听完毕，文件描述符被从epoll中移除

当一个epoll返回已经就绪的文件时，用户其实无法得知这个文件的描述符，那么就可以通过这个data.fd获取到文件描述符，当然也可以通过其它的参数，传递更复杂的信息。

3、epoll_wait

epoll_wait用于等待epoll模型中的文件就绪，需要头文件<sys/epoll.h>，函数原型如下：

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

参数：

epfd：通过epoll_create获取到的文件描述符
events：输出型参数，指向一个epoll_event就绪数组，获取之前通过epoll_ctl传入的events
maxevents：用户传入的events数组的最大长度(就绪事件个数)
timeout：超时时间，以ms为单位

此处用户要传入一个epoll_event数组，这个数组用于存储本次就绪的所有文件的epoll_event，为了防止越界，所以还要传入maxevents。

就是说，epoll的使用方式是通过epoll_wait获取就绪的文件，这些文件存储到epoll_event数组中。

函数返回，用户可以遍历数组，获取到所有就绪的文件的epoll_event结构体。

这个结构体是在epoll_ctl时传入的，从它的events字段可以得知这个文件监听的事件，从data字段可以获取之前预设的其他信息，一般会预设data.fd获取这个文件的描述符。

返回值：

0：超时，指定时间内没有文件就绪
<0：出现错误
>0：就绪的文件的个数

通过此处，已经可以看出epoll相比于select的优势了：

epoll返回时，把已经就绪的文件放到数组中，后续遍历数组，每一个元素都是已经就绪的文件

在select中，就绪的事件通过一张位图返回，用户需要遍历整个位图所有元素，并判断该元素是否就绪，那么就会浪费大量的时间在未就绪的文件上。

epoll返回时，不会把已经加入epoll的文件删除，而是继续监听该文件

这是另一大优势，在select中，每次返回都会重置用户传入的位图，因此用户在每次轮询都要重新把文件描述符设置到select。

当然，用户也可以在epoll_ctl的时候，设置EPOLLONESHOT，那么这个文件被epoll返回后，就会从epoll中删除，也就是只监听一次事件。

二、epoll的工作原理

在这里插入图片描述

Epoll的工作原理：

一种特殊的数据结构：

双层结构体：结构体嵌套结构体

在这里插入图片描述

三、epoll的echo_server

接下来使用epoll系统调用，实现一个简单的echo server。

1、EpollServer类

// 多路转接：事件循环、事件派发、事件处理！
class EpollServer
{
public:// 构造函数EpollServer(uint16_t port){}// 初始化函数void InitServer(){}// 转换字符串std::string EventsToString(uint32_t events)// 事件处理：网络套接字文件void Accepter(){}// 事件处理：普通文件void HandlerIO(int fd){}// 事件派发void HandlerEvent(int n){}// 事件循环void Loop(){}// 析构~EpollServer(){}
private:uint16_t _port;std::unique_ptr<Socket> _listensock;int _epfd;  // epoll_create的返回值！epoll句柄struct epoll_event revs[num]; // 将内核epoll模型里面的就绪事件，存入revs(revs是epoll_wait的参数)
};

2、构造函数

构造函数代码如下：

// 构造函数EpollServer(uint16_t port): _port(port), _listensock(std::make_unique<TcpSocket>()){_listensock->BuildListenSocket(port); // 根据传来的port来创建监听套接字！！！// 1、epoll_create创建成功，说明底层内核已经创建好了：红黑树+就绪队列_epfd = ::epoll_create(size);// 这里的参数size>0即可if (_epfd < 0){LOG(FATAL, "epoll create fail\n");exit(-1);}LOG(INFO, "epoll create sucess ,epfd:%d\n", _epfd);}

3、事件循环

事件循环代码如下：

开启循环后，进入一个while(true)死循环，每一轮循环通过epoll_wait获取本轮循环就绪的文件：

// 事件循环void Loop(){int timeout = 1000; // 设置时限！1swhile (true){int n = ::epoll_wait(_epfd, revs, num, timeout); // epoll_wait的返回值就是就绪事件的个数switch (n){case 0:LOG(INFO, "epoll time out...\n");break;case -1:LOG(ERROR, "epoll wait fail\n");break;default:LOG(INFO, "have event happend! n:%d\n", n);HandlerEvent(n);// 事件派发break;}}}

4、事件派发

事件派发就是判断文件描述符是_listenfd还是普通的sockfd，调用不同的函数进行处理。

    // 事件派发void HandlerEvent(int n){for (int i = 0; i < n; i++){int fd = revs[i].data.fd;uint32_t revents = revs[i].events; // 具体是哪一个fd里面的什么事件就绪了！？LOG(INFO, "%d 上面的有事件就绪了，具体事件是：%s\n", fd, EventsToString(revents).c_str());// 事件处理：封装！// 1、listensock就绪if (fd = _listensock->Sockfd()){Accepter();}// 2、处理普通fdelse{HandlerIO(fd);}}}

5、事件处理

void Accepter(){InetAddr addr;int sockfd = _listensock->Accepter(&addr);if (sockfd < 0){LOG(ERROR, "获取连接失败\n");return ;}LOG(INFO, "得到一个新链接：%d,客户端信息：%s:%d\n", sockfd, addr.Ip().c_str(), addr.Port());struct epoll_event ev;ev.events = EPOLLIN;ev.data.fd = sockfd;// 必须将sockfd加入到epoll里面，这样才能让epoll对提取出来的sockfd进行处理！::epoll_ctl(_epfd, EPOLL_CTL_ADD, sockfd, &ev);LOG(INFO, "add sucess to epoll,new sockfd:%d\n", sockfd);}void HandlerIO(int fd){char buffer[4096];int n = ::recv(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0);if (n > 0){buffer[n] = 0;std::cout << buffer;}else if (n == 0){LOG(INFO, "client,quit...\n");// 先将这个退出的fd从epoll中移除，再关闭fd::epoll_ctl(_epfd, EPOLL_CTL_DEL, fd, nullptr);::close(fd);}else{LOG(ERROR, "client,fail...\n");::epoll_ctl(_epfd, EPOLL_CTL_DEL, fd, nullptr);::close(fd);}}