IO多路转接技术 | poll/epoll详解

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发布于 2025-05-05 13:39:54

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1. poll详解

函数原型

intpoll(struct pollfd *fd, nfds_t nfds, int timeout);

函数参数
- fd：数组的地址，struct pollfd all[120]; 其中struct pollfd结构体如下

structpollfd {

int   fd;         /* 文件描述符 */

short events;     /* 等待的事件 */

short revents;    /* 实际发生的事件 */

    };

结构体红各项含义如下：

文件描述符fd：表示要坚持测的fd，通过 open("a.txt", O_wronly | O_append); 获得。
events：要等待的事件

函数返回值：IO发生变化的文件描述符的个数。

2. epoll详解

（1）API介绍

intepoll_create(int size);

函数功能：生成一个epoll专用的文件描述符，实际上就是生成一个epoll树的根结点。
函数参数：size，epoll树上能挂的最大文件描述符数量。表示我想在这个树节点上挂size个节点，假如实际上的节点大于size的话epoll会自动扩展，所以这个大小可以随便传，不用太在意。但是这个扩展也是有上限的，如果电脑内存是1G，那么扩展的上限是10万（2G就是20万。。。通过加内存可以扩大上限）。
函数返回值：函数返回值是树的根节点，在后面用到epft参数的时候，都是指这个返回值，也就是树的根节点。

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

函数功能：用于控制某个epoll文件描述符事件，可以注册、修改、删除。
函数参数：
- epfd：epoll_create()函数生成的专用文件描述符。
- op：
  - EPOLL_CTL_ADD —— 注册
  - EPOLL_CTL_MOD —— 修改
  - EPOLL_CTL_DEL —— 删除
- fd：关联的文件描述符
- event：告诉内核要监听什么事件
  - EPOLLIN —— 读
  - EPOLLOUT —— 写
  - EPOLLERR —— 异常

structepoll_event {/* 该结构体主要存放和fd有关的信息 */
uint32_t     events;                          
epoll_data_t data; 
      };

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

epoll_data_t是一个联合体union，四个成员共用同一块内存，也就是说四个成员我们只能用一个，一般情况下我们用fd，这个fd实际上就是epoll_ctl()函数的第三个参数fd。

如果我们想在epoll树上挂载更多信息，而不仅仅是fd文件描述符的话，我们可以把更多信息封装在结构体中，并把该结构体传给epoll_data_t结构体的ptr指针，这样就可以在epoll树上挂载和fd有关的更多信息。

structsockInfo
        {
int         fd;
structsockaddr_inaddr;
        };

比如说，要获取发生变化的fd对应的client的IP和port，就可以利用指针ptr，这样的话联合epoll_data_t中的fd就不能用了，我们把文件描述符传给sockInfo的fd即可完成fd信息的挂载。

intepoll_wait(
int epfd,
struct epoll_event* events,  /* 结构体数组 */
int maxevents,
int timeout
);

函数功能：等待IO事件发生（可以设置阻塞），epoll_wait()函数相当于前面讲的select()或poll()函数，表示委托内核去进行检测。epoll_event通过返回值和传出参数events来实现把哪几个fd发生变化告诉server进程的目的。首先，每当有fd变化，就把这个fd对应的树节点拷贝到events数组中，最后，有几个fd变化，就返回几。这样只要根据返回值和参数events就可以遍历出所有变化的fd以及相关信息。
函数参数：
- epfd：要检测的句柄
- events：用于回传待处理事件的数组。它是一个传出参数，需要提前分配内存，哪个fd发生变化了，就把哪个fd的树节点(struct epoll_event)拷贝一份放到这个数组中。这样epoll就能返回是哪个fd发生了变化。
- maxevents：告诉内核events的大小，因为内核要把发生变化的fd对应的树节点拷贝到数组中，所以要知道数组大小。
- timeout：为超时时间
  - 1：永久阻塞
  - 0：立即返回
  - >0
函数返回值：有多少个fd发生了变化就返回几（变化的fd信息存在events数组中）。

（2）epoll树

（3）epoll模型

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/types.h>
#include<string.h>
#include<sys/socket.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<ctype.h>
#include<sys/epoll.h>

intmain(int argc, constchar* argv[])
{
if(argc < 2)
    {
printf("eg: ./a.out port\n");
exit(1);
    }
structsockaddr_inserv_addr;
socklen_t serv_len = sizeof(serv_addr);
int port = atoi(argv[1]); //字符串转整形值

// 创建套接字
int lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
// 初始化服务器 sockaddr_in 
memset(&serv_addr, 0, serv_len);
    serv_addr.sin_family = AF_INET; // 地址族 
    serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 监听本机所有的IP
    serv_addr.sin_port = htons(port); // 设置端口 
// 绑定IP和端口
    bind(lfd, (struct sockaddr*)&serv_addr, serv_len);

// 设置同时监听的最大个数
    listen(lfd, 36);
printf("Start accept ......\n");

structsockaddr_inclient_addr;
socklen_t cli_len = sizeof(client_addr);

// 创建epoll树根节点
int epfd = epoll_create(2000);
// 初始化epoll树
structepoll_eventev;
    ev.events = EPOLLIN;
    ev.data.fd = lfd;
    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, lfd, &ev);
//存放发生变化的fd对应的树节点
structepoll_eventall[2000];
while(1)
    {
// 使用epoll通知内核fd 文件IO检测
int ret = epoll_wait(epfd, all, sizeof(all)/sizeof(all[0]), -1);

// 遍历all数组中的前ret个元素 //ret表示有几个变化的fd，变化的fd都存在all数组中
for(int i=0; i<ret; ++i)
        {
int fd = all[i].data.fd;
// 判断是否有新连接
if(fd == lfd)
            {
// 接受连接请求 // accept不阻塞，因为已经有连接
int cfd = accept(lfd, (struct sockaddr*)&client_addr, &cli_len);
if(cfd == -1)
                {
                    perror("accept error");
exit(1);
                }
// 将新得到的cfd挂到树上
structepoll_eventtemp;
                temp.events = EPOLLIN; //检测cfd对应的读缓冲区，是否有数据传入
                temp.data.fd = cfd;
                epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, cfd, &temp);

// 打印客户端信息
char ip[64] = {0};
printf("New Client IP: %s, Port: %d\n",
                inet_ntop(AF_INET, &client_addr.sin_addr.s_addr, ip, sizeof(ip)),
                        ntohs(client_addr.sin_port));

            }
else
            {
// 处理已经连接的客户端发送过来的数据
if(!all[i].events & EPOLLIN) //只处理读事件
                {
continue;
                }
/*
                假如说client发送过了100个数据，也就是serve的read缓冲区有100个数据，
                但是调用recv函数的时候只能读50个数据，而本次循环只调用了一次recv，
                那么只能下次循环再读剩余的50个数据，所以下次循环检测的时候，
                epoll_wait还是会返回，因为缓冲区还是剩余数据。这就是水平触发模式。
                这样的话虽然client只发了1次，但是epoll_wait会通知两次server去读数据。
        */

// 读数据
char buf[1024] = {0};
int len = recv(fd, buf, sizeof(buf), 0);
if(len == -1)
                {
                    perror("recv error");
exit(1);
                }
elseif(len == 0)
                {
printf("client disconnected ....\n");
//close(fd);
// fd从epoll树上删除
                    ret = epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, fd, NULL);
// 挂树的时候需要ev,把ev挂在树上删除写NULL就行了
if(ret == -1)
              {
                    perror("epoll_ctl del error");
exit(1);
              }
               close(fd);
                }
else
                {
printf(" recv buf: %s\n", buf);
                    write(fd, buf, len);
                }
            }
        }
    }

    close(lfd);
return0;
}

epoll维护的红黑树是存在一个共享内存中，内核和用户都可以通过操作这个共享内存来操作树，不需要内核态和用户态的切换，也不需要两种状态之间的数据拷贝，所以效率更高。

（4）epoll的三种工作模式

水平触发模式 - （根据读来解释）
- 只要fd对应的缓冲区有数据，epoll_wait就会返回
- 返回的次数与发送数据的次数没有关系
- epoll默认的工作模式
边沿触发模式 - ET
- fd - 默认阻塞属性
- 客户端给server发数据:
  - 发一次数据server 的 epoll_wait就返回一次
  - 不在乎数据是否读完
  - 如果读不完，如何把数据全部读出来?
  - while(recv());
    - 数据读完之后recv会阻塞
    - 解决阻塞问题 —— 设置非阻塞fd

对于epoll_wait()来说，epoll_wait 调用次数越多, 系统的开销越大。

水平触发模式会多次返回，只要server的read缓冲区有数据，epoll_wait就返回，也就会通知server去读数据，那么在循环检测的时候，只要server的read缓冲区有数据，epoll_wait就会多次调用，多次返回，并通知server去读数据；假如说client发送过了100个数据，也就是serve的read缓冲区有100个数据，但是调用recv函数的时候只能读50个数据，而本次循环只调用了一次recv，那么只能下次循环再读剩余的50个数据，所以下次循环检测的时候，epoll_wait还是会返回，因为缓冲区还是剩余数据。这就是水平触发模式。这样的话虽然client只发了1次，但是epoll_wait会通知两次server去读数据。—— （printf函数是标准C库函数，C库函数都有一个默认缓冲区，printf的大小是8K。printf函数是行缓冲，使用printf函数的时候，如果不加 \n 会默认等到写满的时候才打印内容，加 \n 会强制把缓冲区的内容打印出来。另外 \0 表示结束，不加 \0 就会一直输出直到遇到 \0，用write(STDOUT_FILENO)替代printf函数就可以解决这些问题。）

边沿触发模式，client发一次数据epoll_wait只返回一次，也就只读一次，这样的话server的read缓冲区可能会有很多数据堆积，server读数据的时候可能读到的是上一次剩余的数据，并且只有client发的时候，epoll_wait才会通知server去读数据，边沿触发模式尽可能减少了epoll_wait的调用次数，缺点是数据有可能读不完导致堆积；

边沿非阻塞触发
- 效率最高
- 如何设置非阻塞
  - open()
    - 设置flags
    - 必须 O_WDRW | O_NONBLOCK
    - 终端文件: /dev/tty
- fcntl
  - int flag = fcntl(fd, F_GETFL);
    - flag |= O_NONBLOCK;
    - fcntl(fd, F_SETFL, flag);
    - 如何将缓冲区的全部数据都读出？

while(recv() > 0)
     {
      printf();
     }

示例

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/types.h>
#include<string.h>
#include<sys/socket.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<ctype.h>
#include<sys/epoll.h>
#include<fcntl.h>
#include<errno.h>

intmain(int argc, constchar* argv[])
{
if(argc < 2)
    {
printf("eg: ./a.out port\n");
exit(1);
    }
structsockaddr_inserv_addr;
socklen_t serv_len = sizeof(serv_addr);
int port = atoi(argv[1]);

// 创建套接字
int lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
// 初始化服务器 sockaddr_in 
memset(&serv_addr, 0, serv_len);
    serv_addr.sin_family = AF_INET;                   // 地址族 
    serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);    // 监听本机所有的IP
    serv_addr.sin_port = htons(port);            // 设置端口 
// 绑定IP和端口
    bind(lfd, (struct sockaddr*)&serv_addr, serv_len);

// 设置同时监听的最大个数
    listen(lfd, 36);
printf("Start accept ......\n");

structsockaddr_inclient_addr;
socklen_t cli_len = sizeof(client_addr);

// 创建epoll树根节点
int epfd = epoll_create(2000);
// 初始化epoll树
structepoll_eventev;

// 设置边沿触发
    ev.events = EPOLLIN; //监听的文件描述符没必要边沿触发，主要是通信的cfd
    ev.data.fd = lfd;
    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, lfd, &ev);

structepoll_eventall[2000];
while(1)
    {
// 使用epoll通知内核fd 文件IO检测
int ret = epoll_wait(epfd, all, sizeof(all)/sizeof(all[0]), -1);
printf("================== epoll_wait =============\n");

// 遍历all数组中的前ret个元素
for(int i=0; i<ret; ++i)
        {
int fd = all[i].data.fd;
// 判断是否有新连接
if(fd == lfd)
            {
// 接受连接请求
int cfd = accept(lfd, (struct sockaddr*)&client_addr, &cli_len);
if(cfd == -1)
                {
                    perror("accept error");
exit(1);
                }
// 设置文件cfd为非阻塞模式
int flag = fcntl(cfd, F_GETFL);
                flag |= O_NONBLOCK;
                fcntl(cfd, F_SETFL, flag);

// 将新得到的cfd挂到树上
structepoll_eventtemp;
// 设置边沿触发
                temp.events = EPOLLIN | EPOLLET;
                temp.data.fd = cfd;
                epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, cfd, &temp);

// 打印客户端信息
char ip[64] = {0};
printf("New Client IP: %s, Port: %d\n",
                inet_ntop(AF_INET, &client_addr.sin_addr.s_addr, ip, sizeof(ip)),
                ntohs(client_addr.sin_port));

            }
else
            {
// 处理已经连接的客户端发送过来的数据
if(!all[i].events & EPOLLIN) 
                {
continue;
                }

// 读数据
char buf[5] = {0};
int len;
// 循环读数据
while( (len = recv(fd, buf, sizeof(buf), 0)) > 0 )
                {
// 数据打印到终端
//不要用printf，因为printf如果找不到 \0 \n 字符会出现乱码，打印不出来等问题
                    write(STDOUT_FILENO, buf, len);
// 发送给客户端
                    send(fd, buf, len, 0);
                }
if(len == 0)
                {
printf("客户端断开了连接\n");
                    ret = epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, fd, NULL);
if(ret == -1)
                    {
                        perror("epoll_ctl - del error");
exit(1);
                    }
                    close(fd);
                }
elseif(len == -1)
                {
//数据已经被读完了，因为是非阻塞，所以在while循环中recv还要继续读，导致返回-1
if(errno == EAGAIN)
                    {
printf("缓冲区数据已经读完\n");
                    }
else
                    {
//这才是真正的recv错误
printf("recv error----\n");
exit(1);
                    }
                }
#if 0
if(len == -1)
                {
                    perror("recv error");
exit(1);
                }
elseif(len == 0)
                {
printf("client disconnected ....\n");
// fd从epoll树上删除
                    ret = epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, fd, NULL);
if(ret == -1)
                    {
                        perror("epoll_ctl - del error");
exit(1);
                    }
                    close(fd);

                }
else
                {
// printf(" recv buf: %s\n", buf);
                    write(STDOUT_FILENO, buf, len);
                    write(fd, buf, len);
                }
#endif
            }
        }
    }

    close(lfd);
return0;
}

5）文件描述符1024限制

对于select来说，无法突破文件描述符1024上限，因为select是通过数组实现的。poll和epoll可以突破1024限制，poll是内部链表实现，而epoll是红黑树实现。

查看受计算机硬件限制的文件描述符上限可以通过下面命令