. 設想一個場景：有100萬用戶同時與一個進程保持著TCP連接，而每一時刻只有幾十個或幾百個TCP連接是活躍的(接收TCP包)，也就是說在每一時刻進程只需要處理這100萬連接中的一小部分連接。那么，如何才能高效的處理這種場景呢？進程是否在每次詢問操作系統收集有事件發生的TCP連接時，把這100萬個連接告訴操作系統，然后由操作系統找出其中有事件發生的幾百個連接呢？實際上，在Linux2.4版本以前，那時的select或者poll事件驅動方式是這樣做的。 .??這里有個非常明顯的問題，即在某一時刻，進程收集有事件的連接時，其實這100萬連接中的大部分都是沒有事件發生的。因此如果每次收集事件時，都把100萬連接的套接字傳給操作系統(**這首先是用戶態內存到內核態內存的大量復制**)，而由操作系統內核尋找這些連接上有沒有未處理的事件，將會是巨大的資源浪費，然后select和poll就是這樣做的，因此它們最多只能處理幾千個并發連接。而epoll不這樣做，它在Linux內核中申請了一個簡易的文件系統，把原先的一個select或poll調用分成了3部分： ~~~cpp int epoll_create(int size); int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event); int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events,int maxevents, int timeout); ~~~ 1\. 調用epoll\_create建立一個epoll對象(在epoll文件系統中給這個句柄分配資源)； 2\. 調用epoll\_ctl向epoll對象中添加這100萬個連接的套接字； 3\. 調用epoll\_wait收集發生事件的連接。 ??這樣只需要在進程啟動時建立1個epoll對象，并在需要的時候向它添加或刪除連接就可以了，因此，在實際收集事件時，epoll\_wait的效率就會非常高，因為調用epoll\_wait時并沒有向它傳遞這100萬個連接，內核也不需要去遍歷全部的連接。 ## 一、epoll原理詳解 ??當某一進程調用epoll\_create方法時，Linux內核會創建一個eventpoll結構體，這個結構體中有兩個成員與epoll的使用方式密切相關，如下所示： ~~~cpp struct eventpoll { 　　... 　　/*紅黑樹的根節點，這棵樹中存儲著所有添加到epoll中的事件， 　　也就是這個epoll監控的事件*/ 　　struct rb_root rbr; 　　/*雙向鏈表rdllist保存著將要通過epoll_wait返回給用戶的、滿足條件的事件*/ 　　struct list_head rdllist; 　　... }; ~~~ ??我們在**調用epoll\_create**時，內核除了幫我們在epoll文件系統里建了個file結點，**在內核cache里建了個紅黑樹**用于存儲以后epoll\_ctl傳來的socket外，**還會再建立一個rdllist雙向鏈表，用于存儲準備就緒的事件**，**當epoll\_wait調用時，僅僅觀察這個rdllist雙向鏈表里有沒有數據即可。有數據就返回**，沒有數據就sleep，等到timeout時間到后即使鏈表沒數據也返回。所以，epoll\_wait非常高效。 ??所有添加到epoll中的事件都會與設備(如網卡)驅動程序**建立回調關系**，也就是說相應事件的發生時會調用這里的回調方法。這個回調方法在內核中叫做**ep\_poll\_callback**，它會把這樣的事件放到上面的rdllist雙向鏈表中。 ??在epoll中對于每一個事件都會建立一個epitem結構體，如下所示： ~~~cpp struct epitem { 　　... 　　//紅黑樹節點 　　struct rb_node rbn; 　　//雙向鏈表節點 　　struct list_head rdllink; 　　//事件句柄等信息 　　struct epoll_filefd ffd; 　　//指向其所屬的eventepoll對象 　　struct eventpoll *ep; 　　//期待的事件類型 　　struct epoll_event event; 　　... }; // 這里包含每一個事件對應著的信息。 ~~~ ??當調用epoll\_wait檢查是否有發生事件的連接時，只是檢查eventpoll對象中的**rdllist雙向鏈表是否有epitem元素**而已，如果rdllist鏈表不為空，則這里的事件復制到用戶態內存（使用共享內存提高效率）中，同時將事件數量返回給用戶。因此epoll\_waitx效率非常高。epoll\_ctl在向epoll對象中添加、修改、刪除事件時，從rbr紅黑樹中查找事件也非常快，也就是說epoll是非常高效的，它可以輕易地處理百萬級別的并發連接。  【**總結**】： ??**一顆紅黑樹，一張準備就緒句柄鏈表**，少量的內核cache，就幫我們解決了大并發下的socket處理問題。 * 執行epoll\_create()時，創建了紅黑樹和就緒鏈表； * 執行epoll\_ctl()時，如果增加socket句柄，則檢查在紅黑樹中是否存在，存在立即返回，不存在則添加到樹干上，然后向內核注冊回調函數，用于當中斷事件來臨時向準備就緒鏈表中插入數據； * 執行epoll\_wait()時立刻返回準備就緒鏈表里的數據即可。  ## 二、epoll的兩種觸發模式 ??epoll有EPOLLLT和EPOLLET兩種觸發模式，LT是默認的模式，ET是“高速”模式。 * LT（水平觸發）模式下，只**要這個文件描述符還有數據可讀，每次 epoll\_wait都會返回它的事件**，提醒用戶程序去操作； * ET（邊緣觸發）模式下，在它檢測到有 I/O 事件時，通過 epoll\_wait 調用會得到有事件通知的文件描述符，**對于每一個被通知的文件描述符，如可讀，則必須將該文件描述符一直讀到空**，讓 errno 返回 EAGAIN 為止，否則下次的 epoll\_wait 不會返回余下的數據，會丟掉事件。如果ET模式不是非阻塞的，那這個一直讀或一直寫勢必會在最后一次阻塞。 ??還有一個特點是，epoll使用“事件”的就緒通知方式，通過epoll\_ctl注冊fd，一旦該fd就緒，內核就會采用類似callback的回調機制來激活該fd，epoll\_wait便可以收到通知。  【epoll為什么要有EPOLLET觸發模式？】： ??如果采用EPOLLLT模式的話，**系統中一旦有大量你不需要讀寫的就緒文件描述符，它們每次調用epoll\_wait都會返回**，這樣會大大降低處理程序檢索自己關心的就緒文件描述符的效率.。而采用EPOLLET這種邊緣觸發模式的話，當被監控的文件描述符上有可讀寫事件發生時，epoll\_wait()會通知處理程序去讀寫。如果這次沒有把數據全部讀寫完(如讀寫緩沖區太小)，那么下次調用epoll\_wait()時，它不會通知你，也就是它只會通知你一次，直到該文件描述符上出現第二次可讀寫事件才會通知你！！！這種模式比水平觸發效率高，系統不會充斥大量你不關心的就緒文件描述符。 【**總結**】： * ET模式（邊緣觸發）**只有數據到來才觸發**，**不管緩存區中是否還有數據**，緩沖區剩余未讀盡的數據不會導致epoll\_wait返回； * LT 模式（水平觸發，默認）**只要有數據都會觸發**，緩沖區剩余未讀盡的數據會導致epoll\_wait返回。 ## 三、epoll反應堆模型 【epoll模型原來的流程】： ~~~ epoll_create(); // 創建監聽紅黑樹 epoll_ctl(); // 向書上添加監聽fd epoll_wait(); // 監聽 有監聽fd事件發送--->返回監聽滿足數組--->判斷返回數組元素---> lfd滿足accept--->返回cfd---->read()讀數據--->write()給客戶端回應。 ~~~ 【epoll反應堆模型的流程】： ~~~ epoll_create(); // 創建監聽紅黑樹 epoll_ctl(); // 向書上添加監聽fd epoll_wait(); // 監聽 有客戶端連接上來--->lfd調用acceptconn()--->將cfd掛載到紅黑樹上監聽其讀事件---> epoll_wait()返回cfd--->cfd回調recvdata()--->將cfd摘下來監聽寫事件---> epoll_wait()返回cfd--->cfd回調senddata()--->將cfd摘下來監聽讀事件--->...---> ~~~  【Demo】： ~~~cpp #include <stdio.h> #include <sys/socket.h> #include <sys/epoll.h> #include <arpa/inet.h> #include <fcntl.h> #include <unistd.h> #include <errno.h> #include <string.h> #include <stdlib.h> #include <time.h> #define MAX_EVENTS 1024 /*監聽上限*/ #define BUFLEN 4096 /*緩存區大小*/ #define SERV_PORT 6666 /*端口號*/ void recvdata(int fd,int events,void *arg); void senddata(int fd,int events,void *arg); /*描述就緒文件描述符的相關信息*/ struct myevent_s { int fd; //要監聽的文件描述符 int events; //對應的監聽事件，EPOLLIN和EPLLOUT void *arg; //指向自己結構體指針 void (*call_back)(int fd,int events,void *arg); //回調函數 int status; //是否在監聽:1->在紅黑樹上(監聽), 0->不在(不監聽) char buf[BUFLEN]; int len; long last_active; //記錄每次加入紅黑樹 g_efd 的時間值 }; int g_efd; //全局變量，作為紅黑樹根 struct myevent_s g_events[MAX_EVENTS+1]; //自定義結構體類型數組. +1-->listen fd /* * 封裝一個自定義事件，包括fd，這個fd的回調函數，還有一個額外的參數項 * 注意：在封裝這個事件的時候，為這個事件指明了回調函數，一般來說，一個fd只對一個特定的事件 * 感興趣，當這個事件發生的時候，就調用這個回調函數 */ void eventset(struct myevent_s *ev, int fd, void (*call_back)(int fd,int events,void *arg), void *arg) { ev->fd = fd; ev->call_back = call_back; ev->events = 0; ev->arg = arg; ev->status = 0; if(ev->len <= 0) { memset(ev->buf, 0, sizeof(ev->buf)); ev->len = 0; } ev->last_active = time(NULL); //調用eventset函數的時間 return; } /* 向 epoll監聽的紅黑樹 添加一個文件描述符 */ void eventadd(int efd, int events, struct myevent_s *ev) { struct epoll_event epv={0, {0}}; int op = 0; epv.data.ptr = ev; // ptr指向一個結構體（之前的epoll模型紅黑樹上掛載的是文件描述符cfd和lfd，現在是ptr指針） epv.events = ev->events = events; //EPOLLIN 或 EPOLLOUT if(ev->status == 0) //status 說明文件描述符是否在紅黑樹上 0不在，1 在 { op = EPOLL_CTL_ADD; //將其加入紅黑樹 g_efd, 并將status置1 ev->status = 1; } if(epoll_ctl(efd, op, ev->fd, &epv) < 0) // 添加一個節點 printf("event add failed [fd=%d],events[%d]\n", ev->fd, events); else printf("event add OK [fd=%d],events[%0X]\n", ev->fd, events); return; } /* 從epoll 監聽的 紅黑樹中刪除一個文件描述符*/ void eventdel(int efd,struct myevent_s *ev) { struct epoll_event epv = {0, {0}}; if(ev->status != 1) //如果fd沒有添加到監聽樹上，就不用刪除，直接返回 return; epv.data.ptr = NULL; ev->status = 0; epoll_ctl(efd, EPOLL_CTL_DEL, ev->fd, &epv); return; } /* 當有文件描述符就緒, epoll返回, 調用該函數與客戶端建立鏈接 */ void acceptconn(int lfd,int events,void *arg) { struct sockaddr_in cin; socklen_t len = sizeof(cin); int cfd, i; if((cfd = accept(lfd, (struct sockaddr *)&cin, &len)) == -1) { if(errno != EAGAIN && errno != EINTR) { sleep(1); } printf("%s:accept,%s\n",__func__, strerror(errno)); return; } do { for(i = 0; i < MAX_EVENTS; i++) //從全局數組g_events中找一個空閑元素，類似于select中找值為-1的元素 { if(g_events[i].status ==0) break; } if(i == MAX_EVENTS) // 超出連接數上限 { printf("%s: max connect limit[%d]\n", __func__, MAX_EVENTS); break; } int flag = 0; if((flag = fcntl(cfd, F_SETFL, O_NONBLOCK)) < 0) //將cfd也設置為非阻塞 { printf("%s: fcntl nonblocking failed, %s\n", __func__, strerror(errno)); break; } eventset(&g_events[i], cfd, recvdata, &g_events[i]); //找到合適的節點之后，將其添加到監聽樹中，并監聽讀事件 eventadd(g_efd, EPOLLIN, &g_events[i]); }while(0); printf("new connect[%s:%d],[time:%ld],pos[%d]",inet_ntoa(cin.sin_addr), ntohs(cin.sin_port), g_events[i].last_active, i); return; } /*讀取客戶端發過來的數據的函數*/ void recvdata(int fd, int events, void *arg) { struct myevent_s *ev = (struct myevent_s *)arg; int len; len = recv(fd, ev->buf, sizeof(ev->buf), 0); //讀取客戶端發過來的數據 eventdel(g_efd, ev); //將該節點從紅黑樹上摘除 if (len > 0) { ev->len = len; ev->buf[len] = '\0'; //手動添加字符串結束標記 printf("C[%d]:%s\n", fd, ev->buf); eventset(ev, fd, senddata, ev); //設置該fd對應的回調函數為senddata eventadd(g_efd, EPOLLOUT, ev); //將fd加入紅黑樹g_efd中,監聽其寫事件 } else if (len == 0) { close(ev->fd); /* ev-g_events 地址相減得到偏移元素位置 */ printf("[fd=%d] pos[%ld], closed\n", fd, ev-g_events); } else { close(ev->fd); printf("recv[fd=%d] error[%d]:%s\n", fd, errno, strerror(errno)); } return; } /*發送給客戶端數據*/ void senddata(int fd, int events, void *arg) { struct myevent_s *ev = (struct myevent_s *)arg; int len; len = send(fd, ev->buf, ev->len, 0); //直接將數據回射給客戶端 eventdel(g_efd, ev); //從紅黑樹g_efd中移除 if (len > 0) { printf("send[fd=%d], [%d]%s\n", fd, len, ev->buf); eventset(ev, fd, recvdata, ev); //將該fd的回調函數改為recvdata eventadd(g_efd, EPOLLIN, ev); //重新添加到紅黑樹上，設為監聽讀事件 } else { close(ev->fd); //關閉鏈接 printf("send[fd=%d] error %s\n", fd, strerror(errno)); } return ; } /*創建 socket, 初始化lfd */ void initlistensocket(int efd, short port) { struct sockaddr_in sin; int lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); fcntl(lfd, F_SETFL, O_NONBLOCK); //將socket設為非阻塞 memset(&sin, 0, sizeof(sin)); //bzero(&sin, sizeof(sin)) sin.sin_family = AF_INET; sin.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; sin.sin_port = htons(port); bind(lfd, (struct sockaddr *)&sin, sizeof(sin)); listen(lfd, 20); /* void eventset(struct myevent_s *ev, int fd, void (*call_back)(int, int, void *), void *arg); */ eventset(&g_events[MAX_EVENTS], lfd, acceptconn, &g_events[MAX_EVENTS]); /* void eventadd(int efd, int events, struct myevent_s *ev) */ eventadd(efd, EPOLLIN, &g_events[MAX_EVENTS]); //將lfd添加到監聽樹上，監聽讀事件 return; } int main() { int port=SERV_PORT; g_efd = epoll_create(MAX_EVENTS + 1); //創建紅黑樹,返回給全局 g_efd if(g_efd <= 0) printf("create efd in %s err %s\n", __func__, strerror(errno)); initlistensocket(g_efd, port); //初始化監聽socket struct epoll_event events[MAX_EVENTS + 1]; //定義這個結構體數組，用來接收epoll_wait傳出的滿足監聽事件的fd結構體 printf("server running:port[%d]\n", port); int checkpos = 0; int i; while(1) { /* long now = time(NULL); for(i=0; i < 100; i++, checkpos++) { if(checkpos == MAX_EVENTS); checkpos = 0; if(g_events[checkpos].status != 1) continue; long duration = now -g_events[checkpos].last_active; if(duration >= 60) { close(g_events[checkpos].fd); printf("[fd=%d] timeout\n", g_events[checkpos].fd); eventdel(g_efd, &g_events[checkpos]); } } */ //調用eppoll_wait等待接入的客戶端事件,epoll_wait傳出的是滿足監聽條件的那些fd的struct epoll_event類型 int nfd = epoll_wait(g_efd, events, MAX_EVENTS+1, 1000); if (nfd < 0) { printf("epoll_wait error, exit\n"); exit(-1); } for(i = 0; i < nfd; i++) { //evtAdd()函數中，添加到監聽樹中監聽事件的時候將myevents_t結構體類型給了ptr指針 //這里epoll_wait返回的時候，同樣會返回對應fd的myevents_t類型的指針 struct myevent_s *ev = (struct myevent_s *)events[i].data.ptr; //如果監聽的是讀事件，并返回的是讀事件 if((events[i].events & EPOLLIN) &&(ev->events & EPOLLIN)) { ev->call_back(ev->fd, events[i].events, ev->arg); } //如果監聽的是寫事件，并返回的是寫事件 if((events[i].events & EPOLLOUT) && (ev->events & EPOLLOUT)) { ev->call_back(ev->fd, events[i].events, ev->arg); } } } return 0; } ~~~ 參考：[https://blog.csdn.net/qq\_36359022/article/details/81355897](https://blog.csdn.net/qq_36359022/article/details/81355897) [https://blog.csdn.net/weixin\_40204595/article/details/83213332](https://blog.csdn.net/weixin_40204595/article/details/83213332) [http://www.cnblogs.com/pluser/p/epoll\_principles.html](http://www.cnblogs.com/pluser/p/epoll_principles.html) [https://www.cnblogs.com/aspirant/p/9166944.html](https://www.cnblogs.com/aspirant/p/9166944.html)