概述

在前兩篇文章中，我們介紹了如何使用select和poll進(jìn)行IO多路復(fù)用。select通常有一個固定的文件描述符數(shù)量上限（通常是1024），poll雖然沒有嚴(yán)格的文件描述符數(shù)量限制，但在實際使用中也可能受到系統(tǒng)資源的限制。相比之下，epoll支持非常大的文件描述符數(shù)量（理論上可以達(dá)到系統(tǒng)文件描述符的最大值），因此更適合高并發(fā)場景。在本篇中，我們將重點介紹epoll。

epoll

epoll是Linux特有的IO多路復(fù)用接口，專為大規(guī)模并發(fā)場景設(shè)計。epoll相比于select和poll有更高的性能，因為它可以處理大量的文件描述符，并且在獲取事件時不需要遍歷整個文件描述符集合。epoll的內(nèi)部實現(xiàn)中使用了紅黑樹和就緒鏈表兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以便高效地管理和查詢事件。
epoll的核心思想是：創(chuàng)建一個事件表，這個事件表會將所有需要監(jiān)控的文件描述符和它們對應(yīng)的事件關(guān)聯(lián)起來。當(dāng)某個文件描述符上的事件發(fā)生時，內(nèi)核會將該事件添加到就緒列表中。用戶程序只需要從就緒列表中讀取事件即可，而不需要像select或poll那樣每次都需要遍歷整個文件描述符集來查找哪些事件已經(jīng)就緒。
與epoll相關(guān)的系統(tǒng)API主要有三個：epoll_create、epoll_ctl、epoll_wait，下面分別進(jìn)行介紹。
1、epoll_create函數(shù)用于創(chuàng)建一個epoll實例，并返回一個新的文件描述符。在較新的Linux版本中，推薦使用epoll_create1函數(shù)。epoll_create1是epoll_create的改進(jìn)版，允許指定標(biāo)志位。

int epoll_create(int size);
int epoll_create1(int flags);

size：這個參數(shù)在現(xiàn)代內(nèi)核中已經(jīng)不再使用，但在調(diào)用時仍需要傳遞一個大于零的值。它是歷史遺留下來的，用于向后兼容。
flags：可以是0或EPOLL_CLOEXEC。EPOLL_CLOEXEC標(biāo)志表示執(zhí)行exec函數(shù)族時，關(guān)閉此文件描述符。
返回值：成功時返回新的文件描述符（非負(fù)整數(shù)），失敗時返回-1，并設(shè)置errno。
2、epoll_ctl函數(shù)用于向epoll實例添加、修改或刪除感興趣的文件描述符。

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

epfd：由epoll_create或epoll_create1創(chuàng)建的epoll文件描述符。
op：操作類型，可以是以下之一：
（1）EPOLL_CTL_ADD：將文件描述符fd添加到epoll實例中。
（2）EPOLL_CTL_MOD：修改文件描述符fd在epoll實例中的事件。
（3）EPOLL_CTL_DEL：從epoll實例中移除文件描述符fd。
fd：要操作的文件描述符。
event：指向epoll_event結(jié)構(gòu)體的指針，定義了監(jiān)聽的事件類型和關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)。
返回值：成功時返回0，失敗時返回-1，并設(shè)置errno。
3、epoll_wait函數(shù)用于等待并獲取就緒的IO事件。

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

epfd：由epoll_create或epoll_create1創(chuàng)建的epoll文件描述符。
events：指向epoll_event數(shù)組的指針，用來存放發(fā)生的事件。
maxevents：events數(shù)組的最大長度。
timeout：等待時間，單位為毫秒。-1表示無限等待，0表示立即返回，不阻塞。
返回值：成功時返回發(fā)生的事件數(shù)量，失敗時返回-1，并設(shè)置errno。

邊緣觸發(fā)模式

epoll支持邊緣觸發(fā)（Edge-Triggered，即ET）模式，select和poll不支持，它們僅支持水平觸發(fā)模式（Level-Triggered，即LT）。邊緣觸發(fā)模式是一種高效的IO事件通知機(jī)制，它與水平觸發(fā)模式有所不同。在邊緣觸發(fā)模式下，epoll只會在文件描述符的狀態(tài)發(fā)生變化時通知應(yīng)用程序一次。這意味著，如果應(yīng)用程序沒有處理完所有數(shù)據(jù)，內(nèi)核將不會再次通知該事件，直到新的數(shù)據(jù)到達(dá)或狀態(tài)再次發(fā)生變化。
epoll的邊緣觸發(fā)模式具有以下幾個特點。
1、僅在狀態(tài)變化時通知。當(dāng)文件描述符從不可讀變?yōu)榭勺x，或者從不可寫變?yōu)榭蓪憰r，epoll會通知應(yīng)用程序。如果應(yīng)用程序沒有完全讀取或?qū)懭胨袛?shù)據(jù)，那么剩余的數(shù)據(jù)將不會再次觸發(fā)事件，直到有新的數(shù)據(jù)到來或狀態(tài)再次變化。
2、非阻塞IO。在邊緣觸發(fā)模式下，必須使用非阻塞IO。這是因為當(dāng)read或write調(diào)用返回EAGAIN或EWOULDBLOCK時，表示當(dāng)前沒有更多數(shù)據(jù)可以讀取或?qū)懭?，但并不意味著文件描述符已?jīng)不可讀或不可寫。應(yīng)用程序需要繼續(xù)嘗試讀取或?qū)懭?，直到所有?shù)據(jù)處理完畢。
3、更高的性能。由于邊緣觸發(fā)模式減少了內(nèi)核和用戶空間之間的上下文切換次數(shù)，因此通常比水平觸發(fā)模式更高效，特別是在高并發(fā)場景中。
4、更復(fù)雜的編程模型。使用邊緣觸發(fā)模式需要更加小心地處理IO操作，以確保不會遺漏任何數(shù)據(jù)。

實戰(zhàn)代碼

在下面的示例代碼中，我們使用epoll函數(shù)實現(xiàn)了TCP服務(wù)器的IO多路復(fù)用。
首先，我們創(chuàng)建一個監(jiān)聽套接字listen_sock，將其綁定到指定的端口8888，并開始監(jiān)聽連接請求。
然后，我們使用epoll_create1創(chuàng)建一個epoll實例，并檢查是否成功。接著，將監(jiān)聽套接字listen_sock添加到 epoll實例中，并設(shè)置為邊緣觸發(fā)模式（EPOLLET）和可讀事件（EPOLLIN）。
在主循環(huán)中，我們使用epoll_wait函數(shù)等待IO事件的發(fā)生。epoll_wait會阻塞，直到有事件發(fā)生或超時，返回值nfds是就緒事件的數(shù)量。遍歷events數(shù)組中的每一個就緒事件，檢查每個事件的文件描述符fd是否為監(jiān)聽套接字listen_sock。
如果事件的文件描述符是監(jiān)聽套接字listen_sock，則表示有新的連接請求。調(diào)用accept接受新連接，并創(chuàng)建一個新的客戶端套接字conn_sock。將新連接的套接字添加到epoll實例中，并設(shè)置為邊緣觸發(fā)模式（EPOLLET）和可讀事件（EPOLLIN）。
如果事件的文件描述符不是監(jiān)聽套接字listen_sock，則表示該文件描述符上有數(shù)據(jù)可讀。調(diào)用read函數(shù)讀取數(shù)據(jù)，并回顯給客戶端。如果讀取到0字節(jié)，表示客戶端已斷開連接。如果讀取失敗，也認(rèn)為客戶端斷開連接。在這兩種情況下，關(guān)閉套接字，并從epoll實例中移除該套接字。
最后，當(dāng)程序退出時，關(guān)閉所有打開的套接字和epoll實例。

#include <iostream>
#include <sys/epoll.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <cstring>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>

using namespace std;

#define MAX_EVENTS                  10

int main()
{
    int listen_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (listen_sock == -1)
    {
        cout << "Create socket failed" << endl;
        return 1;
    }

    struct sockaddr_in server_addr;
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(8888);
    server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

    if (bind(listen_sock, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1)
    {
        cout << "Bind failed" << endl;
        close(listen_sock);
        return 1;
    }

    if (listen(listen_sock, 5) == -1)
    {
        cout << "Listen failed" << endl;
        close(listen_sock);
        return 1;
    }

    // 創(chuàng)建epoll實例
    int epoll_fd = epoll_create1(0);
    if (epoll_fd == -1)
    {
        cout << "Create epoll failed" << endl;
        close(listen_sock);
        return 1;
    }

    // 添加監(jiān)聽Socket
    struct epoll_event ev, events[MAX_EVENTS];
    ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;
    ev.data.fd = listen_sock;
    epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, listen_sock, &ev);

    while (true)
    {
        // 等待并獲取就緒的IO事件
        int nfds = epoll_wait(epoll_fd, events, MAX_EVENTS, -1);
        if (nfds == -1)
        {
            cout << "Wait epoll failed" << endl;
            break;
        }

        for (int i = 0; i < nfds; ++i)
        {
            if (events[i].data.fd == listen_sock)
            {
                // 新連接
                struct sockaddr_in client_addr;
                socklen_t client_len = sizeof(client_addr);
                int conn_sock = accept(listen_sock, (struct sockaddr*)&client_addr, 
                    &client_len);
                if (conn_sock != -1)
                {
                    ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;
                    ev.data.fd = conn_sock;
                    epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, conn_sock, &ev);
                }
                else
                {
                    cout << "New connection" << endl;
                }
            }
            else
            {
                // 處理數(shù)據(jù)
                char buf[1024];
                ssize_t nread = read(events[i].data.fd, buf, sizeof(buf));
                if (nread > 0)
                {
                    // 接收并回顯數(shù)據(jù)
                    cout << "Received data: " << string(buf, nread) << endl;
                    write(events[i].data.fd, buf, nread);
                }
                else if (nread == 0)
                {
                    // 客戶端關(guān)閉連接
                    epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_DEL, events[i].data.fd, nullptr);
                    close(events[i].data.fd);
                }
                else
                {
                    // 發(fā)生錯誤
                    cout << "Read error" << endl;
                    epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_DEL, events[i].data.fd, nullptr);
                    close(events[i].data.fd);
                }
            }
        }
    }

    close(listen_sock);
    close(epoll_fd);
    return 0;
}