目錄

一. epoll的實現原理

二.? epoll的相關接口

2.1 epoll_create --?創建epoll模型

2.2 epoll_ctl --?對epoll模型進行控制

2.3?epoll_wait --?等待epoll所關注的事件就緒

2.4?epoll相關接口的使用方法

三. Epoll服務器的模擬實現

3.1 EpollServer類的聲明

3.2?EpollServer類的實現

四.?總結

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一. epoll的實現原理

在通過select和poll實現IO多路轉接時，都需要程序員來維護一個數組，用來隨時控制要被關心的事件（fd）。同時，使用select和poll實現IO多路轉接，都需要對用戶維護的數組進行遍歷，遍歷操作的時間復雜度為O(N)，這會很大程度上消耗計算資源，降低效率。

為了解決poll和select的這些缺陷，epoll被提了出來，相比于select和poll，epoll在有事件就緒時，不需要逐個遍歷檢查每個被關注的文件描述符是否就緒，希望被關注的事件不需要程序員自己維護數組來控制，這提高了效率，降低了程序員的代碼編寫成本。

在使用epoll實現IO多路轉接之前，必須要先在OS內核中建立epoll模型。如圖1.1所示，epoll模型主要有兩部分組成：

• 一顆紅黑樹：用來維護用戶所關注的事件（fd），一個紅黑樹節點對應一個被關注的事件，節點中要記錄包括文件描述符，所關注事件的類型（讀/寫/異常）等。
• 就緒隊列：當有事件就緒的時候，會將已經就緒的事件添加到就緒隊列中去，從隊頭拿走就緒事件及其相關的屬性信息交給用戶層，就能對已經就緒的事件進行響應。

相比于直接遍歷數組查找某個節點O(N)的時間復雜度，使用紅黑樹查找的時間復雜度為O(logN)，這樣就提高了OS內核管理事件的效率。同時，通過就緒隊列維護已經就緒的事件，避免了在wait成功之后在遍歷數組的過程中確定具體是哪個事件就緒，這進一步降低了資源的消耗，提高效率。

二.? epoll的相關接口

2.1 epoll_create --?創建epoll模型

函數原型：int epoll_create(size_t size)

頭文件：#include <sys/epoll.h>

函數參數：在Linux 2.6.8版本之后參數size就已經被棄用，這里是為了向前兼容，在調用接口時只需要傳一個大于0的參數即可。

返回值：如果創建成功，返回新創建的epoll模型的文件描述符epfd，如果創建失敗返回-1。

epoll_create函數所執行的工作，就是在操作系統內核中，創建一個如圖1.1所示的epoll模型，即：一顆紅黑樹和一個就緒隊列。epoll_create接口返回值表示被創建的epoll模型的對應fd值，可見OS是將epoll模型當做文件來處理的，這符合Linux下一切接文件的觀點。

2.2 epoll_ctl --?對epoll模型進行控制

函數原型：int epoll_create(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event)

頭文件：#include <sys/epoll.h>

函數參數：

• epfd --?所要進行操作的epoll模型對應的文件描述符。
• op --?用于指定所要進行的操作。
• fd --?用于對epoll進行操作的文件描述符，如指明要添加關注的事件。
• event --?輸入型參數，告知OS要關注的事件的屬性信息。

返回值：如果函數執行成功返回0，失敗返回-1。

在該接口函數的參數中，epfd為通過epoll_create創建epoll模型獲取的文件描述符，op用于指定所進行的操作的類型，表2.1為op的可選值及其對應的意義。

表2.1 op的可選值及其意義

op	意義
EPOLL_CTL_ADD	將指定事件添加到epoll模型中進行關注
EPOLL_CTL_DEL	刪除epoll模型中對某個事件的關注
EPOLL_CTL_MOD	改變epoll模型中某個事件被關注的狀態（event）

fd用于指定對epoll進行操作的文件描述符，可以為listen文件描述符，也可為普通文件描述符，假設op傳EPOLL_CTL_ADD，那么所epoll_ctl所進行的操作就是將fd加入到epoll模型中進行關注。

struct epoll_event?類型數據定義如下，該類型包含兩個成員，其中一個為uint32_t類型成員events，用于控制該事件的屬性是可讀、可寫還是異常等。events可以為表示4.2中宏的集合，還有一個為聯合自定義類型數據，其中該聯合類型可以傳四種不同的數據表達不同的意義，但一般使用fd來指定文件描述符。

struct epoll_event類型的定義：?

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

表4.2 events的可選宏及對應含義

events可選宏	含義
EPOLLIN	對應文件描述符可讀
EPOLLOUT	對應文件描述符可寫
EPOLLPRI	對應文件描述符帶有緊急數據可讀（TCP緊急指針置1的報文）
EPOLLERR	對應文件描述符異常
EPOLLHUP	對應文件描述符被掛起
EPOLLSHOT	對應文件描述符只被監視一次，監視完一次后會移出epoll模型

2.3?epoll_wait --?等待epoll所關注的事件就緒

函數原型：int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout)

頭文件：#include <sys/epoll.h>

函數參數：

• epfd --?進行等待的epoll模型文件描述符。
• events --?輸出型參數，用于存放已經就緒了的事件相關的屬性信息，如文件描述符fd以及就緒事件的類型(可讀/可寫/...)等。
• maxevents --?一次wait所能獲取到的最大的就緒事件數量。
• timeout --?最長阻塞等待時間，傳-1表示一直阻塞等待，傳0表示完全非阻塞。

返回值：如果等待成功，返回已經就緒的事件的數量，返回0表示在設定的阻塞時間內沒有事件就緒，返回-1表示等待失敗。

相對于select和poll在等待成功后需要遍歷整個數組來確定具體哪一個文件描述符就緒，epoll_wait等待到的就緒事件相關屬性信息會被放置在events所指向的空間的前n個位置，其中n為就緒事件數量，即epoll_wait的返回值。因此，只需要遍歷events[0] ~ events[n-1]即可，events[0] ~ events[n-1]中記錄的事件一定是已經就緒了的。

如果已經就緒了的事件多于maxevents會發生什么情況呢？這時會先拿取maxevents個已經就緒的事件，剩余的等到下一輪epoll_wait再進行提取處理，并不會造成任何錯誤。

2.4?epoll相關接口的使用方法

通過epoll實現IO多路轉接，需要按照以下三步操作執行：

1. 通過epoll_create創建epoll模型。
2. 通過epoll_ctl添加對特定事件的關注。
3. 通過epoll_wait等待所關注的事件的一個或多個就緒。

為了方便調用epoll相關的接口函數，代碼2.1將epoll的3個相關接口函數進行了封裝。在代碼2.1中包含了log.hpp頭文件，里面是日志打印函數的聲明和實現，詳見代碼2.2。

代碼2.1：對epoll接口的封裝（Epoll.hpp頭文件）

#pragma once#include "log.hpp"
#include <cstring>
#include <cerrno>
#include <sys/epoll.h>namespace Epoll
{static const int default_size = 1024;// 創建Epoll模型函數static int EpollCreate(int size = default_size){int epfd = epoll_create(size);if(epfd < 0)logMessage(FATAL, "Epoll create fail, %d:%s\n", errno, strerror(errno));elselogMessage(NORMAL, "Epoll create success, epfd:%d\n", epfd);return epfd;}// 進行Epoll控制函數static int EpollCtl(int epfd, int op, int fd, uint32_t events){struct epoll_event event;event.events = EPOLLIN;event.data.fd = fd;int ret = epoll_ctl(epfd, op, fd, &event);if(ret < 0) logMessage(ERROR, "Epoll control fail, %d:%s\n", errno, strerror(errno));else logMessage(NORMAL, "Epoll control success, ret:%d\n", ret);return ret;}// Epoll等待函數static int EpollWait(int epfd, struct epoll_event* events, int maxevents, int timeout){return epoll_wait(epfd, events, maxevents, timeout);}
}

代碼2.2：日志打印函數的聲明和實現（log.hpp頭文件）

#pragma once
#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <cstdarg>
#include <ctime>#define DEBUG  0
#define NORMAL 1
#define WARING 2
#define ERROR  3
#define FATAL  4static const char* g_levelMap[5] = 
{"DEBUG","NORMAL","WARING","ERROR","FATAL"
};static void logMessage(int level, const char *format, ...)
{// 1. 輸出常規部分time_t timeStamp = time(nullptr);struct tm *localTime = localtime(&timeStamp);printf("[%s]  %d-%d-%d, %02d:%02d:%02d\n", g_levelMap[level], localTime->tm_year, localTime->tm_mon, \localTime->tm_mday, localTime->tm_hour, localTime->tm_min, localTime->tm_sec);// 2. 輸出用戶自定義部分va_list args;va_start(args, format);vprintf(format, args);va_end(args);
}

三. Epoll服務器的模擬實現

3.1 EpollServer類的聲明

在EpollServer中，要包含以下成員變量：epoll模型文件描述符、listen套接字、端口號、ip地址以及指向存放就緒事件相關屬性信息的空間的指針。

要有以下成員函數：構造函數和析構函數、服務器運行函數Start、就緒事件處理函數Handler、接收客戶端連接請求函數Accepter、對端數據讀取函數Reciever。

#pragma once#include "Sock.hpp"
#include "Epoll.hpp"
#include <unistd.h>static const int maxevents = 64;class EpollServer
{
public:EpollServer(uint16_t port = 8080, const std::string& ip = "");   // 構造函數void Start();    // 啟動運行函數~EpollServer();  // 析構函數private:void Handler(int n);            // 就緒事件處理函數void Accepter(int listenSock);  // 連接接收函數void Reciever(int fd);          // 信息讀取函數int _listenSock;   // 監聽套接字int _epfd;         // epoll套接字uint16_t _port;    // 服務進程端口號std::string _ip;   // 服務器ip struct epoll_event* _ptr_events;   // 指向就緒隊列的指針
};

3.2?EpollServer類的實現

• 構造函數：首先要進行關于tcp通信的常規準備工作，獲取listen套接字、綁定端口號、設置監聽狀態，之后要創建epoll模型、開辟一塊內存空間用于存放wait到的就緒事件并將listen套接字添加到epoll模型中去。
• 析構函數：判斷listen套接字和epoll模型文件描述符是否>=0，如果是，就close掉它們。再判斷_ptr_events是否為nullptr，如果否，要delete[]釋放動態申請的內存空間。
• 服務器運行函數Start：常駐進程，執行while死循環，每層while循環都調用epoll_wait檢測事件就緒的情況，如果epoll_wait返回值大于0，那么調用Handler函數處理就緒事件。
• 就緒事件處理函數Handler：接收一個參數n表示已就緒事件的數量，遍歷_ptr_events[0] ~?ptr_events[n-1]，根據就緒的是listen文件描述符還是普通文件描述符，分類進行后續處理，listen文件描述符調用Accepter函數接收對端連接，普通文件描述符調用Reciever函數接收數據。
• 接收對端連接函數Accepter：獲取對端連接，分配文件描述符fd，并將fd添加到epoll模型中去。
• 數據讀取函數Reciever：調用read函數讀取客戶端發送的數據，如果read返回值>0，那么就執行對應操作處理讀取到的數據，如果read返回值為0，那么表示客戶端關閉，要將對應的文件描述符fd從epoll模型中刪除。

代碼3.2：EpollServer的實現（EpollServer.cc源文件）

#include "EpollServer.hpp"EpollServer::EpollServer(uint16_t port, const std::string& ip): _listenSock(-1), _epfd(-1), _port(port), _ip(ip), _ptr_events(nullptr)
{// 1.獲取監聽套接字_listenSock = Sock::Socket();if(_listenSock < 0) exit(1);// 2.綁定端口號if(Sock::Bind(_listenSock, _ip, _port) < 0) exit(2);// 3.設置監聽狀態if(Sock::Listen(_listenSock) < 0) exit(3);// 4.創建epoll模型_epfd = Epoll::EpollCreate();if(_epfd < 0) exit(4);// 5.為_events開辟內存空間并進行初始化_ptr_events = new epoll_event[maxevents];// 6.將listenSock添加到epoll模型中if(Epoll::EpollCtl(_epfd, EPOLL_CTL_ADD, _listenSock, EPOLLIN) < 0) exit(5);logMessage(NORMAL, "EpollServer init success!\n");
}// Epoll服務器啟動運行函數
void EpollServer::Start()
{while(1){// 對epoll進行等待int n = Epoll::EpollWait(_epfd, _ptr_events, maxevents, -1);switch(n){case 0:logMessage(DEBUG, "epoll wait time out!\n");break;case -1:logMessage(ERROR, "epoll wait error, %d:%s\n", errno, strerror(errno));break;default:Handler(n);break;}}
}// 析構函數
EpollServer::~EpollServer()
{if(_listenSock >= 0) close(_listenSock);if(_epfd >= 0) close(_epfd);if(_ptr_events) delete[] _ptr_events;
}// 就緒事件處理函數
void EpollServer::Handler(int n)
{// 遍歷_events，查找已經就緒的事件for(int i = 0; i < n; ++i){// 分listen套接字和普通套接字兩種情況討論if(_ptr_events[i].data.fd == _listenSock) Accepter(_listenSock);else Reciever(_ptr_events[i].data.fd);}
}// 連接接收函數
void EpollServer::Accepter(int listenSock)
{std::string cli_ip;   // 發起連接的客戶端ipuint16_t cli_port;    // 客戶端端口號int fd = Sock::Accept(listenSock, cli_ip, cli_port);if(fd < 0) return;// 將新增的fd添加到epoll模型中去Epoll::EpollCtl(_epfd, EPOLL_CTL_ADD, fd, EPOLLIN);logMessage(NORMAL, "Add a new fd to epoll success, fd:%d\n", fd);
}// 信息讀取函數
void EpollServer::Reciever(int fd)
{char buffer[1024];ssize_t n = read(fd, buffer, 1023);// 如果讀取成功if(n > 0){buffer[n - 1] = '\0';printf("Client# %s\n", buffer);}else if(n == 0){// 對端關閉，將fd從epoll模型中拿走Epoll::EpollCtl(_epfd, EPOLL_CTL_DEL, fd, EPOLLIN);if(n == 0){// logMessage(NORMAL, "Remove fd from epoll success, fd:%d\n", fd);printf("Remove fd from epoll success, fd:%d\n", fd);close(fd);}}else  // 讀取數據失敗{logMessage(ERROR, "Read message fail, %d:%s\n", errno, strerror(errno));}
}

四.?總結

• 相比于通過select和poll實現IO多路轉接，epoll不需要程序員維護數組來控制關注的事件，在有事件就緒后也不需要遍歷數組查找具體哪個事件就緒，效率較高。
• epoll底層維護一顆紅黑樹存儲要關心的事件，維護一個就緒隊列表示已經就緒的事件。
• epoll實現IO多路轉接，要進行的操作為：epoll_create創建epoll模型 ->?epoll_ctl向epoll模型中添加受到關注的文件描述符 -> epoll_wait等待事件就緒。