Linux的epoll机制解析，相比select、poll为何独占鳌头？

科技 06-27 来源： Android秃老师

引言

epoll是Linux目前大规模网络并发程序开发的首选模型。在绝大多数情况下性能远超select和poll。目前流行的高性能web服务器Nginx正式依赖于epoll提供的高效网络套接字轮询服务。但是，在并发连接不高的情况下，多线程+阻塞I/O方式可能性能更好。

为何这样说？

下面一张图总结select,poll,epoll的区别：

他们属于不同时期产物，新技术当然是更加好用。

select出现是1984年在BSD里面实现的。
14年之后也就是1997年才实现了poll，其实拖那么久也不是效率问题，而是那个时代的硬件实在太弱，一台服务器处理1千多个链接简直就是神一样的存在了，select很长段时间已经满足需求。
2002, 大神 Davide Libenzi 实现了epoll。

epoll机制

epoll在Linux2.6内核正式提出，是基于事件驱动的I/O方式，相对于select来说，epoll没有描述符个数限制，使用一个文件描述符管理多个描述符，将用户关心的文件描述符的事件存放到内核的一个事件表中，这样在用户空间和内核空间的copy只需一次。

Linux中提供的epoll相关函数如下：

#include 

int epoll_create(int size);
函数功能: 创建epoll专用文件描述符的缓冲区。

int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
函数功能: 添加、删除、修改 监听文件描述符。
函数参数:
int epfd  epoll专用的文件描述符
int op    操作命令。EPOLL_CTL_ADD  EPOLL_CTL_MOD  EPOLL_CTL_DEL
int fd    要操作文件描述符
struct epoll_event *event  存放监听文件描述符信息的结构体

int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);
函数功能: 等待事件发生。
函数参数:
int epfd  epoll专用的文件描述符
struct epoll_event *events : 存放产生事件的文件描述结构体。
int maxevents  :最大监听的数量.
int timeout    :等待事件ms单位.   <0  >0 ==0

返回值:  产生事件的数量。

typedef union epoll_data {
    void    *ptr;
    int      fd;    //文件描述符
    uint32_t u32;
    uint64_t u64;
} epoll_data_t;

struct epoll_event {
    uint32_t     events;    /* Epoll events      EPOLLIN  输入事件 */
    epoll_data_t data;      /* User data variable */
};

epoll是Linux内核为处理大批量文件描述符而作了改进的poll，是Linux下多路复用IO接口select/poll的增强版本，它能显著提高程序在大量并发连接中只有少量活跃的情况下的系统CPU利用率。原因就是获取事件的时候，它无须遍历整个被侦听的描述符集，只要遍历那些被内核IO事件异步唤醒而加入Ready队列的描述符集合就行了。

epoll除了提供select/poll那种IO事件的水平触发（Level Triggered）外，还提供了边缘触发（Edge Triggered），这就使得用户空间程序有可能缓存IO状态，减少epoll_wait/epoll_pwait的调用，提高应用程序效率。

水平触发（LT）：默认工作模式，即当epoll_wait检测到某描述符事件就绪并通知应用程序时，应用程序可以不立即处理该事件；下次调用epoll_wait时，会再次通知此事件
边缘触发（ET）： 当epoll_wait检测到某描述符事件就绪并通知应用程序时，应用程序必须立即处理该事件。如果不处理，下次调用epoll_wait时，不会再次通知此事件。（直到你做了某些操作导致该描述符变成未就绪状态了，也就是说边缘触发只在状态由未就绪变为就绪时只通知一次）。

LT和ET原本应该是用于脉冲信号的，可能用它来解释更加形象。Level和Edge指的就是触发点，Level为只要处于水平，那么就一直触发，而Edge则为上升沿和下降沿的时候触发。比如：0->1 就是Edge，1->1 就是Level。

ET模式很大程度上减少了epoll事件的触发次数，因此效率比LT模式下高。

epoll基本处理流程

应用创建Epoll对象
应用将关心对象的Epoll文件描述符及关注的事件以及发生的事件后的回调处理注册给Epoll对象
应用在阻塞点等待事件的发生，Epoll对象注册的关注集中任何对象发生改变都将结束阻塞点的等待

epoll 涉及的系统调用

epoll 的使用非常简单，只有下面 3 个系统调用。

epoll_createepollctlepollwait

就这？是的，就这么简单。

epollcreate 负责创建一个池子，一个监控和管理句柄 fd 的池子；
epollctl 负责管理这个池子里的 fd 增、删、改；
epollwait 就是负责打盹的，让出 CPU 调度，但是只要有“事”，立马会从这里唤醒；

epoll 高效的原理

Linux 下，epoll 一直被吹爆，作为高并发 IO 实现的秘密武器。其中原理其实非常朴实：epoll 的实现几乎没有做任何无效功。 我们从使用的角度切入来一步步分析下。

首先，epoll 的第一步是创建一个池子。这个使用 epoll_create 来做：

原型：

int epoll_create(int size);

示例：

epollfd = epoll_create(1024);if (epollfd == -1) {    perror("epoll_create");    exit(EXIT_FAILURE);}

这个池子对我们来说是黑盒，这个黑盒是用来装 fd 的，我们暂不纠结其中细节。我们拿到了一个 epollfd ，这个 epollfd 就能唯一代表这个 epoll 池。注意，这里又有一个细节：用户可以创建多个 epoll 池。

然后，我们就要往这个 epoll 池里放 fd 了，这就要用到 epoll_ctl 了

原型：

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

示例：

if (epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, 11, &ev) == -1) {    perror("epoll_ctl: listen_sock");    exit(EXIT_FAILURE);}

epoll函数使用案例: 应用再TCP客户端

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

//消息结构体
struct MSG_DATA
{
    char type; //消息类型.  0表示有聊天的消息数据  1表示好友上线  2表示好友下线
    char name[50]; //好友名称
    int number;   //在线人数的数量
    unsigned char buff[100];  //发送的聊天数据消息
};
struct MSG_DATA msg_data;

#define MAX_EVENTS 10
struct epoll_event ev, events[MAX_EVENTS];
int epollfd;
int nfds;

//文件接收端
int main(int argc,char **argv)
{   
    if(argc!=4)
    {
        printf("./app   <端口号> <名称>
");
        return 0;
    }
    int sockfd;
    //忽略 SIGPIPE 信号--方式服务器向无效的套接字写数据导致进程退出
    signal(SIGPIPE,SIG_IGN); 

    /*1. 创建socket套接字*/
    sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    /*2. 连接服务器*/
    struct sockaddr_in addr;
    addr.sin_family=AF_INET;
    addr.sin_port=htons(atoi(argv[2])); // 端口号0~65535
    addr.sin_addr.s_addr=inet_addr(argv[1]); //IP地址
    if(connect(sockfd,(const struct sockaddr *)&addr,sizeof(struct sockaddr_in))!=0)
    {
        printf("客户端:服务器连接失败.
");
        return 0;
    }

    /*3. 发送消息表示上线*/
    msg_data.type=1;
    strcpy(msg_data.name,argv[3]);
    write(sockfd,&msg_data,sizeof(struct MSG_DATA));

    int cnt;
    int i;
    //创建专用文件描述符
    epollfd = epoll_create(10);
    //添加要监听的文件描述符
    ev.events = EPOLLIN;
    ev.data.fd = sockfd;
    epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, sockfd, &ev);

    ev.events = EPOLLIN;
    ev.data.fd = 0; //标准输入文件描述符
    epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, 0, &ev);

    while(1)
    {
        //监听事件
        nfds=epoll_wait(epollfd,events,MAX_EVENTS,-1);
        if(nfds)
        {
            for(i=0;i0)
                    {
                        if(msg_data.type==0)
                        {
                            printf("%s:%s  在线人数:%d
",msg_data.name,msg_data.buff,msg_data.number);
                        }
                        else if(msg_data.type==1)
                        {
                            printf("%s 好友上线. 在线人数:%d
",msg_data.name,msg_data.number);
                        }
                        else if(msg_data.type==2)
                        {
                            printf("%s 好友下线. 在线人数:%d
",msg_data.name,msg_data.number);
                        }
                    }
                }
                else if(events[i].data.fd==0) //表示键盘上有数据输入
                {
                    gets(msg_data.buff); //读取键盘上的消息
                    msg_data.type=0; //表示正常消息
                    strcpy(msg_data.name,argv[3]); //名称
                    write(sockfd,&msg_data,sizeof(struct MSG_DATA));
                }
            }
        }
    }
SERVER_ERROR:
    close(sockfd);
    return 0;
}

总结

在linux的网络编程中，很长的时间都在使用select来做事件触发。在linux新的内核中，有了一种替换它的机制，就是epoll。相比于select，epoll最大的好处在于它不会随着监听fd数目的增长而降低效率。因为在内核中的select实现中，它是采用轮询来处理的，轮询的fd数目越多，自然耗时越多。更多framework进阶学习；可私信前往：发送“核心笔记”或“手册”，即可获取相关资料！