理解epoll机制：提高网络通信性能的必备开发技能

一、概述

epoll是Linux内核提供的一种高效的I/O多路复用机制，是使用Linux进行网络编程的必备技能之一。相比于select和poll，epoll具有更高的性能和更强的扩展性，能够支持更多的并发连接，并且不会因为连接数的增加而导致性能下降。

它的运作原理是通过一个文件描述符，将多个socket文件描述符上的I/O事件集中到一个地方进行处理，而不像select和poll那样需要每个socket文件描述符都进行轮询并处理。

二、epoll的基本使用

使用epoll的步骤比较简单，大致可以分为以下几步：

1. 创建一个epoll实例，并监听文件描述符

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

其中，epoll_create用于创建一个epoll实例，size指定这个实例中所能包含的最大文件描述符数。而epoll_ctl用于向这个epoll实例中添加或删除文件描述符，op参数指定添加或删除，fd是需要添加或删除的文件描述符，event结构体则用于指定这个文件描述符所关注的事件类型，如可读事件、可写事件等。

2. 调用epoll_wait进行等待

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

epoll_wait会阻塞直到有一个或多个文件描述符上发生了关注的事件，或者超时，或者被信号中断。它将等待的事件填充到events数组中，并返回实际触发事件的文件描述符数目。

三、epoll的高级应用

1. 边缘触发模式

epoll可以选择边缘触发和水平触发两种模式，边缘触发模式是指只有当有新的状态变化时才会触发，而水平触发则是一直触发，直到该事件被处理。边缘触发可以减少不必要的事件处理，提高效率，但是需要注意边缘触发的处理方式，需要一次性处理完所有的事件。

2. ET与LT模式

epoll的工作模式可以分为ET和LT两种模式，ET模式是指只有当I/O事件的状态发生变化的时候，epoll才会通知用户应用程序来读取或者写入数据。而LT模式则是在需要就绪的时候会每次通知一次用户应用程序来处理，也就是无论是否读写完成都会通知用户一次。使用ET模式需要一次性读完所有数据，否则不能再次触发事件。

3. 优化epoll性能

在使用epoll时，需要注意一些可以优化性能的地方。比如使用epoll的时候建议使用EPOLLONESHOT，可以保证同一时刻只有一个线程处理同一事件。

四、代码示例

下面是一个使用epoll的简单示例：

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

#define MAX_EVENTS 1024
#define PORT 8888

int main(int argc, char **argv) 
{
    int listenfd,connfd,epfd,nfds,i,n;
    ssize_t nready;
    char buf[BUFSIZ];
    struct sockaddr_in servaddr,cliaddr;
    socklen_t cliaddrlen;
    struct epoll_event ev, events[MAX_EVENTS];

    // 创建socket并绑定监听
    listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    servaddr.sin_port = htons(PORT);
    bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));
    listen(listenfd, 20);

    // 创建epoll实例并添加监听描述符
    epfd = epoll_create(MAX_EVENTS);
    ev.data.fd = listenfd;
    ev.events = EPOLLIN;
    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, listenfd, &ev);

    // 循环等待，直到有事件触发
    while (1) 
    {
        nfds = epoll_wait(epfd, events, MAX_EVENTS, -1);
        if (nfds == -1) 
        {
            perror("epoll_wait");
            continue;
        }

        // 循环处理所有事件
        for (n = 0; n < nfds; ++n) 
        {
            // 如果事件是listenfd，则处理新连接
            if (events[n].data.fd == listenfd) 
            {
                cliaddrlen = sizeof(cliaddr);
                connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &cliaddrlen);
                if (connfd < 0) 
                {
                    perror("accept");
                    continue;
                }
                ev.data.fd = connfd;
                ev.events = EPOLLIN;
                epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, connfd, &ev);
                printf("new connection from %s:%d\n", inet_ntoa(cliaddr.sin_addr), ntohs(cliaddr.sin_port));
            } 
            // 否则处理已连接的客户端
            else 
            {
                if ((nready = read(events[n].data.fd, buf, BUFSIZ)) < 0) 
                {
                    if (errno == ECONNRESET) 
                    {
                        close(events[n].data.fd);
                        epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, events[n].data.fd, NULL);
                    } 
                    else
                    {
                        perror("read error");
                    }
                } 
                else if (nready == 0) 
                {
                    close(events[n].data.fd);
                    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, events[n].data.fd, NULL);
                    printf("connection closed\n");
                } 
                else 
                {
                    write(STDOUT_FILENO, buf, nready);
                    write(events[n].data.fd, buf, nready);
                }
            }
        }
    }
    close(listenfd);
    return 0;
}