使用 epoll 的全面指南

一、什么是 epoll？

Epoll 是 Linux 下一种可以处理大量文件描述符的 I/O 操作的机制，它可以在一个线程中监视多个文件描述符，当某个文件描述符就绪时，可以立即通知程序进行相应的操作。它采用了一种基于回调的事件驱动机制，使 I/O 处理效率更高。

二、使用 epoll 的优点

1、高效性：Epoll 采用了事件驱动机制，仅当有数据就绪时才会加以处理，避免了无效的等待。同时，它使用红黑树来存放文件描述符，所以当文件描述符数量较大时，查询的效率比 select 和 poll 更高。

2、可扩展性：在实际使用中，我们可以通过配置参数来调整 epoll 实例的大小，从而实现更精细的控制。

3、线程安全：在多线程程序中，使用 epoll 监听文件描述符的读写事件时，每个线程都会有自己的存储空间，避免了竞争条件。

三、使用 epoll 的实例

1、epoll 实现 TCP 服务器

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

#define LISTEN_BACKLOG 50
#define MAX_EPOLL_EVENTS 50

int set_nonblocking(int fd) {
    int flags;
    if ((flags = fcntl(fd, F_GETFL, 0)) == -1) {
        return -1;
    }
    flags |= O_NONBLOCK;
    if (fcntl(fd, F_SETFL, flags) == -1) {
        return -1;
    }
    return 0;
}

int main(int argc, char **argv) {
    struct sockaddr_in my_addr, client_addr;
    int listener, new_fd, epfd, nfds, n, i;
    char buf[BUFSIZ];
    socklen_t client_len = sizeof(client_addr);
    struct epoll_event ev, events[MAX_EPOLL_EVENTS];
    epfd = epoll_create(50);

    memset(&my_addr, 0, sizeof(struct sockaddr));
    my_addr.sin_family = AF_INET;
    my_addr.sin_port = htons(7788);
    my_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

    if ((listener = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1) {
        perror("socket create failed");
        exit(1);
    }

    int opt = 1;
    setsockopt(listener, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));

    if (bind(listener, (struct sockaddr *)&my_addr, sizeof(struct sockaddr)) == -1) {
        perror("bind failed!");
        exit(1);
    }
    set_nonblocking(listener);
    if (listen(listener, LISTEN_BACKLOG) == -1) {
        perror("listen failed!");
        exit(1);
    }
    ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;
    ev.data.fd = listener;
    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, listener, &ev);

    while (1) {
        nfds = epoll_wait(epfd, events, MAX_EPOLL_EVENTS, -1);
        if (nfds == -1) {
            perror("epoll_wait error!");
            exit(1);
        }
        for (i = 0; i < nfds; i++) {
            if (events[i].data.fd == listener) {
                while ((new_fd = accept(listener, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_len)) != -1) {
                    set_nonblocking(new_fd);
                    ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;
                    ev.data.fd = new_fd;
                    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, new_fd, &ev);
                }
                if (errno != EAGAIN && errno != ECONNABORTED && errno != EPROTO && errno != EINTR) {
                    perror("accept error!");
                }
            } else if (events[i].events & EPOLLIN) {
                while ((n = read(events[i].data.fd, buf, BUFSIZ)) > 0) {
                    fprintf(stdout, "Data received: %s\n", buf);
                }
                if (n == 0) {
                    fprintf(stdout, "Client closed by peer, fd: %d\n", events[i].data.fd);
                    close(events[i].data.fd);
                    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, events[i].data.fd, NULL);
                } else if (n == -1 && errno != EAGAIN) {
                    perror("read error!");
                    close(events[i].data.fd);
                    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, events[i].data.fd, NULL);
                }
            }
        }
    }
    close(listener);
    return 0;
}

代码实现了基于 epoll 的 TCP 服务器，其中设置了底层监听端口，并通过 accept 接受连接，设置每个客户端连接的事件类型，处理客户端的读取事件。它使用 epoll_wait 函数监听客户端连接状态，当客户端连接时，创建新的文件描述符并加入 epoll 的监听队列，当客户端发来数据时，读取数据并在控制台上输出。

2、epoll 实现 UDP 服务器

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

#define LISTEN_BACKLOG 50
#define MAX_EPOLL_EVENTS 50

int set_nonblocking(int fd) {
    int flags;
    if ((flags = fcntl(fd, F_GETFL, 0)) == -1) {
        return -1;
    }
    flags |= O_NONBLOCK;
    if (fcntl(fd, F_SETFL, flags) == -1) {
        return -1;
    }
    return 0;
}

int main(int argc, char **argv) {
    struct sockaddr_in my_addr, client_addr;
    int listener, new_fd, epfd, nfds, n, i, len;
    char buf[BUFSIZ];
    socklen_t client_len = sizeof(client_addr);
    struct epoll_event ev, events[MAX_EPOLL_EVENTS];
    epfd = epoll_create(50);

    memset(&my_addr, 0, sizeof(struct sockaddr));
    my_addr.sin_family = AF_INET;
    my_addr.sin_port = htons(7788);
    my_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

    if ((listener = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) == -1) {
        perror("socket create failed");
        exit(1);
    }

    int opt = 1;
    setsockopt(listener, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));

    if (bind(listener, (struct sockaddr *)&my_addr, sizeof(struct sockaddr)) == -1) {
        perror("bind failed!");
        exit(1);
    }
    set_nonblocking(listener);
    ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;
    ev.data.fd = listener;
    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, listener, &ev);

    while (1) {
        nfds = epoll_wait(epfd, events, MAX_EPOLL_EVENTS, -1);
        if (nfds == -1) {
            perror("epoll_wait error!");
            exit(1);
        }
        for (i = 0; i < nfds; i++) {
            if (events[i].data.fd == listener) {
                len = sizeof(struct sockaddr);
                n = recvfrom(listener, buf, 256, 0, (struct sockaddr *)&client_addr, &len);
                if (n == -1) {
                    perror("recvfrom error!");
                    continue;
                }
                printf("Data received: %s\n", buf);
            }
        }
    }
    close(listener);
    return 0;
}

代码实现了基于 epoll 的 UDP 服务器，其中设置了底层监听端口，并通过 recvfrom 接收来自客户端的数据，使用 epoll_wait 函数监听客户端的读事件。当客户端发来数据时，读取数据并在控制台上输出。

四、总结

本文对使用 epoll 进行高效 I/O 处理进行了详细的介绍，包括了 epoll 的优点以及示例代码实现。使用 epoll 可以大大提高 I/O 处理的效率，特别适用于大量文件描述符的 I/O 处理。同时，epoll 还具有可扩展性和线程安全性等优点。在实际使用中，我们可以根据需要来调整 epoll 实例的大小，提高控制的精确度。