epoll（Linux特有的高效I/O复用机制）
1、历史
epoll() 是 Linux 2.6 内核引入的高性能 I/O 多路复用机制，首次发布于 2002 年。它是为了解决 select() 和 poll() 在高并发场景下的性能瓶颈而设计的，特别适合处理大量并发连接。
epoll() 的引入标志着 Linux 在 I/O 多路复用技术上的重大突破，成为现代高并发网络编程的核心技术。
2、相比于 select() 和 poll() 的优化
① 事件驱动模型：epoll() 使用事件驱动模型，内核通过回调机制通知应用程序哪些文件描述符就绪，避免了 select() 和 poll() 的轮询开销，显著提升了性能。
② 高效内存管理：epoll() 使用红黑树和链表管理文件描述符，减少了内存拷贝和遍历的开销，特别适合处理大量并发连接。
③ 支持边缘触发与水平触发：epoll() 提供了边缘触发（ET）和水平触发（LT）两种模式，用户可以根据需求选择更高效的处理方式，进一步优化性能。
④ 无文件描述符数量限制：epoll() 没有 select() 和 poll() 的文件描述符数量限制，能够高效处理数十万甚至上百万的并发连接。
3、性能瓶颈
① 事件驱动模型的复杂性：epoll() 的实现基于事件驱动模型，虽然性能优异，但其内部机制（如红黑树和链表的管理）较为复杂，对内核开发者的要求较高。
② 边缘触发的潜在问题：epoll() 支持边缘触发（ET）模式，虽然效率更高，但需要应用程序确保一次性处理完所有就绪事件，否则可能导致事件丢失，增加了编程的复杂性。
③ 平台依赖性：epoll() 是 Linux 特有的机制，无法直接移植到其他操作系统（如 Windows 或 macOS），限制了其跨平台应用。
4、意义
epoll() 的出现彻底解决了 select() 和 poll() 在高并发场景下的性能瓶颈，成为 Linux 下最先进的 I/O 多路复用机制。它不仅显著提升了系统的并发处理能力和资源利用率，还为现代高并发网络服务器（如 Nginx、Redis 等）提供了强大的技术支持。epoll() 的引入标志着 Linux 在 I/O 多路复用技术上的成熟，推动了高性能网络编程的发展。
5、epoll的组成
epoll主要由三个函数和一个结构体组成。
（1）函数
epoll 的核心是通过三个主要的操作接口来管理文件描述符。
1)、epoll_create
创建一个 epoll 实例。
参数
int epoll_create(int size);size: 该参数在现代的 Linux 系统中已不再实际使用（不影响 epoll 的工作），其值可以设置为任意正数，但通常我们设置为 1。它的最初意义是指定内核内部用于存储事件的空间大小，然而在现代的内核中，这个参数的作用已经被废弃。所以你可以传入任意一个数值。
返回值
成功时，返回一个 epoll 实例的文件描述符（int 类型）。
失败时，返回 -1，并且设置 errno 来说明错误。
头文件
2)、epoll_ctl
对文件描述符进行控制（添加、删除、修改）。
参数
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);epfd: 由 epoll_create 或 epoll_create1 返回的 epoll 实例的文件描述符。
op: 操作类型，指定你对文件描述符 fd 进行的操作。它可以是以下三种之一：
EPOLL_CTL_ADD：将 fd 加入到 epoll 实例中进行事件监听。
EPOLL_CTL_MOD：修改已经注册的 fd 的事件（例如添加更多事件监听）。
EPOLL_CTL_DEL：将 fd 从 epoll 实例中删除。
fd: 要操作的文件描述符，通常是套接字（socket）或文件（file）。
event: 一个指向 struct epoll_event 结构体的指针，表示你希望监控的事件。
返回值
成功时，返回 0。
失败时，返回 -1，并设置 errno。
头文件
3)、epoll_wait
等待事件的发生。
参数
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);epfd: 由 epoll_create 或 epoll_create1 返回的 epoll 实例的文件描述符。
events: 一个指向 epoll_event 数组的指针，用于存放发生的事件。当有事件发生时，epoll_wait 会将这些事件信息填充到该数组中。
maxevents: 数组 events 中可以存放的最大事件数量。如果发生的事件数量超过这个值，epoll_wait 只会返回最多 maxevents 个事件。通常，这个值设为系统允许的最大值，或者根据实际需要来设置。
timeout: 超时时间（单位：毫秒），指定 epoll_wait 在等待事件时的最长等待时间。如果是 -1，则表示无限期阻塞，直到事件发生。如果是 0，则立即返回，不阻塞。如果是正数，表示等待的最大毫秒数。
P.S. epoll_wait 是阻塞式的，它会一直等待直到有事件发生或超时。在高并发场景下，你可以通过调整 timeout 来控制等待的策略。如果你设置了 timeout = 0，它就会变成一个非阻塞的调用，立刻返回并检查是否有事件。timeout = -1 表示会一直等待，直到有事件。
返回值
成功时，返回发生的事件数（即填充到 events 数组中的事件数量）。
失败时，返回 -1，并设置 errno。
头文件
简单使用
struct epoll_event ev;
ev.events = EPOLLIN; // 设置监听可读事件
ev.data.fd = sockfd; // 将套接字文件描述符保存到 `data.fd` 字段中// 将套接字文件描述符添加到 epoll 实例中进行监听
epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, sockfd, &ev);// 等待事件发生
struct epoll_event events[MAX_EVENTS];
int nfds = epoll_wait(epoll_fd, events, MAX_EVENTS, -1); // 阻塞等待
（2）结构体
epoll_event 是 epoll API 中一个非常重要的结构体，它用于描述和传递与文件描述符相关的事件信息。当你使用 epoll_ctl 来注册、修改或删除事件，或者使用 epoll_wait 来等待事件发生时，都会涉及到 epoll_event 结构体。
struct epoll_event {uint32_t events; // 监听的事件类型epoll_data_t data; // 用户数据（通常是文件描述符或自定义数据）
};
头文件
这个结构体包含两个字段：events 和 data。
①events 字段
events 是一个 uint32_t 类型的字段，用于指定要监听的事件类型，可以是以下一些常见的事件标志（可以单独使用，也可以按位 OR 组合使用）：
EPOLLIN: 可读事件，表示文件描述符可以读取数据。
EPOLLOUT: 可写事件，表示文件描述符可以写入数据。
EPOLLERR: 错误事件，表示文件描述符发生了错误。
EPOLLHUP: 挂起事件，表示文件描述符的连接已被挂起或关闭。
EPOLLET: 边缘触发模式（Edge Triggered），这个标志告诉 epoll 以边缘触发模式处理事件，而非默认的水平触发模式（Level Triggered）。如果选择边缘触发模式，只有在事件从未被检测到的状态变为可处理状态时才会通知一次，而不是每次都通知（适用于非阻塞 I/O）。
使用按位 OR 操作符将多个事件标志组合：
ev.events = EPOLLIN | EPOLLET; // 监听可读事件，使用边缘触发模式②data 字段
data 是一个联合体类型 epoll_data_t，它用于存储与该事件相关的用户自定义数据。通常，它用来存储文件描述符、指针或其他你需要的上下文信息。
epoll_data_t 定义如下：
typedef union epoll_data {void *ptr;int fd;uint32_t u32;uint64_t u64;
} epoll_data_t;data 可以存储不同类型的数据，具体使用哪种类型取决于你如何设计。常用的是存储文件描述符 fd，用于标识哪个文件描述符发生了事件。
示例
#include <sys/epoll.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>#define MAX_EVENTS 10int main() {int epoll_fd = epoll_create(1); // 创建 epoll 实例if (epoll_fd == -1) {perror("epoll_create");return -1;}// 假设我们有一个文件描述符 fdint fd = open("testfile.txt", O_RDONLY);if (fd == -1) {perror("open");close(epoll_fd);return -1;}// 创建 epoll_event 结构体struct epoll_event ev;ev.events = EPOLLIN | EPOLLET; // 监听可读事件，并使用边缘触发模式ev.data.fd = fd; // 将文件描述符存储到 epoll_event 的 data.fd 字段// 将文件描述符 fd 添加到 epoll 实例中进行监听if (epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &ev) == -1) {perror("epoll_ctl");close(fd);close(epoll_fd);return -1;}// 等待事件发生struct epoll_event events[MAX_EVENTS];int nfds = epoll_wait(epoll_fd, events, MAX_EVENTS, -1); // 阻塞等待if (nfds == -1) {perror("epoll_wait");close(fd);close(epoll_fd);return -1;}// 处理返回的事件for (int i = 0; i < nfds; i++) {if (events[i].events & EPOLLIN) {printf("File descriptor %d is ready for reading\n", events[i].data.fd);}}// 关闭文件描述符和 epoll 实例close(fd);close(epoll_fd);return 0;
}
epoll_event 结构体常见用法
监听多个文件描述符：可以将多个文件描述符的事件信息存储在 epoll_event 数组中，以便一次性处理多个事件。
存储自定义数据：除了存储文件描述符，你还可以将自定义的数据（例如连接的客户端地址）存储到 data 字段中，帮助在事件处理时识别是哪一类事件。
边缘触发与水平触发：通过设置 EPOLLET 标志，你可以让 epoll 使用边缘触发模式，这样在事件发生时只会触发一次，而不是每次事件状态变化时都触发。这个模式适用于处理高效的非阻塞 I/O。
P.S.边缘触发与水平触发
6、epoll 的工作原理
①注册文件描述符: 当应用程序希望监控某个文件描述符的 I/O 事件时，调用 epoll_ctl 向 epoll 实例注册文件描述符，并指定所需的事件类型（如 EPOLLIN, EPOLLOUT, EPOLLERR 等）。
②触发事件: 当内核检测到某个文件描述符上的事件发生时，它会将该事件放入事件队列中。如果多个事件同时发生，它们会被依次添加到事件队列中。
③等待事件: 应用程序通过 epoll_wait 等待事件的发生。调用会阻塞直到至少有一个事件发生，或者超时。
④处理事件: 一旦 epoll_wait 返回事件，应用程序可以处理这些事件并继续与文件描述符交互。
7、对比（select、poll、epoll）
| 机制 | 版本/时间 | 优化点与特性 | 意义与作用 |
|---|---|---|---|
| select | 1980年代（POSIX） | 轮询机制，支持多个文件描述符，存在文件描述符数量限制 | 提供了基本的多路复用I/O方式，但性能在大量文件描述符时低效。 |
| poll | 1990年代（POSIX） | 解决了文件描述符数量限制，仍然使用轮询机制 | 改进了select()，但依然是基于轮询机制，性能在大量并发时不足。 |
| epoll | 2002年（Linux 2.5） | 基于事件驱动，无需轮询，支持边缘触发与水平触发 | 高效的I/O复用机制，适用于高并发环境，极大提升了Linux网络I/O的性能。 |
8、案例
实现了一个简单的 基于 epoll 的并发服务器，可以接收多个客户端的连接，并处理客户端的请求（回显功能）。通过 epoll 实现了高效的事件驱动模型，可以处理大量并发连接。
#include <sys/select.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <poll.h>
#include <sys/epoll.h>int main(){// 创建 socketint sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);// 设置服务器地址struct sockaddr_in servaddr;servaddr.sin_family = AF_INET;servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); //0.0.0.0servaddr.sin_port = htons(2000); //0-1023// 绑定 socketif (-1 == bind(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(struct sockaddr))){printf("bind failed:%s\n", strerror(errno));close(sockfd);return 1;}// 监听连接listen(sockfd, 10);printf("listen finished\n");int epfd = epoll_create(1);struct epoll_event ev;ev.events = EPOLLIN;ev.data.fd = sockfd;epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, sockfd, &ev);struct sockaddr_in clientaddr;socklen_t len = sizeof(clientaddr);while (1) {struct epoll_event events[1024] = {0};int nready = epoll_wait(epfd, events, 1024, -1);int i = 0;for (i = 0;i < nready;i ++) {int connfd = events[i].data.fd;if (connfd == sockfd) {int clientfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &len);printf("accept finshed: %d\n", clientfd);ev.events = EPOLLIN;ev.data.fd = clientfd;epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, clientfd, &ev);} else if (events[i].events & EPOLLIN) {char buffer[1024] = {0};int count = recv(connfd, buffer, 1024, 0);if (count == 0) { // disconnectprintf("client disconnect: %d\n", connfd);close(connfd);epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, connfd, NULL);continue;}printf("RECV: %s\n", buffer);count = send(connfd, buffer, count, 0);printf("SEND: %d\n", count);}}}printf("listen finished\n");
close(sockfd);getchar();
printf("exit\n");
return 0;
}9、总结
epoll 是 Linux 高性能网络编程的核心技术之一，它通过高效的事件通知机制解决了传统 select 和 poll 的性能瓶颈，使网络编程从IO驱动进化到事件驱动，推动了高并发服务器的发展。其设计体现了操作系统对现代网络应用的深度优化，是构建高性能、高扩展性网络服务的基石。
10、资料参考
0voice
https://github.com/0voice
