Linux 中 epoll 的使用 | AI生成和翻译

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epoll 是 Linux 系统调用，专为高效监控多个文件描述符的事件而设计，例如当数据可读或套接字可写时。它在网络编程中特别有用，因为服务器可能需要同时处理许多连接。与 select 或 poll 等旧机制相比，epoll 在大量文件描述符的情况下扩展性更好，因为它避免了重复扫描所有描述符以检查就绪状态。

以下是使用 epoll 的分步指南，随后是一个简单的服务器示例，该服务器接受连接并将数据回显给客户端。

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使用 epoll 的步骤

1. 创建 Epoll 实例

要开始使用 epoll，您需要创建一个 epoll 实例，该实例由文件描述符表示。使用 epoll_create1 系统调用：

int epoll_fd = epoll_create1(0);

• 参数：传递 0 用于基本用法（无特殊标志）。EPOLL_CLOEXEC 等标志可用于高级场景。
• 返回值：成功时返回文件描述符（epoll_fd），错误时返回 -1（检查 errno 了解详情）。

较旧的 epoll_create 函数类似，但接受一个大小提示（现在被忽略），因此更推荐使用 epoll_create1。

2. 添加要监控的文件描述符

使用 epoll_ctl 向 epoll 实例注册文件描述符（例如套接字），并指定要监控的事件：

struct epoll_event ev;
ev.events = EPOLLIN;  // 监控可读性
ev.data.fd = some_fd; // 要监控的文件描述符
epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, some_fd, &ev);

• 参数：
  • epoll_fd：epoll 实例的文件描述符。
  • EPOLL_CTL_ADD：添加文件描述符的操作。
  • some_fd：要监控的文件描述符（例如套接字）。
  • &ev：指向 struct epoll_event 的指针，用于定义事件和可选的用户数据。
• 常见事件：
  • EPOLLIN：数据可读。
  • EPOLLOUT：可写。
  • EPOLLERR：发生错误。
  • EPOLLHUP：挂断（例如连接关闭）。
• 用户数据：struct epoll_event 中的 data 字段可以存储文件描述符（如上所示）或其他数据（例如指针），以便在事件发生时识别来源。

3. 等待事件

使用 epoll_wait 阻塞并等待受监控文件描述符上的事件：

struct epoll_event events[MAX_EVENTS];
int nfds = epoll_wait(epoll_fd, events, MAX_EVENTS, -1);

• 参数：
  • epoll_fd：epoll 实例。
  • events：用于存储触发事件的数组。
  • MAX_EVENTS：要返回的最大事件数（数组大小）。
  • -1：超时时间（毫秒）（-1 表示无限等待；0 表示立即返回）。
• 返回值：具有事件的文件描述符数量（nfds），错误时返回 -1。

4. 处理事件

循环遍历 epoll_wait 返回的事件并处理它们：

for (int i = 0; i < nfds; i++) {
    if (events[i].events & EPOLLIN) {
        // 文件描述符 events[i].data.fd 可读
    }
}

• 使用位操作检查 events 字段（例如 events[i].events & EPOLLIN）以确定事件类型。
• 使用 events[i].data.fd 识别哪个文件描述符触发了事件。

5. 管理文件描述符（可选）

• 移除：使用 epoll_ctl 和 EPOLL_CTL_DEL 停止监控文件描述符：

  epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_DEL, some_fd, NULL);
  

• 修改：使用 EPOLL_CTL_MOD 调整事件：

  ev.events = EPOLLOUT; // 更改为监控可写性
  epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_MOD, some_fd, &ev);
  

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关键概念

水平触发与边缘触发

• 水平触发（默认）：只要条件持续存在（例如数据未被读取），epoll 就会重复通知。适用于大多数情况，更简单。
• 边缘触发（EPOLLET）：仅在状态变化时（例如新数据到达）通知一次。需要读取/写入所有数据直到 EAGAIN，以避免错过事件；效率更高但更复杂。
• 如果使用边缘触发模式，请在 ev.events 中设置 EPOLLET（例如 EPOLLIN | EPOLLET）。

非阻塞 I/O

epoll 通常与非阻塞文件描述符配对使用，以防止在 I/O 操作上阻塞。使用以下命令将套接字设置为非阻塞模式：

fcntl(fd, F_SETFL, fcntl(fd, F_GETFL) | O_NONBLOCK);

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示例：简单回显服务器

以下是一个基本示例，展示了一个使用 epoll 接受连接并将数据回显给客户端的服务器。为简单起见，它使用水平触发模式。

#include <sys/epoll.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>

#define MAX_EVENTS 10
#define PORT 8080

int main() {
    // 创建监听套接字
    int listen_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (listen_fd == -1) { perror("socket"); exit(1); }

    struct sockaddr_in addr = { .sin_family = AF_INET, .sin_addr.s_addr = INADDR_ANY, .sin_port = htons(PORT) };
    if (bind(listen_fd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr)) == -1) { perror("bind"); exit(1); }
    if (listen(listen_fd, 5) == -1) { perror("listen"); exit(1); }

    // 将监听套接字设置为非阻塞
    fcntl(listen_fd, F_SETFL, fcntl(listen_fd, F_GETFL) | O_NONBLOCK);

    // 创建 epoll 实例
    int epoll_fd = epoll_create1(0);
    if (epoll_fd == -1) { perror("epoll_create1"); exit(1); }

    // 将监听套接字添加到 epoll
    struct epoll_event ev, events[MAX_EVENTS];
    ev.events = EPOLLIN; // 水平触发
    ev.data.fd = listen_fd;
    if (epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, listen_fd, &ev) == -1) { perror("epoll_ctl"); exit(1); }

    // 事件循环
    while (1) {
        int nfds = epoll_wait(epoll_fd, events, MAX_EVENTS, -1);
        if (nfds == -1) { perror("epoll_wait"); exit(1); }

        for (int i = 0; i < nfds; i++) {
            int fd = events[i].data.fd;

            if (fd == listen_fd) {
                // 接受新连接
                int client_fd = accept(listen_fd, NULL, NULL);
                if (client_fd == -1) { perror("accept"); continue; }

                // 将客户端套接字设置为非阻塞
                fcntl(client_fd, F_SETFL, fcntl(client_fd, F_GETFL) | O_NONBLOCK);

                // 将客户端套接字添加到 epoll
                ev.events = EPOLLIN;
                ev.data.fd = client_fd;
                if (epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, client_fd, &ev) == -1) {
                    perror("epoll_ctl: client_fd");
                    close(client_fd);
                }
            } else {
                // 处理客户端数据
                char buf[1024];
                ssize_t n = read(fd, buf, sizeof(buf));
                if (n <= 0) {
                    // 错误或 EOF：关闭并从 epoll 中移除
                    if (n == -1 && (errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK)) continue;
                    close(fd);
                    epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_DEL, fd, NULL);
                } else {
                    // 将数据回显
                    write(fd, buf, n); // 注意：在实际应用中，处理部分写入
                }
            }
        }
    }

    close(epoll_fd);
    close(listen_fd);
    return 0;
}

关于示例的说明

• 监听套接字：监控 EPOLLIN 以检测新连接。
• 客户端套接字：同样监控 EPOLLIN 以检测传入数据。
• 简化：假设 write 完全完成。在生产环境中，应缓冲数据并使用 EPOLLOUT 处理部分写入。
• 错误处理：在错误或 EOF 时关闭套接字，并将其从 epoll 中移除。

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总结

epoll 提供了一种在 Linux 中处理多个文件描述符的高效方法：

1. 使用 epoll_create1 创建实例。
2. 使用 epoll_ctl 注册文件描述符和事件。
3. 使用 epoll_wait 等待事件。
4. 在循环中处理事件，根据需要调整监控的事件或移除描述符。

对于简单的应用程序，推荐使用水平触发模式。对于高性能需求，可以考虑边缘触发模式，并仔细处理所有可用数据。始终将 epoll 与非阻塞 I/O 配对使用以获得最佳效果。

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