linux-高级IO（下）

本文摘要：本文详细介绍了Linux系统中的epoll多路转接机制。主要内容包括：1）epoll的三个核心函数：epoll_create创建epoll实例、epoll_wait等待事件发生、epoll_ctl管理监控描述符；2）epoll工作原理，通过回调机制和就绪队列实现高效I/O复用；3）epoll服务器实现示例，包括监听套接字、接收连接和处理事件；4）epoll的两种工作模式：水平触发(LT

nplplus

784人浏览 · 2025-08-18 21:23:09

nplplus · 2025-08-18 21:23:09 发布

多路转接之epoll

epoll_create

：创建epoll模型

size已经废弃，值只要填写的大于0就行，返回值也是一个文件描述符。

epoll_wait

epoll_wait  是 Linux 中 epoll  机制的核心函数之一，用于等待 epoll  实例监控的文件描述符上发生的事件，是实现 I/O 多路复用的关键步骤。

基本语法

参数说明

- epfd ： epoll  实例的文件描述符（由 epoll_create  或 epoll_create1  创建）。
- events ：指向 struct epoll_event  数组的指针，用于存储发生的事件信息。

参数类型epoll_event：

它的第1个参数会以位图的形式传递标记位。
- maxevents ：指定 events  数组的最大容量，必须大于 0。
- timeout ：超时时间（毫秒），有三种取值：
- 0 ：立即返回，无论是否有事件发生。
- 正数：等待指定毫秒数，若超时前有事件发生则立即返回。
- -1 ：无限期等待，直到有事件发生才返回。

返回值

- 成功：返回发生事件的文件描述符数量（大于 0）。
- 超时：返回 0 （当 timeout  为正数或 0 时）。
- 失败：返回 -1 ，并设置 errno  指示错误（如 EBADF  表示 epfd  无效）。

作用

epoll_wait  会阻塞等待 epoll  实例中监控的文件描述符发生事件（如可读、可写等），当事件发生或超时后，将事件信息存入 events  数组并返回，从而高效处理多个 I/O 操作，避免传统 select/poll  的性能瓶颈。

新增，修改，删除一个文件描述符事件。

epoll_ctl

epoll_ctl  是 Linux 系统中 epoll  机制的核心函数之一，用于控制 epoll  实例中的事件，比如添加、修改或删除需要监听的文件描述符及其关联事件。

基本语法

参数说明

- epfd ： epoll  实例的文件描述符，由 epoll_create  或 epoll_create1  创建。
- op ：操作类型，有三种可选值：

- fd ：需要操作的文件描述符（如套接字、管道等）。
- event ：文件描述符上的哪一个事件。

struct epoll_event  结构体

- events ：常用事件类型包括：
- EPOLLIN ：表示文件描述符可读（如收到数据）。
- EPOLLOUT ：表示文件描述符可写（如缓冲区有空间）。
- EPOLLERR ：表示文件描述符发生错误。
- EPOLLHUP ：表示文件描述符被挂断（如连接关闭）。
- EPOLLET ：边缘触发模式（默认是水平触发）。

返回值

- 成功时返回 0 。
- 失败时返回 -1 ，并设置 errno  指示错误原因（如 EBADF  表示 epfd  或 fd  无效， EEXIST  表示添加已存在的 fd  等）。

作用

epoll_ctl  是 epoll  机制中管理监听对象的关键函数，通过它可以动态维护需要监控的文件描述符列表，配合 epoll_wait  实现高效的 I/O 多路复用。

epoll原理

polk and select都借用了类似辅助数组一样的存储形式，他们都是由用户维护，而epoll确实由操作系统维护的。

当网卡数据准备就绪的时候，网卡会向上层发送硬件中断信号给操作系统。上层接收到硬件中断信号以后，会进行比对来检测这个硬件中断信号的含义。进而发现网卡上数据已经完备

当网卡驱动层得知网卡内有数据就绪，它会自动调用一个回调函数calback

回调函数会将该数据向上层传递，因为不同层级间数据的传输并不是通过拷贝而来，而是通过指针的指向来获取，因此它需要把数据传输给tcp的接收队列。进而将数据传输给用户层的接收缓冲区,同时，他还需要在红黑树中查找对应的文件描述符，有没有被需要关注的任务任务选项，假设回调函数回调的时候传输的就是一个文件描述符为3，写事件，而红黑树中，

3号文件描述符写事件被关注，那么他就需要把内部文件构造成一个新的节点，插入到就绪队列

之后用户就只需要从就绪队列中获取就绪节点即可。上述过程共同组成了epoll模型

该模型的返回值是一个文件描述符，而我们之前所讲文件描述符由struct file进行管理。

而我们刚刚所讲的三个调用接口与epoll模型的关系如下：

代码

包装epoll

#pragma once

class nocopy
{
public:
    nocopy(){}
    nocopy(const nocopy &) = delete;
    const nocopy&operator=(const nocopy &) = delete;
};

#pragma once

#include "nocopy.hpp"
#include "Log.hpp"
#include <cerrno>
#include <cstring>
#include <sys/epoll.h>

class Epoller : public nocopy
{
    static const int size = 128;

public:
    Epoller()
    {
        _epfd = epoll_create(size);
        if (_epfd == -1)
        {
            lg(Error, "epoll_create error: %s", strerror(errno));
        }
        else
        {
            lg(Info, "epoll_create success: %d", _epfd);
        }
    }
    int EpollerWait(struct epoll_event revents[], int num)
    {
        int n = epoll_wait(_epfd, revents, num, /*_timeout 0*/ -1);
        return n;
    }
    int EpllerUpdate(int oper, int sock, uint32_t event)
    {
        int n = 0;
        if (oper == EPOLL_CTL_DEL)
        {
            n = epoll_ctl(_epfd, oper, sock, nullptr);
            if (n != 0)
            {
                lg(Error, "epoll_ctl delete error!");
            }
        }
        else
        {
            // EPOLL_CTL_MOD || EPOLL_CTL_ADD
            struct epoll_event ev;
            ev.events = event;
            ev.data.fd = sock; // 目前，方便我们后期得知，是哪一个fd就绪了！

            n = epoll_ctl(_epfd, oper, sock, &ev);
            if (n != 0)
            {
                lg(Error, "epoll_ctl error!");
            }
        }
        return n;
    }
    ~Epoller()
    {
        if (_epfd >= 0)
            close(_epfd);
    }

private:
    int _epfd;
    int _timeout{3000};
};

epollserver的构建

#pragma once

#include <iostream>
#include <memory>
#include <sys/epoll.h>
#include "Socket.hpp"
#include "Epoller.hpp"
#include "Log.hpp"
#include "nocopy.hpp"

uint32_t EVENT_IN = (EPOLLIN);
uint32_t EVENT_OUT = (EPOLLOUT);

class EpollServer : public nocopy
{
    static const int num = 64;

public:
    EpollServer(uint16_t port)
        : _port(port),
          _listsocket_ptr(new Sock()),
          _epoller_ptr(new Epoller())
    {
    }
    void Init()
    {
        _listsocket_ptr->Socket();
        _listsocket_ptr->Bind(_port);
        _listsocket_ptr->Listen();

        lg(Info, "create listen socket success: %d\n", _listsocket_ptr->Fd());
    }
    void Accepter()
    {
        // 获取了一个新连接
        std::string clientip;
        uint16_t clientport;
        int sock = _listsocket_ptr->Accept(&clientip, &clientport);
        if (sock > 0)
        {
            // 我们能直接读取吗？不能
            _epoller_ptr->EpllerUpdate(EPOLL_CTL_ADD, sock, EVENT_IN);
            lg(Info, "get a new link, client info@ %s:%d", clientip.c_str(), clientport);
        }
    }
    // for test
    void Recver(int fd)
    {
        // demo
        char buffer[1024];
        ssize_t n = read(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1); // bug?
        if (n > 0)
        {
            buffer[n] = 0;
            std::cout << "get a messge: " << buffer << std::endl;
            // wrirte
            std::string echo_str = "server echo $ ";
            echo_str += buffer;
            write(fd, echo_str.c_str(), echo_str.size());
        }
        else if (n == 0)
        {
            lg(Info, "client quit, me too, close fd is : %d", fd);
            //细节3
            _epoller_ptr->EpllerUpdate(EPOLL_CTL_DEL, fd, 0);
            close(fd);
        }
        else
        {
            lg(Warning, "recv error: fd is : %d", fd);
            _epoller_ptr->EpllerUpdate(EPOLL_CTL_DEL, fd, 0);
            close(fd);
        }
    }
    void Dispatcher(struct epoll_event revs[], int num)
    {
        for (int i = 0; i < num; i++)
        {
            uint32_t events = revs[i].events;
            int fd = revs[i].data.fd;
            if (events & EVENT_IN)
            {
                if (fd == _listsocket_ptr->Fd())
                {
                    Accepter();
                }
                else
                {
                    // 其他fd上面的普通读取事件就绪
                    Recver(fd);
                }
            }
            else if (events & EVENT_OUT)
            {
            }
            else
            {
            }
        }
    }
    void Start()
    {
        // 将listensock添加到epoll中 -> listensock和他关心的事件，添加到内核epoll模型中rb_tree.
        _epoller_ptr->EpllerUpdate(EPOLL_CTL_ADD, _listsocket_ptr->Fd(), EVENT_IN);
        struct epoll_event revs[num];
        for (;;)
        {
            int n = _epoller_ptr->EpollerWait(revs, num);
            if (n > 0)
            {
                // 有事件就绪
                lg(Debug, "event happened, fd is : %d", revs[0].data.fd);
                Dispatcher(revs, n);
            }
            else if (n == 0)
            {
                lg(Info, "time out ...");
            }
            else
            {
                lg(Error, "epll wait error");
            }
        }
    }
    ~EpollServer()
    {
        _listsocket_ptr->Close();
    }

private:
    std::shared_ptr<Sock> _listsocket_ptr;
    std::shared_ptr<Epoller> _epoller_ptr;
    uint16_t _port;
};

epoll的两种模式

LT:水平触发，它是epoll的默认模式，在事件到来时如果上层不处理，它会高电平的一直向上层传输信号.

ET:边缘触发，该模式是数据或链接从无到有，从有到多变化的时候才会通知我们一次，相对而言，该模式的通知效率更高，其io效率也更高。

ET模式是倒逼程序员，每一次通知，他都必须把本轮的数据全部取走，读取数据的方式是循环读取，直到这个读取出错为止，但是因为fd的读取方式默认是阻塞的，我们不能通过阻塞的方式进行读取，但我们并不知道内部是否已经有数据 ,因此不然的话我们进程就会阻塞的卡住了，因此。我们要以非阻塞轮询的方式进行数据读取。

正因为ET模式是一次性将数据读取完，tcp便可以向对方通过一个更大的窗口，从而从概率上让对方一次给我发送更多的数据。因为通知频率更少，因而单位时间内通知效率更高，同时数据传输量的增大，为io效率的更高也奠定了基础，因此相对而言，它是更优的，但是因为水平触发也可以一次性的对数据进行读取完毕。因此在不同场景下，二者谁效率更高效依托于不同的设计方式。