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Linux学习-TCP并发服务器构建（epoll）

news 2025/8/29 5:20:16

一、核心特点（对比 select、poll 优势）

存储结构：用红黑树存文件描述符集合，无数量上限，查找高效
数据拷贝：集合创建在内核层，避免应用层 - 内核层反复拷贝，降低开销
事件处理：返回到达事件，无需遍历，直接处理，效率高
触发模式：支持水平触发（低速）和边沿触发（高速），适配不同场景

二、操作流程与关键函数

创建集合：int epoll_create(int size)
- 功能：通知内核创建文件描述符集合
- 参数：size 填监测的文件描述符预期数量（实际无严格限制，传正整数即可）
- 返回：成功返回集合的文件描述符（用于后续操作），失败返回 -1
管理集合（增删改）：int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event)
- 功能：操作 epoll 集合（添加、修改、删除文件描述符及事件）
- 参数：
  - epfd：epoll_create 返回的集合描述符
  - op：操作类型，如 EPOLL_CTL_ADD（添加）、EPOLL_CTL_MOD（修改）、EPOLL_CTL_DEL（删除）
  - fd：要操作的文件描述符
  - event：事件结构体，含 events（事件类型，如 EPOLLIN 读、EPOLLOUT 写）和 data（关联数据，常用 data.fd 存关注的文件描述符）
- 返回：成功返回 0，失败返回 -1
监测事件：int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout)
- 功能：通知内核开始监测事件，阻塞等待事件触发
- 参数：
  - epfd：要监测的集合描述符
  - events：数组，用于存返回的到达事件结果
  - maxevents：最多处理的事件个数（需 ≤ events 数组大小）
  - timeout：超时时间，-1 表示一直阻塞，0 立即返回，正数为毫秒级超时
- 返回：成功返回触发的事件数量，失败返回 -1
事件类型与数据结构
- epoll_data_t 联合结构体：可存指针、文件描述符等，常用 fd 关联关注的描述符
- struct epoll_event：含 events（事件类型标记，如 EPOLLIN/EPOLLOUT ）和 data（epoll_data_t 类型数据）

三、核心原理与数据结构

epoll 在内核中维护两个关键数据结构，共同实现高效事件管理：

红黑树（RB-Tree）
- 用途：存储所有被监控的 FD 及其关联的事件（如 EPOLLIN、EPOLLOUT）。
- 优势：插入、删除、查找 FD 的时间复杂度为 O(log n)，支持动态增删大量 FD，无数量上限（仅受系统内存限制）。
就绪链表（Ready List）
- 用途：缓存所有触发了事件的 FD（就绪 FD）。
- 优势：epoll_wait 直接从链表中获取就绪 FD，无需遍历全部 FD，效率极高。

四、关键函数详解

1. 创建 epoll 实例：`epoll_create`

#include <sys/epoll.h>
int epoll_create(int size);

功能：向内核申请创建一个 epoll 实例（管理 FD 集合的句柄）。
参数：size 是历史遗留参数，早期用于提示内核预分配空间，现代 Linux 中已忽略（只需传一个正整数即可）。
返回值：成功返回 epoll 实例的文件描述符（epfd），失败返回 -1（需检查 errno）。
注意：epfd 本身也是一个 FD，使用完毕后需用 close(epfd) 释放资源。

2. 管理监控的 FD：`epoll_ctl`

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

功能：向 epoll 实例添加、修改或删除被监控的 FD 及事件。
参数：
- epfd：epoll_create 返回的实例句柄。
- op：操作类型：
  - EPOLL_CTL_ADD：添加 FD 到监控集合。
  - EPOLL_CTL_MOD：修改已监控 FD 的事件类型。
  - EPOLL_CTL_DEL：从监控集合中删除 FD（此时 event 可设为 NULL）。
- fd：需要监控的文件描述符（如 socket FD）。
- event：事件结构体，定义如下：
```
struct epoll_event {uint32_t events;  // 事件类型（位掩码）epoll_data_t data;  // 关联数据（用户自定义）
};typedef union epoll_data {void    *ptr;  // 指针（可关联自定义数据结构）int      fd;   // 常用：关联被监控的 FD 本身uint32_t u32;uint64_t u64;
} epoll_data_t;
```
- events 常用类型：
  - EPOLLIN：FD 可读（如 socket 收到数据）。
  - EPOLLOUT：FD 可写（如 socket 发送缓冲区空闲）。
  - EPOLLERR：FD 发生错误（无需主动设置，内核自动触发）。
  - EPOLLET：启用边沿触发模式（默认是水平触发）。
  - EPOLLONESHOT：事件触发一次后自动取消监控（需重新添加才能再次监控）。
返回值：成功返回 0，失败返回 -1（如 FD 已被监控、权限不足等）。

3. 等待就绪事件：`epoll_wait`

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

功能：阻塞等待监控集合中就绪的事件，将结果存入 events 数组。
参数：
- epfd：epoll 实例句柄。
- events：用户分配的数组，用于接收就绪事件（输出参数）。
- maxevents：events 数组的最大长度（必须 ≥ 1）。
- timeout：超时时间（毫秒）：
  - -1：永久阻塞，直到有事件就绪。
  - 0：立即返回（非阻塞模式）。
  - >0：最多阻塞 timeout 毫秒，超时后返回 0。
返回值：
- 成功：返回就绪事件的数量（0 表示超时，无就绪事件）。
- 失败：返回 -1（如被信号中断，需检查 errno）。

五、与 select/poll 的对比

特性	select	poll	epoll
监控 FD 数量上限	有（通常 1024）	无（受系统内存限制）	无（受系统内存限制）
事件存储	位图（固定大小）	数组（动态分配）	红黑树 + 就绪链表
事件检测方式	遍历所有 FD	遍历所有 FD	直接取就绪链表（无需遍历）
数据拷贝	每次调用拷贝全部 FD	每次调用拷贝全部 FD	仅初始化时拷贝一次
触发模式	仅水平触发	仅水平触发	水平触发 + 边沿触发
时间复杂度	O(n)	O(n)	O(1)（获取就绪事件）
高并发表现	差（FD 越多越慢）	较差（遍历开销大）	优秀（无遍历开销）

六、典型使用流程

创建 socket 并绑定端口，设为监听状态（listen）。
调用 epoll_create 创建 epoll 实例（epfd）。
调用 epoll_ctl 添加监听 socket 到 epoll 集合（关注 EPOLLIN 事件）。
循环调用 epoll_wait 等待就绪事件：
- 若监听 socket 就绪（新连接），调用 accept 获取客户端 socket，添加到 epoll 集合。
- 若客户端 socket 就绪（可读/可写），处理数据（读/写操作）。
断开连接时，调用 epoll_ctl 从集合中删除客户端 socket。