「epoll服务器源码」：深入了解Linux网络编程的关键之一 (epoll服务器源码)
Epoll服务器源码：深入了解Linux网络编程的关键之一
随着互联网的发展和应用需求的不断增长，网络编程的重要性也越来越突出。其中，Linux作为一款开源的操作系统在网络编程领域占据了重要的地位，而其最重要的特点就是“事件驱动”。而Epoll，作为一种高效的I/O事件通知机制，在Linux服务器编程中的应用越来越广泛，成为了实现高性能、高并发的重要技术手段之一。
Epoll服务器源码成为了深入了解Linux网络编程的关键之一，那么，究竟什么是Epoll？其原理和特点又是什么呢？
一、Epoll是什么？
Epoll是Linux内核提供的一种I/O事件通知机制，它通过内核与用户空间的数据传递，使得应用程序可以同时监控多个文件描述符的实时数据，实现高效的I/O多路复用。
相比于传统的select/poll机制，Epoll在处理大量文件描述符时的效率更高，因为它采用了基于红黑树的数据结构来管理文件描述符，使得每次查询的时间复杂度可以降低到O(1)。而select/poll机制在处理大量连接时性能会严重受到影响。
二、Epoll原理和特点
1. 基于内存映射的I/O事件通知机制
Epoll通过基于内存映射的方式来实现I/O事件通知机制。在用户空间中声明一个epoll结构体，并通过epoll_create函数创建一个epoll实例，这个实例是通过映射内核空间的struct eventpoll结构体来实现的。当文件描述符的I/O事件发生时，内核会检查相应的eventpoll句柄，并将事件信息写入到对应的eventpoll句柄映射的内存空间中。而用户空间程序则可以通过epoll_wt函数来实时读取相应的事件。
2. 较为高效的I/O多路复用机制
在使用Epoll进行I/O多路复用时，其相应的代码实现流程如下：
– 创建并初始化epoll实例
– 向epoll实例中添加关注的文件描述符
– 调用epoll_wt函数获取到发生I/O事件的相关信息
– 根据返回的事件信息进行相应的处理
相比于传统的select/poll机制，在处理大量文件描述符时Epoll的效率更高。这是因为Epoll采用了基于红黑树的数据结构，使得查询时间复杂度可以降低到O(1)，而select/poll则会随着句柄数量的增加而发生性能瓶颈。而Epoll还支持通过基于事件的回调方式，实现非阻塞IO操作和异步网络编程。这种机制在实现高性能、高并发的网络服务器时尤为重要。
3. 支持ET和LT
Epoll支持触发两种不同的工作方式：ET和LT。ET（边缘触发）是指只有在数据从无到有时才触发一次事件，这种工作方式可以更精准的控制事件的粒度，提高服务器在高负载下的稳定性和性能；而LT（水平触发）则是指只要有数据到达就会触发事件，并进行相应的处理。
三、Epoll服务器源码分析
下面以Epoll服务器源码为例，介绍如何深入了解Linux网络编程中的关键技术之一。
1. 服务器整体架构
Epoll服务器源码整体分为两个模块：Server模块和Epoll模块。
在Server模块中，首先创建了服务器的监听套接字，并通过listen函数将其加入到一个等待连接的队列中。当新的连接到来时，通过accept函数创建一个新的客户端套接字，并将其加入到Epoll模块中进行事件监听。
在Epoll模块中，将创建一个epoll实例，并添加监听套接字和新创建的客户端套接字到epoll实例中。通过调用epoll_wt函数进行非阻塞事件监听，并根据相应的事件类型进行处理。
2. Epoll事件触发机制
Epoll事件触发有两种不同的方式：ET和LT。
在ET模式下，Epoll只在状态发生变化时才通知用户程序，即只有当文件描述符从无数据到有数据时才触发事件。而在LT模式下，无论有无数据到达，Epoll都会通知用户程序并进行相应的处理。
从服务器的角度来看，在ET模式下，整个服务器的稳定性和性能会更好，因为这种模式更精确的控制了事件的触发粒度；而在LT模式下则会导致重复事件的处理，使得整个服务器的性能得不到更优化。
3. 服务器的多线程模式
在Epoll服务器源码中，将epoll的实例和客户端链接句柄分配给不同的线程来处理，以此实现高并发的策略。
具体实现方法如下：在服务器的Server模块中，首先创建一个线程池，以线程池中的线程来处理Epoll的事件监听。当新的客户端连接到来时，服务器将其对应的客户端链接句柄加入到线程池队列中。线程池中的线程会实时监听队列中的事件，并进行相应的处理。
通过多线程的方式，Epoll服务器可以更好的利用多核CPU的性能和处理能力，提高服务器的并发性和处理能力。
Epoll作为一种高效的I/O事件通知机制，在Linux服务器编程中越来越发挥着重要的作用。深入了解并研究Epoll服务器源码，有助于我们更好的掌握Linux网络编程的关键技术，提高整个服务器的性能和并发能力。
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epoll为什么这么快？epoll的实现原理是什么？
以一个生活中的例子来解释.假设你在大学中读书,要等待一个朋友来访,而这个朋友只知道你在A号楼,但是不知道你具体住在哪里,于是你们约好了在A号楼门口见面.如雀派早果你使用的阻塞IO模型来处理这个问题,那么你就只能一直守候在A号楼门口等待朋友的到来,…
epoll是Linux内核为处理大批量文件描述符而作了改进的poll，是Linux下多路复用IO接口select/poll的增强版本，它能显著提高程序在大量并发连接中只有少量活跃的情况下的系统CPU利用率。另一点原因羡唯就是获取事件的时候，它无须遍历整个被侦听的描述符集，只要遍历那些被内核IO事件异步唤醒而加入Ready队列的描述符就行了。epoll除了提供select/poll那种IO事件的水平触发（Level Triggered）外，还提供了边缘触发（Edge Triggered），这就使得用户空间程序有可能缓存IO状态，减少epoll_wait/epoll_pwait的调用，提高应用程序效率。
select 最不能忍受的是顷雀一个进程所打开的FD是有一定限制的，由FD_SETSIZE设置，默认值是2023。对于那些需要支持的上万连接数目的IM服务器来说显然太少了。这时候你一是可以选择修改这个宏然后重新编译服务器代码，不过资料也同时指出这样会带来网络效率的下降，二是可以选择多进程的解决方案（传统的Apache方案），不过虽然linux上面创建进程的代价比较小，但仍旧是不可忽视的，加上进程间数据同步远比不上线程间同步的高效，所以也不是一种完美的方案。不过 epoll则没有这个限制，它所支持的FD上限是更大可以打开文件的数目，这个数字一般远大于2023,举个例子，在1GB内存的机器上大约是10万左右，具体数目可以cat /proc/sys/fs/file-max查看，一般来说这个数目和系统内存关系很大。
epoll知识点总结
epoll是linux IO多路复用的管理机制，现在是linux平台高性能网络io必要的组件。
理解内核epoll的运行原理，需要从四方面来理解：
1.epoll的数据结构。2.epoll的线程安全。
3.epoll的内核回调。4.epoll的LT与ET。
主要两个结构体 eventpoll 与 epitem。
eventpoll是每一个epoll所对应的，epitem是每一个中闭察IO所对应的事件。
数据结构图下图所示
list用来存储准备就绪的IO，内核IO准备就绪的时候，会执行epoll_event_callback的回调函数，将epitem添加到list中；当epoll_wait激活重新运行的时候，将list的epitem逐一copy到events参数中。
rbtree用来存储所有的io数据，方便快速通过io_fd查找；epoll_ctl执行EPOLL_CTL_ADD操作时，将epitem添加到rbtree中；epoll_ctl执行EPOLL_CTL_DEL操作时，将epitem从retree中删除。
以下几个包括list操作，rbtree操作，epoll_wait的等待需要加锁。
list使用最小粒度的spinlock锁，避免多核竞争。
rbtree的添加使用互斥锁，
epoll_wait采用pthread_cond_wait;
1.tcp三次握手，对端反馈ack，socket进入rcvd状态，需要将监听的socket的event置为EPOLLIN，此时标识可以进入到accept读取socket数据。
2.established状态时，收到数据，将socket的event置为EPOLLIN状态。
3.established状态时 收到fin，socket进入close_Wait，需要将socket的event设置为EPOLLIN，读取断开信息
4 . 检测到socket的send状态，cwnd >0可以发送的数据，需要将socket置为EPOLLOUT。
LT（水平触发）：socket接收缓冲区不为空 有数据可读，读事件一直触发；socket发送缓冲区不满，可以继续写入数据，写事件一直触发。
ET（边缘触发）：socket接收缓冲区变化时触发读事件，空的接收缓冲区刚接收到数据时触发读事件；socket发送缓冲区状态发生变化时触发写事件，即满的缓冲区刚空出空间时触发读事件。
LT的处理过程：
accept一个连接，添加到epoll中监听EPOLLIN事件。
当EPOLLIN事件到达时，read fd中的数据并处理，
当需要写出数据时，把数据write到fd中；如果数卖茄据较大，无法一次性写出，那么在epoll中监听EPOLLOUT事件。
当EPOLLOUT事件到达时，继续把数据write到fd中 ；如果数据写出完毕，那么在epoll中关闭EPOLLOUT事件。
ET的处理过程：
accept一个连接，添加到epoll中监听EPOLLIN|EPOLLOUT事件
当EPOLLIN事件到达时，read fd中数据并处理，read需要一直读，直到返回EAGAIN为止
当需要写出数据时，把数据write到fd中，直到数据全部写完或者write返回EAGAIN
当EPOLLOUT事件到达时，继续把数据write到fd中，直到数据全部写完，或者write返回EAGAIN
accept要考虑两个问题：
阻塞模式accept存在的问题：TCP连接被客户端夭折，即服务器调用accept之前，客户端主动发送RST终止连接，导致刚刚建立的连接从就绪队列中移出，如果套接口被设置成阻塞模式，服务器就一直阻塞到accept调用上，直到其他某个客户建立一个新的连接为止。在此期间，服务器 单纯阻塞在accept调用上，就绪队列上其他描述符都得不到处理。解决办法是把监听的套接口设置成非阻塞的，客户端在在服务器端调用accept之前中止某个连接时，accept调用态衫可以立即返回-1。
ET模式accept存在的问题：
多个连接同时到达，，服务器TCP就行连接瞬间积累多个就绪连接，由于是边缘触发模式，epoll只会通知一次，accept只处理一个连接，导致TCP就绪队列中剩下的连接都得不到处理，解决办法是，while循环 中accpet调用，处理完accept就绪队列中所有连接后再退出循环。如何知道是否处理完所有连接，accept返回-1并且error设置为errno设置为EAGAIN便是所有连接都处理完。
LT 只要event为EPOLLIN时就能不断调用回调函数
ET 如果从EPOLLOUT变化为EPOLLIN时候，就会触发。
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