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理解epoll
epoll 是一种 I/O 复用技术，它允许一个线程有效地管理多个文件描述符（在本例中为套接字），而无需为每个连接创建单独的线程。这是通过事件驱动的方式来实现的，epoll 能够通知你哪些套接字已经准备好进行读写操作。
在传统的基于线程的模型中，每当有一个新的连接，服务器就会创建一个新的线程来处理这个连接。这种方法在连接数量较少时工作良好，但在高并发场景下会遇到线程上下文切换开销大、系统资源消耗过多等问题。
相比之下，epoll 允许你在一个线程中处理数千甚至数百万个连接，而不会因为线程管理带来额外的开销。epoll 通过注册事件（如 EPOLLIN 表示可读，EPOLLOUT 表示可写）来监控多个套接字。当某些套接字准备好时，epoll_wait 函数会立即返回这些套接字的列表，然后服务器可以依次处理这些事件，而无需创建新线程。
使用epoll的优势
使用 epoll 进行网络编程相比于传统的 select 和 poll 方法具有显著的优势，尤其在处理大量并发连接的场景下更为明显
高效率：
epoll使用更高效的数据结构和算法，例如基于红黑树的实现，使得它在处理大量文件描述符时效率远高于select和poll。它能够快速查找和更新事件状态，减少了系统调用的次数和上下文切换的开销。扩展性：
epoll支持水平触发（Level Triggered, LT）和边缘触发（Edge Triggered, ET）两种模式。ET 模式下，epoll只在事件首次发生时报告，这可以减少不必要的事件报告，提高效率。LT 模式则允许重复报告事件直到被处理。节省资源：
epoll不需要为每一个文件描述符维护一个内核数据结构，而是使用一个文件描述符来管理多个连接，这样减少了内存使用和系统资源的消耗。无连接数限制：
select的最大限制是受 FD_SETSIZE 的约束，而epoll没有硬性的连接数限制，理论上可以处理成千上万乃至更多数量的并发连接。精确的超时控制：
epoll提供了更精确的超时控制，这对于需要高精度超时的网络应用尤为重要。低延迟和高吞吐量：
epoll的事件通知机制允许快速响应网络事件，降低延迟并提高整体吞吐量。事件驱动模型：
epoll基于事件驱动，这意味着只有当套接字上的事件真正发生时才会有通知，这避免了轮询所有连接所带来的开销。支持多路复用：
epoll可以同时处理多个套接字的读写事件，使得服务器可以有效地处理大量并发请求，而无需为每个连接创建额外的线程或进程。低内存拷贝开销： 在处理事件时，
epoll可以直接访问内核中的数据结构，减少了用户空间和内核空间之间不必要的内存拷贝。灵活的通知机制：
epoll允许应用程序注册不同类型的事件，包括读事件、写事件等，以及错误条件和挂起事件。
代码样例
下面用epoll技术实现一个TCP服务器，具体方法和思路看注释
#include <iostream> #include <string.h> #include <unistd.h> #include <sys/socket.h> // socket, bind, listen, accept #include <netinet/in.h> // sockaddr_in #include <arpa/inet.h> // inet_addr #include <fcntl.h> // fcntl #include <errno.h> #include <sys/epoll.h> // epoll #include <unordered_map> #include <string> #include <vector> #define MAX_EVENTS 3000 class TCPServer { public: //构造函数 TCPServer(int port) : listenSocket(-1), port(port){} ~TCPServer() { if (listenSocket != -1) close(listenSocket); } void start() { initSocket(); setupEpoll(); listen(listenSocket, SOMAXCONN); std::cout << "Server started on port " << port << std::endl; run(); } private: int listenSocket; int epollFd; int port; int msgCount; /** * 初始化监听套接字 * 该函数创建一个监听套接字，并将其绑定到指定的IP地址和端口上。 * 如果创建或绑定套接字时发生错误，程序将输出错误信息并退出。 */ void initSocket() { // 创建一个流式套接字 listenSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); if (listenSocket == -1) { perror("Error creating socket"); exit(EXIT_FAILURE); } // 设置套接字选项，允许重复使用地址 // 这在重启服务时特别有用，可以避免因为地址还处于TIME_WAIT状态而无法绑定 int optval = 1; setsockopt(listenSocket, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &optval, sizeof(optval)); // 初始化sockaddr_in结构体，用于指定套接字要绑定的地址和端口 struct sockaddr_in addr; memset(&addr, 0, sizeof(addr)); addr.sin_family = AF_INET; addr.sin_port = htons(port); addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 将套接字绑定到指定的地址和端口上 if (bind(listenSocket, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr)) == -1) { perror("Error binding socket"); close(listenSocket); exit(EXIT_FAILURE); } } /** * 演示epoll的使用 * 初始化epoll监听结构体 * 本函数用于创建epoll实例，并将监听socket添加到epoll中，以非阻塞方式监听客户端连接请求。 * * @note 如果创建epoll实例或添加监听socket到epoll中失败，程序将退出。 */ void setupEpoll() { // 创建epoll实例 epollFd = epoll_create1(0); if (epollFd == -1) { // 如果创建失败，输出错误信息，关闭监听socket，并退出程序 perror("Error creating epoll instance"); close(listenSocket); exit(EXIT_FAILURE); } struct epoll_event ev; // 设置epoll事件类型为可读事件和边缘触发 ev.events = EPOLLIN | EPOLLET; // 将监听socket关联到epoll事件中 ev.data.fd = listenSocket; if (epoll_ctl(epollFd, EPOLL_CTL_ADD, listenSocket, &ev) == -1) { // 如果添加监听socket到epoll失败，输出错误信息，关闭监听socket和epoll实例，并退出程序 perror("Error adding listen socket to epoll"); close(listenSocket); close(epollFd); exit(EXIT_FAILURE); } // 将监听socket设置为非阻塞模式 fcntl(listenSocket, F_SETFL, O_NONBLOCK); } /** * 主循环，负责监听和处理客户端连接。 * 该循环将持续运行，直到发生无法恢复的错误。 * 它通过epoll_wait监控客户端连接和已建立的连接上的活动。 */ void run() { while (true) { // 准备接收epoll_wait返回的事件。 std::vector<struct epoll_event> events(MAX_EVENTS); // 调用epoll_wait阻塞，直到有事件发生或超时。超时时间为-1，表示无限等待。 int numEvents = epoll_wait(epollFd, events.data(), MAX_EVENTS, -1); // 检查epoll_wait调用是否失败。 if (numEvents == -1) { perror("Error in epoll_wait"); break; } // 遍历发生的事件，区分监听套接字和客户端套接字的事件。 for (int i = 0; i < numEvents; ++i) { // 如果事件来源是监听套接字，则处理新的客户端连接请求。 if (events[i].data.fd == listenSocket) { handleNewConnection(); } else { // 如果事件来源是已建立的客户端套接字，则处理客户端的请求或数据。 handleClient(events[i].data.fd); } } } } /** * 接收新连接 */ void handleNewConnection() { int clientSocket = accept(listenSocket, nullptr, nullptr); if (clientSocket == -1) { if (errno != EAGAIN && errno != EWOULDBLOCK) { perror("Error accepting new connection"); } return; } //添加到epoll中 struct epoll_event ev; ev.events = EPOLLIN | EPOLLET; ev.data.fd = clientSocket; if (epoll_ctl(epollFd, EPOLL_CTL_ADD, clientSocket, &ev) == -1) { perror("Error adding client socket to epoll"); close(clientSocket); return; } //设置非阻塞模式 fcntl(clientSocket, F_SETFL, O_NONBLOCK); struct sockaddr_in addr; socklen_t len = sizeof(addr); getpeername(clientSocket, (struct sockaddr*)&addr, &len); std::string address = inet_ntoa(addr.sin_addr); std::cout << "Client connected " << address << std::endl; } /** * 处理客户端消息 */ void handleClient(int clientSocket) { ssize_t bytesRead = read(clientSocket, buffer, sizeof(buffer) - 1); if (bytesRead == -1) { if (errno != EAGAIN && errno != EWOULDBLOCK) { perror("Error reading from client"); } return -1; }else if(bytesRead == 0){ close(clientSocket); epoll_ctl(epollFd, EPOLL_CTL_DEL, clientSocket, nullptr); std::cout << "Client Disconnected " << std::endl; return 0; } std::cout << "Received data " << bytesRead << std::endl; //回复一些数据 //write(clientSocket, buffer, len); } }; int main(int argc, char* argv[]) { int PORT = 8080; if (argc >= 2) { PORT = std::atoi(argv[1]); } TCPServer server(PORT); server.start(); return 0; }