IO复用：epoll
一、epoll含义
epoll 是 Linux 特有的高性能 I/O 事件通知机制，主要用来替代传统的 select/poll，尤其在连接数非常多时性能优势极其明显，被几乎所有高并发网络服务器广泛使用。
二、为什么需要epoll?
| 机制 | 最大描述符数限制 | 每次调用时间复杂度 | 是否需要每次都拷贝 fd 集合到内核 | 返回后是否需要遍历全部 fd |
|---|---|---|---|---|
| select | 通常 1024（可改） | O(n) | 是（fd_set 拷贝） | 是（O(n) 轮询） |
| poll | 无硬性限制 | O(n) | 是（pollfd 数组拷贝） | 是（O(n) 轮询） |
| epoll | 无硬性限制 | O(1) 注册，O(k) 等待（k 为就绪事件数） | 只需要注册一次 | 只需要遍历就绪的 k 个 |
三、epoll的三种核心系统调用
// 1. 创建一个 epoll 实例（返回一个 epoll 文件描述符） int epoll_create(int size); // size 只是提示，内核现在忽略它 int epoll_create1(int flags); // 推荐使用，flags 可设 EPOLL_CLOEXEC // 2. 往 epoll 实例中添加/修改/删除感兴趣的文件描述符和事件 int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event); op 可取值： EPOLL_CTL_ADD // 注册 EPOLL_CTL_MOD // 修改已注册 fd 的事件 EPOLL_CTL_DEL // 删除（event 可为 NULL） struct epoll_event { uint32_t events; // 要监听的事件位掩码 epoll_data_t data; // 用户自定义数据 }; typedef union epoll_data { void *ptr; int fd; uint32_t u32; uint64_t u64; } epoll_data_t; // 常用 events 标志（可 | 组合） EPOLLIN // 可读（包括对端正常关闭） EPOLLOUT // 可写 EPOLLERR // 错误 EPOLLHUP // 挂起（对端异常关闭） EPOLLRDHUP // 半关闭（对端 shutdown WR 或关闭，Linux 2.6.17+） EPOLLPRI // 带外数据 EPOLLONESHOT // 一旦触发后自动禁用，需重新 EPOLL_CTL_MOD 启用（防惊群） EPOLLET // 边缘触发 Edge Triggered（关键！默认是水平触发 LT） // 3. 等待事件发生（类似 select） int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout); // timeout: -1 永久阻塞，0 立即返回，>0 毫秒 // 返回值：就绪的事件个数（0 表示超时）四、两种工作模式
| 特性 | 水平触发 LT（默认） | 边缘触发 ET（需显式设置 EPOLLET） |
|---|---|---|
| 触发条件 | 只要缓冲区还有数据可读/可写就会一直通知 | 只有在状态变化时才通知一次（比如从不可读→可读） |
| 是否需要读完所有数据 | 不需要，读一部分下次还会再通知 | 必须一次读完（用非阻塞 + 循环读到 EAGAIN 为止） |
| 编程难度 | 简单，和 select/poll 几乎一样 | 复杂，容易漏事件，必须配合非阻塞 I/O |
| 性能 | 稍低（可能产生更多系统调用） | 更高（系统调用次数最少） |
| 典型使用场景 | 初学者、逻辑简单、少量连接 | 高并发服务器（Nginx、Redis 都是 ET 模式） |
ET 模式必备技巧：
把 socket 设置为非阻塞（fcntl(fd, F_SETFL, O_NONBLOCK)）
读时循环 read/recv 直到返回 EAGAIN
写时同理（通常只有在 write 返回 EAGAIN 时才关注 EPOLLOUT）
五、高并发tcp服务器
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> #include <string.h> #include <sys/epoll.h> #include <sys/socket.h> #include <netinet/in.h> #include <arpa/inet.h> #include <fcntl.h> #include <errno.h> #define MAXFD 10 int socket_init(); void setnonblock(int fd) { int oldfl = fcntl(fd,F_GETFL); int newfl = oldfl | O_NONBLOCK; if( fcntl(fd,F_SETFL,newfl) == -1) { printf("fcntl err\n"); } } void epoll_add(int epfd, int fd) { struct epoll_event ev; ev.data.fd = fd; ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;//开启ET模式 setnonblock(fd);//设置非阻塞 if( epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,fd,&ev) == -1) { printf("epoll add err\n"); } } void epoll_del(int epfd, int fd) { if( epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_DEL,fd,NULL) == -1) { printf("epoll del err\n"); } } void accept_client(int sockfd,int epfd) { int c = accept(sockfd,NULL,NULL); if( c < 0 ) { return; } printf("accept c=%d\n",c); epoll_add(epfd,c);//把新接受的连接添加到内核事件表(红黑树) } void recv_data(int c,int epfd) { while( 1 ) { char buff[128] = {0}; int n = recv(c,buff,1,0); if( n == -1 ) { if( errno != EAGAIN && errno != EWOULDBLOCK ) { printf("recv err"); } else { send(c,"ok",2,0); } break; } else if( n == 0 ) { epoll_del(epfd,c); close(c); printf("client close\n"); break; } else { printf("buff=%s\n",buff); } } } int main() { int sockfd = socket_init(); if( sockfd == -1) { exit(1); } int epfd = epoll_create(MAXFD);//创建内核事件表（收集描述符） 红黑树 if( epfd == -1) { exit(1); } epoll_add(epfd,sockfd);//将监听套接字sockfd添加到内核事件表 struct epoll_event evs[MAXFD];//存放就绪描述符 while(1) { int n = epoll_wait(epfd,evs,MAXFD,5000);//获取就绪描述符 可能阻塞 printf("------wait----\n"); if( n == -1 ) { printf("epoll err\n"); } else if ( n == 0 ) { printf("time out\n"); } else { for(int i = 0; i < n; i++) { int fd = evs[i].data.fd; if( evs[i].events & EPOLLIN) { if( fd == sockfd ) { accept_client(sockfd,epfd); } else { recv_data(fd,epfd); } } //if( evs[i].events & EPOLLOUT) } } } } int socket_init() { int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); if (sockfd == -1) { return -1; } struct sockaddr_in saddr; memset(&saddr, 0, sizeof(saddr)); saddr.sin_family = AF_INET; saddr.sin_port = htons(6000); saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1"); int res = bind(sockfd, (struct sockaddr *)&saddr, sizeof(saddr)); if (res == -1) { printf("bind err\n"); return -1; } res = listen(sockfd, 5); if (res == -1) { return -1; } return sockfd; }六、epoll内部
红黑树：管理所有被监听的 fd（epoll_ctl 的 O(log n) → 实际几乎 O(1)）
rdlist（就绪链表）：双向链表，存放已经就绪的 fd，epoll_wait 直接返回这个链表（O(1)）
回调机制：当 fd 状态变化时，内核调用 ep_insert 把 fd 插入 rdlist（这就是为什么 ET 只需要通知一次）
七、总结
时间复杂度优秀
select/poll：每次调用都需要把整个关注的文件描述符集合（fd set）从用户态拷贝到内核态，并且内核需要线性扫描整个集合来找出哪些 fd 就绪，时间复杂度是 O(n)。
epoll：只需要在初次注册兴趣事件时（epoll_ctl）拷贝一次，之后每次 epoll_wait 调用时，内核直接返回已经就绪的事件列表，时间复杂度接近 O(1)（实际上是 O(就绪事件数量)），不需要再扫描全部 fd。
文件描述符数量限制极高
select：受限于 FD_SETSIZE（通常是 1024），并且 fd 必须是低位编号。
poll：理论上没有 fd 个数限制，但内部用数组线性存储，fd 越多内存和扫描开销越大。
epoll：使用红黑树 + 就绪链表（或回调）结构管理关注的 fd，单个 epoll 实例可以轻松支持数十万甚至上百万个连接（只受系统内存和 max user watches 限制）。
无需每次都重新传入感兴趣的 fd 集合
select/poll：每次调用都要把整个 fd 集合和感兴趣的事件重新传给内核（即使大部分都没变化）。
epoll：通过 epoll_ctl 一次性注册/修改/删除感兴趣的事件，后续 epoll_wait 只负责取结果，极大减少系统调用和数据拷贝开销。
支持两种高效触发模式
水平触发（LT）：默认模式，只要 fd 可读/可写就会一直通知，和 poll 行为类似，适合大多数场景。
边缘触发（ET）：只有状态发生变化时才通知一次，能极大减少事件通知次数（高并发服务器常用），配合非阻塞 I/O 可以达到最高性能。
事件就绪通知机制更高效（内核回调 + 链表）
当某个 fd 就绪时，内核会直接把它挂到 epoll 实例的就绪链表（rdlist）上，epoll_wait 只需要把这条链表 splice 到用户空间即可，几乎没有额外开销。
支持 EPOLLONESHOT 和线程安全
EPOLLONESHOT：可以让某个 fd 在被某个线程处理后自动禁用，避免多个线程同时处理同一个 socket 的“惊群”问题。
多个线程/进程可以安全地对同一个 epoll 实例调用 epoll_wait（底层用了 mutex + wait queue）。
内存拷贝开销极低
select/poll 每次都要把几千甚至几万个 fd 的 bitmap/数组拷贝来拷贝去，而 epoll 只需要在注册时拷贝一次 struct epoll_event，之后只拷贝真正就绪的那几个。