一、epoll 核心函数详解
1. epoll_create/epoll_create1 - 创建 epoll 实例
c
#include <sys/epoll.h>
int epoll_create(int size); // Linux 2.6.8前需指定size（>=1），后续版本可忽略
int epoll_create1(int flags); // 推荐使用，支持flags参数
- 功能：创建一个 epoll 实例，返回文件描述符（epfd），用于管理监视的文件描述符。
- 参数：
size：旧版本需指定预分配大小（无实际作用，可设为 1）。flags：0：与epoll_create功能相同。EPOLL_CLOEXEC：使 epfd 在进程 fork 时自动关闭。
- 返回值：成功返回 epfd（非负整数），失败返回
-1并置errno。 - 示例：
c
int epfd = epoll_create1(EPOLL_CLOEXEC); // 创建带自动关闭功能的epoll实例
2. epoll_ctl - 管理监视列表
c
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
- 功能：向 epoll 实例中添加、修改或删除监视的文件描述符及其事件。
- 参数：
epfd：epoll 实例的文件描述符。op：操作类型：EPOLL_CTL_ADD：添加文件描述符fd到监视列表。EPOLL_CTL_MOD：修改fd关联的事件。EPOLL_CTL_DEL：从监视列表删除fd（event参数可置NULL）。
fd：需操作的文件描述符（如套接字）。event：指向epoll_event结构体的指针，包含监视事件和用户数据：c
struct epoll_event { uint32_t events; // 监视事件（如EPOLLIN、EPOLLOUT、EPOLLET） epoll_data_t data; // 用户数据（如fd、指针等） }; typedef union epoll_data { void *ptr; // 自定义指针 int fd; // 监视的文件描述符 uint32_t u32; // 32位整数 uint64_t u64; // 64位整数 } epoll_data_t;
- 返回值：成功返回
0，失败返回-1并置errno。 - 示例：
c
struct epoll_event event; event.events = EPOLLIN | EPOLLET; // 边缘触发模式 + 读事件 event.data.fd = sockfd; epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, sockfd, &event); // 添加套接字到监视列表
3. epoll_wait - 等待事件触发
c
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);
- 功能：阻塞等待 epoll 实例中监视的文件描述符触发事件，返回激活的事件列表。
- 参数：
epfd：epoll 实例的文件描述符。events：用于存储激活事件的结构体数组。maxevents：events数组的最大长度（需小于等于创建时的预分配值）。timeout：超时时间（ms）：-1：永久阻塞，直到事件触发。0：非阻塞，立即返回。>0：超时时间，到期后返回。
- 返回值：
>0：激活的事件数量（events中有效元素个数）。0：超时且无事件触发。-1：失败并置errno。
- 示例：
c
struct epoll_event events[1024]; int n = epoll_wait(epfd, events, sizeof(events)/sizeof(events[0]), -1); // 永久阻塞等待事件 for (int i = 0; i < n; i++) { int fd = events[i].data.fd; // 处理事件... }
二、epoll 工作原理
- 数据结构：
- 监视列表：使用红黑树存储所有监视的文件描述符，支持快速增删改查（时间复杂度 O (logN)）。
- 激活列表：使用链表或动态数组存储当前触发事件的文件描述符，避免遍历整个红黑树。
- 事件触发流程：
- 通过
epoll_ctl将文件描述符添加到红黑树（监视列表）。 - 内核监听文件描述符状态，当事件（如可读、可写）发生时，将其加入激活列表。
epoll_wait返回激活列表中的事件，用户空间处理后，激活列表清空。
- 通过
三、LT（水平触发）与 ET（边缘触发）模式对比
| 特性 | LT（水平触发） | ET（边缘触发） |
|---|---|---|
| 触发条件 | 只要内核缓冲区有数据未读 / 未写，就持续触发事件。 | 仅在状态变化时触发一次事件（如数据从无到有）。 |
| 读操作 | 允许分多次读取，剩余数据会再次触发事件。 | 必须一次性读完所有数据（需配合非阻塞 I/O），否则剩余数据不再触发。 |
| 写操作 | 只要内核缓冲区有空间，就持续触发可写事件。 | 仅在缓冲区由满变空时触发一次可写事件。 |
| 编程复杂度 | 低，类似 select/poll，无需处理非阻塞。 | 高，必须使用非阻塞 I/O，避免阻塞导致事件丢失。 |
| 适用场景 | 简单场景、低速设备或不确定数据量的场景。 | 高并发、高速数据传输场景（如 Web 服务器、实时通信）。 |
- 示例配置：
c
// LT模式（默认，无需指定EPOLLET） event.events = EPOLLIN; // ET模式（需显式指定EPOLLET） event.events = EPOLLIN | EPOLLET;
四、select/poll/epoll 对比（面试重点）
| 特性 | select | poll | epoll |
|---|---|---|---|
| 数据结构 | 位图（数组），最大连接数受限于FD_SETSIZE（默认 1024）。 | 结构体数组，理论无连接数限制（仅受内存限制）。 | 红黑树 + 激活列表，支持上万级连接（如 10,000+）。 |
| 内核遍历方式 | 每次调用遍历所有监视的文件描述符（O (n)）。 | 每次调用遍历所有监视的文件描述符（O (n)）。 | 仅遍历激活列表中的文件描述符（O (1)~O (k)，k 为激活数）。 |
| 用户态 / 内核态数据拷贝 | 每次select需拷贝全量文件描述符到内核。 | 每次poll需拷贝全量文件描述符到内核。 | 仅在epoll_ctl时更新红黑树，epoll_wait无需拷贝。 |
| 触发模式 | 仅支持 LT 模式。 | 仅支持 LT 模式。 | 支持 LT 和 ET 模式。 |
| 跨平台性 | 支持（Linux/Windows/macOS）。 | 支持（Linux/UNIX）。 | 仅 Linux 支持。 |
| 适用场景 | 低并发、跨平台场景（如嵌入式）。 | 中等并发场景。 | 高并发、Linux 服务器场景（如 Nginx、Redis）。 |
五、epoll 服务器示例代码关键点（C 语言）
c
// 1. 创建epoll实例并设置监听套接字为非阻塞
int epfd = epoll_create1(EPOLL_CLOEXEC);
set_nonblocking(listen_fd); // 自定义函数，通过fcntl设置O_NONBLOCK
// 2. 注册监听套接字到epoll（ET模式）
struct epoll_event event = {
.events = EPOLLIN | EPOLLET,
.data = {.fd = listen_fd}
};
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, listen_fd, &event);
// 3. 处理新连接（ET模式下需循环accept直到EAGAIN）
if (fd == listen_fd) {
while (1) {
int connfd = accept(listen_fd, &cliaddr, &addrlen);
if (connfd == -1) {
if (errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK) break; // 无新连接
perror("accept");
exit(EXIT_FAILURE);
}
set_nonblocking(connfd); // 客户端套接字也需设为非阻塞
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, connfd, &event); // 注册读事件（ET模式）
}
}
// 4. 处理读事件（ET模式下需循环recv直到EAGAIN）
else {
char buf[BUFFER_SIZE];
while (1) {
ssize_t n = recv(fd, buf, sizeof(buf), 0);
if (n == -1) {
if (errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK) break; // 数据读完
perror("recv");
close(fd);
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, fd, NULL);
break;
} else if (n == 0) { // 客户端关闭连接
close(fd);
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, fd, NULL);
break;
}
// 处理数据...
}
}
六、总结
- epoll 优势：
- 高并发：基于红黑树和激活列表，适合管理上万级连接。
- 高性能：事件通知复杂度 O (1)，减少 CPU 消耗。
- 灵活性：支持 LT/ET 模式，适配不同场景。
- 使用建议：
- 高并发服务器首选 epoll，配合 ET 模式和非阻塞 I/O。
- 简单场景或跨平台需求使用 select/poll。
- 注意设置文件描述符非阻塞，避免 ET 模式下的数据丢失。
