Linux Epoll 编程：高效I/O事件通知机制
Linux 系统中的 I/O 多路复用技术允许程序同时监控多个文件描述符（File Descriptor，FD），并在其中某个或多个 FD 就绪时进行相应的操作，相较于传统的 select 和 poll，epoll 凭借其高效的性能和灵活的设计，在高并发服务器开发中得到了广泛应用，本文将深入探讨 epoll 的核心原理、使用方法及其在实践中的注意事项。
Epoll 与传统 I/O 多路复技术的对比
早期的 select 和 poll 存在明显的性能瓶颈，select 的最大文件描述符数量受限（通常为 1024），且每次调用都需要遍历整个 FD 集合，时间复杂度为 O(n)，poll 虽然通过链表解决了 FD 数量限制的问题，但仍需线性扫描所有 FD，效率低下。
Epoll 通过红黑树管理监控的 FD，并采用回调机制就绪的 FD，避免了重复扫描，其时间复杂度为 O(1)，尤其适合处理大量并发连接的场景，epoll 支持 ET（Edge Triggered，边缘触发）和 LT（Level Triggered，水平触发）两种模式，进一步提升了灵活性。
Epoll 的核心数据结构
Epoll 主要依赖三个系统调用：epoll_create、epoll_ctl 和 epoll_wait。
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epoll_create
用于创建一个 epoll 实例，返回一个代表该实例的 FD，内核会在该实例中维护一个红黑树，用于存储被监控的 FD，以及一个双向链表，用于存放就绪的 FD。 -
epoll_ctl
用于对 epoll 实例进行操作，包括添加、修改和删除监控的 FD。epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, listen_fd, &event);
event是struct epoll_event类型，包含监控的事件类型（如EPOLLIN、EPOLLOUT）以及用户数据。 -
epoll_wait
用于等待就绪的 FD，类似于 select 的轮询机制，但仅返回就绪的 FD，无需遍历整个集合，其超时参数允许程序设置阻塞时间，避免 CPU 空转。
Epoll 的工作模式
Epoll 提供两种触发模式，合理选择模式对性能至关重要。
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LT（Level Triggered，水平触发）
默认模式，只要 FD 处于就绪状态，每次调用epoll_wait都会返回该 FD，程序可以安全地分批次处理数据，适合大多数场景，当 socket 可读时，即使只读取部分数据，下次epoll_wait仍会返回该 FD。 -
ET（Edge Triggered，边缘触发）
仅当 FD 状态发生变化时（如从不可读到可读），epoll_wait才会返回该 FD，程序必须一次性读取或写入所有数据，否则可能导致数据丢失，ET 模式减少了epoll_wait的调用次数，但编程复杂度较高，需配合非阻塞 I/O 使用。
Epoll 编程实践步骤
以一个简单的 echo 服务器为例，展示 epoll 的基本用法：
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创建 socket 并绑定端口
使用socket创建监听 socket，bind绑定 IP 和端口，listen设置监听队列。 -
创建 epoll 实例并添加监听 FD
int epfd = epoll_create(1); struct epoll_event event; event.events = EPOLLIN; event.data.fd = listen_fd; epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, listen_fd, &event);
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循环等待事件
while (1) { struct epoll_event events[MAX_EVENTS]; int n = epoll_wait(epfd, events, MAX_EVENTS, -1); for (int i = 0; i < n; i++) { if (events[i].data.fd == listen_fd) { // 新连接 int client_fd = accept(listen_fd, NULL, NULL); setnonblocking(client_fd); struct epoll_event client_event; client_event.events = EPOLLIN | EPOLLET; // ET 模式 client_event.data.fd = client_fd; epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, client_fd, &client_event); } else if (events[i].events & EPOLLIN) { // 可读事件 char buf[1024]; int len = read(events[i].data.fd, buf, sizeof(buf)); if (len <= 0) { close(events[i].data.fd); epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, events[i].data.fd, NULL); } else { write(events[i].data.fd, buf, len); } } } } -
设置非阻塞 I/O
在 ET 模式下，必须将 socket 设置为非阻塞模式，避免因数据未完全读取而导致阻塞。
Epoll 的注意事项
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线程安全
Epoll 本身是线程安全的，但多个线程同时操作同一个 epoll 实例时需加锁，避免竞争条件。 -
FD 的生命周期管理
关闭 FD 前，务必通过epoll_ctl从 epoll 实例中移除，否则可能导致内存泄漏或程序异常。 -
惊群问题
在 Linux 2.6 之后，accept系统调用已解决惊群问题，但早期版本需通过EPOLLEXCLUSIVE标志位避免多个进程被唤醒。
Epoll 作为 Linux 高性能网络编程的核心技术，通过高效的事件通知机制和灵活的触发模式，显著提升了服务器的并发处理能力，掌握 epoll 的原理和使用方法，对于开发高并发、低延迟的网络应用至关重要，在实际开发中，需根据场景选择合适的触发模式，并注意 FD 的生命周期管理和线程安全问题,以确保程序的稳定性和高效性。
