1. epoll简介

  epoll 是Linux内核中的一种可扩展IO事件处理机制,最早在 Linux 2.5.44内核中引入,可被用于代替POSIX select 和 poll 系统调用,并且在具有大量应用程序请求时能够获得较好的性能( 此时被监视的文件描述符数目非常大,与旧的 select 和 poll 系统调用完成操作所需 O(n) 不同, epoll能在O(1)时间内完成操作,所以性能相当高),epoll 与 FreeBSD的kqueue类似,都向用户空间提供了自己的文件描述符来进行操作。

2. seletc和pool

  在linux 没有实现epoll事件驱动机制之前,我们一般选择用select或者poll等IO多路复用的方法来实现并发服务程序。在大数据、高并发、集群等一些名词唱得火热之年代,select和poll的用武之地越来越有限,风头已经被epoll占尽。

select的缺点:

(1)单个进程能够监视的文件描述符的数量存在最大限制,通常是1024,当然可以更改数量,但由于select采用轮询的方式扫描文件描述符,文件描述符数量越多,性能越差;(在linux内核头文件中,有这样的定义:#define __FD_SETSIZE    1024)

(2)内核 / 用户空间内存拷贝问题,select需要复制大量的句柄数据结构,产生巨大的开销;

(3)select返回的是含有整个句柄的数组,应用程序需要遍历整个数组才能发现哪些句柄发生了事件;

(4)select的触发方式是水平触发,应用程序如果没有完成对一个已经就绪的文件描述符进行IO操作,那么之后每次select调用还是会将这些文件描述符通知进程。

  相比select模型,poll使用链表保存文件描述符,因此没有了监视文件数量的限制,但其他三个缺点依然存在。拿select模型为例,假设我们的服务器需要支持100万的并发连接,则在__FD_SETSIZE 为1024的情况下,则我们至少需要开辟1k个进程才能实现100万的并发连接。除了进程间上下文切换的时间消耗外,从内核/用户空间大量的无脑内存拷贝、数组轮询等,是系统难以承受的。因此,基于select模型的服务器程序,要达到10万级别的并发访问,是一个很难完成的任务。因此,该epoll上场了。

3. epoll重要实现

int epoll_create(int size);

创建一个epoll的句柄,size用来告诉内核需要监听的数目一共有多大。当创建好epoll句柄后,它就是会占用一个fd值,在linux下如果查看/proc/进程id/fd/,是能够看到这个fd的,所以在使用完epoll后,必须调用close() 关闭,否则可能导致fd被耗尽。

int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

epoll的事件注册函数,第一个参数是 epoll_create() 的返回值,第二个参数表示动作,使用如下三个宏来表示:

EPOLL_CTL_ADD    //注册新的fd到epfd中;
EPOLL_CTL_MOD  //修改已经注册的fd的监听事件;
EPOLL_CTL_DEL //从epfd中删除一个fd;

第三个参数是需要监听的fd,第四个参数是告诉内核需要监听什么事,struct epoll_event 结构如下:


typedef union epoll_data
{
void *ptr;
int fd;
__uint32_t u32;
__uint64_t u64;
} epoll_data_t; struct epoll_event {
__uint32_t events; /* Epoll events */
epoll_data_t data; /* User data variable */
};

events 可以是以下几个宏的集合:

EPOLLIN     //表示对应的文件描述符可以读(包括对端SOCKET正常关闭);
EPOLLOUT    //表示对应的文件描述符可以写;
EPOLLPRI    //表示对应的文件描述符有紧急的数据可读(这里应该表示有带外数据到来);
EPOLLERR    //表示对应的文件描述符发生错误;
EPOLLHUP    //表示对应的文件描述符被挂断;
EPOLLET     //将EPOLL设为边缘触发(Edge Triggered)模式,这是相对于水平触发(Level Triggered)来说的。
EPOLLONESHOT//只监听一次事件,当监听完这次事件之后,如果还需要继续监听这个socket的话,需要再次把这个socket加入到EPOLL队列里。

当对方关闭连接(FIN), EPOLLERR,都可以认为是一种EPOLLIN事件,在read的时候分别有0,-1两个返回值。

int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);

参数events用来从内核得到事件的集合,maxevents 告之内核这个events有多大,这个 maxevents 的值不能大于创建 epoll_create() 时的size,参数 timeout 是超时时间(毫秒,0会立即返回,-1将不确定,也有说法说是永久阻塞)。该函数返回需要处理的事件数目,如返回0表示已超时。

EPOLL事件有两种模型 Level Triggered (LT) 和 Edge Triggered (ET):

LT(level triggered,水平触发模式)是缺省的工作方式,并且同时支持 block 和 non-block socket。在这种做法中,内核告诉你一个文件描述符是否就绪了,然后你可以对这个就绪的fd进行IO操作。如果你不作任何操作,内核还是会继续通知你的,所以,这种模式编程出错误可能性要小一点。

ET(edge-triggered,边缘触发模式)是高速工作方式,只支持no-block socket。在这种模式下,当描述符从未就绪变为就绪时,内核通过epoll告诉你。然后它会假设你知道文件描述符已经就绪,并且不会再为那个文件描述符发送更多的就绪通知,等到下次有新的数据进来的时候才会再次出发就绪事件。

4. epoll实现服务器和客户端通信

/*主要包含重要的头文件*/

#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h> #include<fcntl.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/wait.h> #include <iostream>
#include <string.h>
#include <exception> #include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h> // sockaddr_in, "man 7 ip" ,htons
#include <poll.h> //poll,pollfd
#include <arpa/inet.h> //inet_addr,inet_aton
#include <unistd.h> //read,write
#include <netdb.h> //gethostbyname #include <sys/epoll.h> using namespace std;

intf.h

#include "intf.h"

#include "socket.h"
#include <algorithm>
#define MAXEVENTS 64 struct MSG
{
string strBuff;
SOCKET s;
}; // 采用epoll异步机制实现服务器
int main()
{
// 创建socket
string ip = "192.168.176.131";
int port = ;
TcpSocket tcp(AF_INET, SOCK_STREAM);
tcp.Bind(ip, port);
tcp.Listen(MAXEVENTS); // 设置socket为O_NONBLOCK
int flags = fcntl(tcp.m_Sock, F_GETFL, );
if(!(flags & O_NONBLOCK))
{
flags |= O_NONBLOCK;
}
int exflags = fcntl(tcp.m_Sock, F_SETFL, );
if(exflags == -)
{
cout << "fcntl F_SETFL o_NONBLOCK faild" << endl;
return -;
}
// 创建epoll,该参数在新版本的linux中已经没有作用了
int epollftd = epoll_create(MAXEVENTS);
if(epollftd == -)
{
cout << "epoll create faild" << endl;
return -;
}
// 将服务区socket描述符添加到epoll
epoll_event event;
event.events = EPOLLIN | EPOLLET;
event.data.fd = tcp.m_Sock; int ret = epoll_ctl(epollftd, EPOLL_CTL_ADD, tcp.m_Sock, &event);
if(ret == -)
{
cout << "epoll_ctrl EPOLL_CTL_ADD faild" << endl;
return -;
} epoll_event *pEvents = (epoll_event *)calloc(MAXEVENTS, sizeof(epoll_event));
if(!pEvents)
{
cout << "calloc epoll events faild" << endl;
return -;
}
// 事件处理
while()
{
int nEventNum = epoll_wait(epollftd, pEvents, MAXEVENTS, );
for(int i = ; i < nEventNum; i ++)
{
// 新连接到来
if(pEvents[i].data.fd == tcp.m_Sock)
{
cout << "准备接收客户端的连接" << endl;
SOCKET client = tcp.Accept();
cout << "有客户端连接" << endl;
// 添加到队列中
epoll_event ev;
ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;
ev.data.fd = client;
epoll_ctl(epollftd, EPOLL_CTL_ADD, client, &ev);
}
else if(pEvents[i].events & EPOLLIN)
{
string strBuff = tcp.Recv(pEvents[i].data.fd);
cout << "接收到客户端数据:" << strBuff << endl;
if(strBuff == "EOF")
{
cout << "客户端:" << pEvents[i].data.fd << "请求断开连接" << endl;
} string strSend = "";
transform(strBuff.begin(), strBuff.end(), back_inserter(strSend), ::toupper); MSG msg;
msg.strBuff = strSend;
msg.s = pEvents[i].data.fd; epoll_event ev;
ev.data.fd = pEvents[i].data.fd;
ev.events = EPOLLOUT | EPOLLET;
ev.data.ptr = (void *)&msg;
epoll_ctl(epollftd, EPOLL_CTL_MOD, pEvents[i].data.fd, &ev);
}
else if(pEvents[i].events & EPOLLOUT)
{
MSG *pMsg = (MSG*)pEvents[i].data.ptr;
cout << "向客户端输出信息:" << pMsg->strBuff << endl;
int ret = tcp.Send(pMsg->s, pMsg->strBuff);
event.data.fd = pMsg->s;
event.events = EPOLLIN | EPOLLET;
epoll_ctl(epollftd, EPOLL_CTL_MOD, pMsg->s, &event);
}
else
{
cout << "其它的处理" << endl;
}
}
} return ;
}

epollserver.cpp

#include "intf.h"

#include "socket.h"

#define MAXEVENTS 64

struct MSG
{
string strBuff;
SOCKET s;
}; // 采用epoll异步机制实现客户端
int main()
{
// 创建socket
string ip = "192.168.176.131";
int port = ;
TcpSocket tcp(AF_INET, SOCK_STREAM);
tcp.ConnectSocket(ip, port, SOCK_CLIENT);
int pid = fork();
if(pid < )
{
cout << "创建子进程失败" << endl;
}
else if(pid == )
{
cout << "子进程创建成功,负责向服务器发送消息" << endl;
string strBuff = "";
while(getline(cin, strBuff))
{
tcp.Send(tcp.m_Sock, strBuff);
cout << "客户端发送消息:" << strBuff << endl;
if(strBuff == "EOF")
{
cout << "子进程请求断开连接" << endl;
break;
}
}
cout << "子进程断开连接" << endl;
exit();
}
else{
cout << "父进程负责接收服务器信息" << endl;
while()
{
string strBuff = tcp.Recv(tcp.m_Sock);
if(strBuff.length() > )
{
cout << "客户端接收到信息:" << strBuff << endl; if(strBuff == "EOF")
{
cout << "服务器请求断开连接" << endl;
break;
}
}
} wait(NULL);
} return ;
}

client.cpp

要了解epoll的具体实现机制可以参考:https://blog.csdn.net/shenya1314/article/details/73691088

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