Linux C++ 网络编程学习系列（4）——多路IO之epoll基础

epoll实现多路IO

1. 源码地址：https://github.com/whuwzp/linuxc/tree/master/epoll
2. 源码说明：
   • server.cpp: 监听127.1:6666，功能是将收到的小写转大写
   • include/wrap.cpp: 封装的一些socket基本操作，加了基本的错误处理
   • client.cpp: 客户端, 地址在: https://github.com/whuwzp/linuxc/tree/master/simple_cs/client/

1. 概要

int epoll_create(int size);
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events,
               int maxevents, int timeout);

 typedef union epoll_data { //联合结构体,占用同一个内存空间,同一时间只有一个有效
    void    *ptr; //指针,可以指向任何对象,在后面会介绍指向结构体
    int      fd; //文件描述符
    uint32_t u32;
    uint64_t u64;
} epoll_data_t;

struct epoll_event {
    uint32_t     events;    /* Epoll events */ //监听的事件,如EPOLLIN
    epoll_data_t data;      /* User data variable */ // 其他数据部分,这个是我们可以设定的,因为epoll_wait返回时会把这个结构体返回到events中,我们就可获取有信号的属性了
};

1.1 epoll_create

epfd = epoll_create(FD_SETSIZE); //返回文件描述符epfd,是红黑树的根节点

1.2 epoll_ctl

//增加节点
evt.data.fd = fd_client;//这里的联合体选择了int fd
evt.events  = EPOLLIN;
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, fd_client, &evt);
//删除节点
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, evts[i].data.fd, nullptr);

增加节点: 是把fd_client文件描述符添加到epfd的红黑树中,同时附带自己的属性,即epoll_event类型的结构体(这个结构体在epoll_wait后会复制到events数组中,这样返回时就可以获取有信号的fd的属性了)

删除节点: 从树中移除

1.3 epoll_wait

nselect = epoll_wait(epfd, evts, FD_SETSIZE, -1);

epfd: 输入,待监听的红黑树

evts: 输出,数组中的元素类型是epoll_event,当fd==n的文件描述符有信号时,会把fd的属性(详见epoll_ctl, 也是epoll_event类型)拷贝到evts中,这样后续我们就可以访问evts[i].data.xxx和evts[i].events来获取我们之前设定的数据

1.4 原理

1. 树中每个节点是fd,每个fd映射着一个epoll_event类型的结构体,像属性一样(epoll_ctl添加节点时自定义的)
2. epoll_wait监听各个节点,有信号的话,就把它的属性(epoll_event)拷贝到evts中,返回后,就可以通过evts[i].data.xxx得到映射的数据
3. 如果联合体选择fd, 即evts[i].data.fd,我们就相当于直接获取了fd,可以直接read,write.
4. 后面的epoll_libevent我们会用ptr指向自定义的结构体

1.5 优势劣势

一定先epoll实现,epoll是poll的改进版,有以下不同:

1. 结果返回（判断是否有信号）
   • poll：需要轮询数组中的每个元素，看看是不是有信号，用fds[0].revents & POLLIN
   • epoll：一个数组evts专门存放有信号的节点的属性

2. 核心代码

#include "include/wrap.h"
#include <arpa/inet.h>
#include <ctype.h>
#include <errno.h>
#include <netinet/in.h>
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdnoreturn.h>
#include <string.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <sys/select.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h> /* See NOTES */
#include <unistd.h>
#include <wait.h>
#define LOCALIP "127.0.0.1"
#define PORT 6666

void handler(char *in, char *out) {
    for (int i = 0; i < (int)strlen(out) + 1; ++i) {
        out[i] = toupper(in[i]);
    }
}

int workthread(const int &fd_client) {
    char recvbuf[2048] = {0};
    char sendbuf[2048] = {0};
    int  ret           = 0;

    ret = (int)Read(fd_client, recvbuf, 2048);
    if (ret <= 0) {
        printf("ret==0\n");
        return ret;
    }

    handler(recvbuf, sendbuf);

    ret = (int)Write(fd_client, sendbuf, strlen(sendbuf) + 1);
    return ret;
}

void startsock(int &fd, struct sockaddr_in &addr, const char *ip,
               const int port) {
    fd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    memset(&addr, 0, sizeof(addr));
    addr.sin_family      = AF_INET;
    addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip);
    addr.sin_port        = htons(port);
}
int main() {
    int                fd_server = 0;
    int                fd_client = 0;
    int                ret       = 0;
    struct sockaddr_in sock_client;
    struct sockaddr_in sock_server;
    socklen_t          client_len = (socklen_t)sizeof(sock_client);
    int                opt        = 0;
    int                epfd       = 0;
    int                nselect    = 0;
    int                i          = 0;
    struct epoll_event evts[FD_SETSIZE];
    struct epoll_event evt;
    startsock(fd_server, sock_server, LOCALIP, PORT);
    opt = 1;
    Setsockopt(fd_server, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt,
               (socklen_t)sizeof(opt));
    Bind(fd_server, (struct sockaddr *)&sock_server, sizeof(sock_server));
    Listen(fd_server, 5);
    epfd = epoll_create(FD_SETSIZE);
    if (epfd == -1) { perror_exit("epoll create failed"); }

    evt.events  = EPOLLIN;
    evt.data.fd = fd_server;
    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, fd_server, &evt);

    while (true) {
        printf("epolling...\n");
        nselect = epoll_wait(epfd, evts, FD_SETSIZE, -1);
        printf("get %d select\n", nselect);
        for (i = 0; i < nselect; ++i) {
            if (!(evts[i].events && EPOLLIN)) continue;
            if (evts[i].data.fd == fd_server) {//直接拿到fd_server
                fd_client = Accept(fd_server, (struct sockaddr *)&sock_client,
                                   &client_len);
                printf("accept: %s: %d\n", inet_ntoa(sock_client.sin_addr),
                       ntohs(sock_client.sin_port));
                evt.data.fd = fd_client;
                evt.events  = EPOLLIN;
                epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, fd_client, &evt);
            } else {
                ret = workthread(evts[i].data.fd);//通过data.fd获取fd
                if (ret <= 0) {
                    Close(evts[i].data.fd);
                    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, evts[i].data.fd, nullptr);
                }
            }
        }
	}
    Close(fd_server);
}

3. 参考网址

1. https://www.bilibili.com/video/av53016117
2. EPOLLOUT的用处：https://www.zhihu.com/question/22840801 https://github.com/yedf/handy
   
   write: 不停地写数据，因为EPOLLOUT是只要缓冲区未满，就会有信号