IO多路複用之epoll使用

IO多路複用之epoll

1、基礎

　　epoll是在2.6內核中提出的，是以前的select和poll的加強版本。相對於select和poll來講，epoll更加靈活，沒有描述符限制。epoll使用一個文件描述符管理多個描述符，將用戶關係的文件描述符的事件存放到內核的一個事件表中，採用了mmap機制減小內存拷貝。epoll完善了select，poll的不足之處，能支撐百萬句柄的鏈接，但若是在少許鏈接狀況下，性能並不必定比poll或select好。

2、API

#include <sys/epoll.h>

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);

（1） int epoll_create(int size);
　　建立一個epoll的句柄，size用來告訴內核這個監聽的數目一共有多大。這個參數不一樣於select()中的第一個參數，給出最大監聽的fd+1的值。須要注意的是，當建立好epoll句柄後，它就是會佔用一個fd值，在linux下若是查看/proc/進程id/fd/，是可以看到這個fd的，因此在使用完epoll後，必須調用close()關閉，不然可能致使fd被耗盡。

（2）int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
　　epoll的事件註冊函數，它不一樣與select()是在監聽事件時告訴內核要監聽什麼類型的事件epoll的事件註冊函數，它不一樣與select()是在監聽事件時告訴內核要監聽什麼類型的事件，而是在這裏先註冊要監聽的事件類型。第一個參數是epoll_create()的返回值，第二個參數表示動做，用三個宏來表示：
EPOLL_CTL_ADD：註冊新的fd到epfd中；
EPOLL_CTL_MOD：修改已經註冊的fd的監聽事件；
EPOLL_CTL_DEL：從epfd中刪除一個fd；
第三個參數是須要監聽的fd，第四個參數是告訴內核須要監聽什麼事，struct epoll_event結構以下：

struct epoll_event {

  __uint32_t events;  /* Epoll events */

  epoll_data_t data;  /* User data variable */

};

events能夠是如下幾個宏的集合：
EPOLLIN ：表示對應的文件描述符能夠讀（包括對端SOCKET正常關閉）；
EPOLLOUT：表示對應的文件描述符能夠寫；
EPOLLPRI：表示對應的文件描述符有緊急的數據可讀（這裏應該表示有帶外數據到來）；
EPOLLERR：表示對應的文件描述符發生錯誤；
EPOLLHUP：表示對應的文件描述符被掛斷；
EPOLLET： 將EPOLL設爲邊緣觸發(Edge Triggered)模式，這是相對於水平觸發(Level Triggered)來講的，fd默認是使用LT模式。
EPOLLONESHOT：只監聽一次事件，當監聽完此次事件以後，若是還須要繼續監聽這個socket的話，須要再次把這個socket加入到EPOLL隊列裏

（3） int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);
　　等待事件的產生，相似於select()調用。參數events用來從內核獲得事件的集合，maxevents告以內核這個events有多大，這個maxevents的值不能大於建立epoll_create()時的size，參數timeout是超時時間（毫秒，0會當即返回，-1將不肯定，也有說法說是永久阻塞）。該函數返回須要處理的事件數目，如返回0表示已超時。

3、工做模式

　　epoll對文件描述符的操做有兩種模式：LT（level trigger）和ET（edge trigger）。LT模式是默認模式，LT模式與ET模式的區別以下：

　　LT模式：當epoll_wait檢測到描述符事件發生並將此事件通知應用程序，應用程序能夠不當即處理該事件。下次調用epoll_wait時，會再次響應應用程序並通知此事件。

　　ET模式：當epoll_wait檢測到描述符事件發生並將此事件通知應用程序，應用程序必須當即處理該事件。若是不處理，下次調用epoll_wait時，不會再次響應應用程序並通知此事件。且須要用一次性讀取或寫入全部數據，即調用read，write，accept時須要循環處理。

　　ET模式在很大程度上減小了epoll事件被重複觸發的次數，所以效率要比LT模式高。epoll工做在ET模式的時候，必須使用非阻塞套接口，以免因爲一個文件句柄的阻塞讀/阻塞寫操做把處理多個文件描述符的任務餓死。

　　ET模式關於EPOLLIN與EPOLLOUT事件觸發問題：

EPOLLOUT事件：
EPOLLOUT事件只有在鏈接時觸發一次，表示可寫，其餘時候想要觸發，那你要先準備好下面條件：
1.某次write，寫滿了發送緩衝區，返回錯誤碼爲EAGAIN。
2.對端讀取了一些數據，又從新可寫了，此時會觸發EPOLLOUT。
簡單地說：EPOLLOUT事件只有在不可寫到可寫的轉變時刻，纔會觸發一次，因此叫邊緣觸發，這叫法沒錯的！

其實，若是你真的想強制觸發一次，也是有辦法的，直接調用epoll_ctl從新設置一下event就能夠了，event跟原來的設置如出一轍都行（但必須包含EPOLLOUT），關鍵是從新設置，就會立刻觸發一次EPOLLOUT事件。

EPOLLIN事件：
EPOLLIN事件則只有當對端有數據寫入時纔會觸發，因此觸發一次後須要不斷讀取全部數據直到讀完EAGAIN爲止。不然剩下的數據只有在下次對端有寫入時才能一塊兒取出來了。
PS：epoll必需要求異步socket，若是同步socket，並且要求讀完全部數據，那麼最終就會在堵死在阻塞裏

4、測試程序

　（1）服務器demo，採用LT模式

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <string.h>

#include <errno.h>

 

#include <netinet/in.h>

#include <sys/socket.h>

#include <arpa/inet.h>

#include <sys/epoll.h>

#include <unistd.h>

#include <sys/types.h>

 

#define IPADDRESS   "127.0.0.1"

#define PORT        8787

#define MAXSIZE     1024

#define LISTENQ     5

#define FDSIZE      1000

#define EPOLLEVENTS 100

 

//函數聲明

//建立套接字並進行綁定

static int socket_bind(const char* ip,int port);

//IO多路複用epoll

static void do_epoll(int listenfd);

//事件處理函數

static void

handle_events(int epollfd,struct epoll_event *events,int num,int listenfd,char *buf);

//處理接收到的鏈接

static void handle_accpet(int epollfd,int listenfd);

//讀處理

static void do_read(int epollfd,int fd,char *buf);

//寫處理

static void do_write(int epollfd,int fd,char *buf);

//添加事件

static void add_event(int epollfd,int fd,int state);

//修改事件

static void modify_event(int epollfd,int fd,int state);

//刪除事件

static void delete_event(int epollfd,int fd,int state);

 

int main(int argc,char *argv[])

{

    int  listenfd;

    listenfd = socket_bind(IPADDRESS,PORT);

    listen(listenfd,LISTENQ);

    do_epoll(listenfd);

    return 0;

}

 

static int socket_bind(const char* ip,int port)

{

    int  listenfd;

    struct sockaddr_in servaddr;

    listenfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);

    if (listenfd == -1)

    {

        perror("socket error:");

        exit(1);

    }

    bzero(&servaddr,sizeof(servaddr));

    servaddr.sin_family = AF_INET;

    inet_pton(AF_INET,ip,&servaddr.sin_addr);

    servaddr.sin_port = htons(port);

    if (bind(listenfd,(struct sockaddr*)&servaddr,sizeof(servaddr)) == -1)

    {

        perror("bind error: ");

        exit(1);

    }

    return listenfd;

}

 

static void do_epoll(int listenfd)

{

    int epollfd;

    struct epoll_event events[EPOLLEVENTS];

    int ret;

    char buf[MAXSIZE];

    memset(buf,0,MAXSIZE);

    //建立一個描述符

    epollfd = epoll_create(FDSIZE);

    //添加監聽描述符事件

    add_event(epollfd,listenfd,EPOLLIN);

    for ( ; ; )

    {

        //獲取已經準備好的描述符事件

        ret = epoll_wait(epollfd,events,EPOLLEVENTS,-1);

        handle_events(epollfd,events,ret,listenfd,buf);

    }

    close(epollfd);

}

 

static void

handle_events(int epollfd,struct epoll_event *events,int num,int listenfd,char *buf)

{

    int i;

    int fd;

    //進行選好遍歷

    for (i = 0;i < num;i++)

    {

        fd = events[i].data.fd;

        //根據描述符的類型和事件類型進行處理

        if ((fd == listenfd) &&(events[i].events & EPOLLIN))

            handle_accpet(epollfd,listenfd);

        else if (events[i].events & EPOLLIN)

            do_read(epollfd,fd,buf);

        else if (events[i].events & EPOLLOUT)

            do_write(epollfd,fd,buf);

    }

}

static void handle_accpet(int epollfd,int listenfd)

{

    int clifd;

    struct sockaddr_in cliaddr;

    socklen_t  cliaddrlen;

    clifd = accept(listenfd,(struct sockaddr*)&cliaddr,&cliaddrlen);

    if (clifd == -1)

        perror("accpet error:");

    else

    {

        printf("accept a new client: %s:%d\n",inet_ntoa(cliaddr.sin_addr),cliaddr.sin_port);

        //添加一個客戶描述符和事件

        add_event(epollfd,clifd,EPOLLIN);

    }

}

 

static void do_read(int epollfd,int fd,char *buf)

{

    int nread;

    nread = read(fd,buf,MAXSIZE);

    if (nread == -1)

    {

        perror("read error:");

        close(fd);

        delete_event(epollfd,fd,EPOLLIN);

    }

    else if (nread == 0)

    {

        fprintf(stderr,"client close.\n");

        close(fd);

        delete_event(epollfd,fd,EPOLLIN);

    }

    else

    {

        printf("read message is : %s",buf);

        //修改描述符對應的事件，由讀改成寫

        modify_event(epollfd,fd,EPOLLOUT);

    }

}

 

static void do_write(int epollfd,int fd,char *buf)

{

    int nwrite;

    nwrite = write(fd,buf,strlen(buf));

    if (nwrite == -1)

    {

        perror("write error:");

        close(fd);

        delete_event(epollfd,fd,EPOLLOUT);

    }

    else

        modify_event(epollfd,fd,EPOLLIN);

    memset(buf,0,MAXSIZE);

}

 

static void add_event(int epollfd,int fd,int state)

{

    struct epoll_event ev;

    ev.events = state;

    ev.data.fd = fd;

    epoll_ctl(epollfd,EPOLL_CTL_ADD,fd,&ev);

}

 

static void delete_event(int epollfd,int fd,int state)

{

    struct epoll_event ev;

    ev.events = state;

    ev.data.fd = fd;

    epoll_ctl(epollfd,EPOLL_CTL_DEL,fd,&ev);

}

 

static void modify_event(int epollfd,int fd,int state)

{

    struct epoll_event ev;

    ev.events = state;

    ev.data.fd = fd;

    epoll_ctl(epollfd,EPOLL_CTL_MOD,fd,&ev);

}

（2）客戶端demo，也用epoll實現，控制STDIN_FILENO、STDOUT_FILENO、和sockfd三個描述符

#include <netinet/in.h>

#include <sys/socket.h>

#include <stdio.h>

#include <string.h>

#include <stdlib.h>

#include <sys/epoll.h>

#include <time.h>

#include <unistd.h>

#include <sys/types.h>

#include <arpa/inet.h>

 

#define MAXSIZE     1024

#define IPADDRESS   "127.0.0.1"

#define SERV_PORT   8787

#define FDSIZE        1024

#define EPOLLEVENTS 20

 

static void handle_connection(int sockfd);

static void

handle_events(int epollfd,struct epoll_event *events,int num,int sockfd,char *buf);

static void do_read(int epollfd,int fd,int sockfd,char *buf);

static void do_read(int epollfd,int fd,int sockfd,char *buf);

static void do_write(int epollfd,int fd,int sockfd,char *buf);

static void add_event(int epollfd,int fd,int state);

static void delete_event(int epollfd,int fd,int state);

static void modify_event(int epollfd,int fd,int state);

 

int main(int argc,char *argv[])

{

    int                 sockfd;

    struct sockaddr_in  servaddr;

    sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);

    bzero(&servaddr,sizeof(servaddr));

    servaddr.sin_family = AF_INET;

    servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);

    inet_pton(AF_INET,IPADDRESS,&servaddr.sin_addr);

    connect(sockfd,(struct sockaddr*)&servaddr,sizeof(servaddr));

    //處理鏈接

    handle_connection(sockfd);

    close(sockfd);

    return 0;

}

 

 

static void handle_connection(int sockfd)

{

    int epollfd;

    struct epoll_event events[EPOLLEVENTS];

    char buf[MAXSIZE];

    int ret;

    epollfd = epoll_create(FDSIZE);

    add_event(epollfd,STDIN_FILENO,EPOLLIN);

    for ( ; ; )

    {

        ret = epoll_wait(epollfd,events,EPOLLEVENTS,-1);

        handle_events(epollfd,events,ret,sockfd,buf);

    }

    close(epollfd);

}

 

static void

handle_events(int epollfd,struct epoll_event *events,int num,int sockfd,char *buf)

{

    int fd;

    int i;

    for (i = 0;i < num;i++)

    {

        fd = events[i].data.fd;

        if (events[i].events & EPOLLIN)

            do_read(epollfd,fd,sockfd,buf);

        else if (events[i].events & EPOLLOUT)

            do_write(epollfd,fd,sockfd,buf);

    }

}

 

static void do_read(int epollfd,int fd,int sockfd,char *buf)

{

    int nread;

    nread = read(fd,buf,MAXSIZE);

        if (nread == -1)

    {

        perror("read error:");

        close(fd);

    }

    else if (nread == 0)

    {

        fprintf(stderr,"server close.\n");

        close(fd);

    }

    else

    {

        if (fd == STDIN_FILENO)

            add_event(epollfd,sockfd,EPOLLOUT);

        else

        {

            delete_event(epollfd,sockfd,EPOLLIN);

            add_event(epollfd,STDOUT_FILENO,EPOLLOUT);

        }

    }

}

 

static void do_write(int epollfd,int fd,int sockfd,char *buf)

{

    int nwrite;

    nwrite = write(fd,buf,strlen(buf));

    if (nwrite == -1)

    {

        perror("write error:");

        close(fd);

    }

    else

    {

        if (fd == STDOUT_FILENO)

            delete_event(epollfd,fd,EPOLLOUT);

        else

            modify_event(epollfd,fd,EPOLLIN);

    }

    memset(buf,0,MAXSIZE);

}

 

static void add_event(int epollfd,int fd,int state)

{

    struct epoll_event ev;

    ev.events = state;

    ev.data.fd = fd;

    epoll_ctl(epollfd,EPOLL_CTL_ADD,fd,&ev);

}

 

static void delete_event(int epollfd,int fd,int state)

{

    struct epoll_event ev;

    ev.events = state;

    ev.data.fd = fd;

    epoll_ctl(epollfd,EPOLL_CTL_DEL,fd,&ev);

}

 

static void modify_event(int epollfd,int fd,int state)

{

    struct epoll_event ev;

    ev.events = state;

    ev.data.fd = fd;

    epoll_ctl(epollfd,EPOLL_CTL_MOD,fd,&ev);

}