linux之epoll

時間 2019-11-17

標籤 linux epoll 欄目 Linux 简体版

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1. epoll簡介

　　epoll 是Linux內核中的一種可擴展IO事件處理機制，最先在 Linux 2.5.44內核中引入，可被用於代替POSIX select 和 poll 系統調用，而且在具備大量應用程序請求時可以得到較好的性能（此時被監視的文件描述符數目很是大，與舊的 select 和 poll 系統調用完成操做所需 O(n) 不一樣， epoll能在O(1)時間內完成操做，因此性能至關高），epoll 與 FreeBSD的kqueue相似，都向用戶空間提供了本身的文件描述符來進行操做。linux

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2. seletc和pool

　　在linux 沒有實現epoll事件驅動機制以前，咱們通常選擇用select或者poll等IO多路複用的方法來實現併發服務程序。在大數據、高併發、集羣等一些名詞唱得火熱之年代，select和poll的用武之地愈來愈有限，風頭已經被epoll佔盡。編程

select的缺點：數組

（1）單個進程可以監視的文件描述符的數量存在最大限制，一般是1024，固然能夠更改數量，但因爲select採用輪詢的方式掃描文件描述符，文件描述符數量越多，性能越差；(在linux內核頭文件中，有這樣的定義：#define __FD_SETSIZE 1024)服務器

（2）內核 / 用戶空間內存拷貝問題，select須要複製大量的句柄數據結構，產生巨大的開銷；數據結構

（3）select返回的是含有整個句柄的數組，應用程序須要遍歷整個數組才能發現哪些句柄發生了事件；併發

（4）select的觸發方式是水平觸發，應用程序若是沒有完成對一個已經就緒的文件描述符進行IO操做，那麼以後每次select調用仍是會將這些文件描述符通知進程。異步

　　相比select模型，poll使用鏈表保存文件描述符，所以沒有了監視文件數量的限制，但其餘三個缺點依然存在。拿select模型爲例，假設咱們的服務器須要支持100萬的併發鏈接，則在__FD_SETSIZE 爲1024的狀況下，則咱們至少須要開闢1k個進程才能實現100萬的併發鏈接。除了進程間上下文切換的時間消耗外，從內核/用戶空間大量的無腦內存拷貝、數組輪詢等，是系統難以承受的。所以，基於select模型的服務器程序，要達到10萬級別的併發訪問，是一個很難完成的任務。所以，該epoll上場了。socket

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3. epoll重要實現

int epoll_create(int size);

建立一個epoll的句柄，size用來告訴內核須要監聽的數目一共有多大。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。

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

epoll的事件註冊函數，第一個參數是 epoll_create() 的返回值，第二個參數表示動做，使用以下三個宏來表示：

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：

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 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。
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。

當對方關閉鏈接(FIN), EPOLLERR，均可以認爲是一種EPOLLIN事件，在read的時候分別有0，-1兩個返回值。

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

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。

EPOLL事件有兩種模型 Level Triggered (LT) 和 Edge Triggered (ET)：

LT(level triggered，水平觸發模式)是缺省的工做方式，而且同時支持 block 和 non-block socket。在這種作法中，內核告訴你一個文件描述符是否就緒了，而後你能夠對這個就緒的fd進行IO操做。若是你不做任何操做，內核仍是會繼續通知你的，因此，這種模式編程出錯誤可能性要小一點。

ET(edge-triggered，邊緣觸發模式)是高速工做方式，只支持no-block socket。在這種模式下，當描述符從未就緒變爲就緒時，內核經過epoll告訴你。而後它會假設你知道文件描述符已經就緒，而且不會再爲那個文件描述符發送更多的就緒通知，等到下次有新的數據進來的時候纔會再次出發就緒事件。

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4. epoll實現服務器和客戶端通訊

/*主要包含重要的頭文件*/

#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;

#include "intf.h"

#include "socket.h"
#include <algorithm>
#define MAXEVENTS 64

struct MSG
{
    string strBuff;
    SOCKET s;
};

// 採用epoll異步機制實現服務器
int main()
{
    // 建立socket
    string ip = "192.168.176.131";
    int port = 1122;
    TcpSocket tcp(AF_INET, SOCK_STREAM);
    tcp.Bind(ip, port);
    tcp.Listen(MAXEVENTS);

    // 設置socket爲O_NONBLOCK
    int flags = fcntl(tcp.m_Sock, F_GETFL, 0);
    if(!(flags & O_NONBLOCK))
    {
        flags |= O_NONBLOCK;
    }
    int exflags = fcntl(tcp.m_Sock, F_SETFL, 0);
    if(exflags == -1)
    {
        cout << "fcntl F_SETFL o_NONBLOCK faild" << endl;
        return -1;
    }
    // 建立epoll,該參數在新版本的linux中已經沒有做用了
    int epollftd = epoll_create(MAXEVENTS);
    if(epollftd == -1)
    {
        cout << "epoll create faild" << endl;
        return -1;
    }
    // 將服務區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 == -1)
    {
        cout << "epoll_ctrl EPOLL_CTL_ADD faild" << endl;
        return -1;
    }

    epoll_event *pEvents = (epoll_event *)calloc(MAXEVENTS, sizeof(epoll_event));
    if(!pEvents)
    {
        cout << "calloc epoll events faild" << endl;
        return -1;
    }
    // 事件處理
    while(1)
    {
        int nEventNum = epoll_wait(epollftd, pEvents, MAXEVENTS, 500);
        for(int i = 0; i < nEventNum; i ++)
        {
            // 新鏈接到來
            if(pEvents[i].data.fd == tcp.m_Sock)
            {
                cout << "準備接收客戶端的鏈接" << endl;
                SOCKET client = tcp.Accept();
                cout << "有客戶端鏈接" << endl;
                // 添加到隊列中
                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 << "接收到客戶端數據：" << strBuff << endl;
                if(strBuff == "EOF")
                {
                    cout << "客戶端：" << pEvents[i].data.fd << "請求斷開鏈接" << 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 << "向客戶端輸出信息:" << 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 << "其它的處理" << endl;
            }
        }
    }
    
    return 0;
}

#include "intf.h"

#include "socket.h"

#define MAXEVENTS 64

struct MSG
{
    string strBuff;
    SOCKET s;
};

// 採用epoll異步機制實現客戶端
int main()
{
    // 建立socket
    string ip = "192.168.176.131";
    int port = 1122;
    TcpSocket tcp(AF_INET, SOCK_STREAM);
    tcp.ConnectSocket(ip, port, SOCK_CLIENT);
    int pid = fork();
    if(pid < 0)
    {
        cout << "建立子進程失敗" << endl;
    }
    else if(pid == 0)
    {
        cout << "子進程建立成功，負責向服務器發送消息" << endl;
        string strBuff = "";
        while(getline(cin, strBuff))
        {
            tcp.Send(tcp.m_Sock, strBuff);
            cout << "客戶端發送消息：" << strBuff << endl;
            if(strBuff == "EOF")
            {
                cout << "子進程請求斷開鏈接" << endl;
                break;
            }
        }
        cout << "子進程斷開鏈接" << endl;
        exit(0);
    }
    else{
        cout << "父進程負責接收服務器信息" << endl;
        while(1)
        {
            string strBuff = tcp.Recv(tcp.m_Sock);
            if(strBuff.length() > 0)
            {
                cout << "客戶端接收到信息：" << strBuff << endl;

                if(strBuff == "EOF")
                {
                    cout << "服務器請求斷開鏈接" << endl;
                    break;
                }
            }
        }

        wait(NULL);
    }
    
    return 0;
}

要了解epoll的具體實現機制能夠參考：http://www.javashuo.com/article/p-bfjmamzc-mt.html

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