网编(16)：优于select 的epoll(I/O复用)

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实现I/O复用的传统方法有select 函数和poll 函数。使用select函数无法得到令人满意的性能。

因此有了Linux 下的epoll 、BSD 的kqueue、Solaris 的/dev/poll和Windows的IOCP 等复用技术。

select可以参考：网编(11)：服务器端的I/O复用

select复用方法其实由来巳久，因此，利用该技术后，无论如何优化程序性能也无法同时接入上百个客户端（当然，硬件性能不同， 差别也很大）。这种select方式并不适合以Web服务器端开发为主流的现代开发环境，所以要学习Linux平台下的epoll。

基于select 的I/O复用技术速度慢的原因

调用select函数后常见的针对所有文件描述符的循环语句。
每次调用select函数时都需要向该函数传递监视对象信息。

相比于循环语句，更大的障碍是每次传递监视对象信息。因为传递监视对象信息具有如下含义：
“每次调用select 函数时向操作系统传递监视对象信息。”
应用程序向操作系统传递数据将对程序造成很大负担，而且无法通过优化代码解决，因此将成为性能上的致命弱点。
“那为何需要把监视对象信息传递给操作系统呢？”

有些函数不需要操作系统的帮助就能完成功能， 而有些则必须借助于操作系统。假设各位定义了四则运算相关函数， 此时无需操作系统的帮助。但select函数与文件描述符有关，更准确地说，是监视套接字变化的函数。而套接字是由操作系统管理的，所以select函数绝对需要借助于操作系统才能完成功能。select函数的这一缺点可以通过如下方式弥补：
＂仅向操作系统传递1 次监视对象，监视范围或内容发生变化时只通知发生变化的事项。”

这样就无需每次调用select函数时都向操作系统传递监视对象信息，但前提是操作系统支持这种处理方式（每种操作系统支持的程度和方式存在差异）。Linux的支待方式是epoll, Windows的支持方式是IOCP 。
 

select 也有优点
epoll方式只在Linux下提供支持，也就是说，改进的I/O复用模型不具有兼容性。相反，大部分操作系统都支持sel ect函数。只要满足或要求如下两个条件， 即使在Linux平台也不应拘泥于epoll 。

• 服务器端接入者少。
• 程序应具有兼容性。

epoll函数具有如下优点，这些优点正好与之前的select函数缺点相反。

• 无需编写以监视状态变化为目的的针对所有文件描述符的循环语句。
• 调用对应于select函数的epoll_wait函数时无需每次传递监视对象信息。

epoll服务器端实现中需要的3个函数，

• epoll_ create: 创建保存epoll文件描述符的空间。
• epoll_ctl: 向空间注册并注销文件描述符。
• epoll_wait: 与select函数类似，等待文件描述符发生变化。

select方式

• 用fd_set变量保存监视对象文件描述符。
• 用FD_SET，FD_CLR添加和删除对象。
• select函数等待文件描述符的变化。
• 通过FD_ISSET查看状态变化的文件描述符。

epoll方式

• 操作系统负责保存监视对象文件描述符，因此需要向操作系统请求创建保存文件描述符的空间。
• 通过epoll_ctl 函数请求操作系统添加和删除对象。
• epoll_wait函数等待文件描述符的变化。
• 通过结构体epoll_event将发生变化的文件描述符单独集中到一起。

结构体：

struct epoll_event
{
	uint32_t events;
	epoll_data_t data;
}

typedef union epoll_data
{
	void *   ptr;
	int      fd;
	uint32_t u32;
	uint64_t u64;
} epoll_data_t;

声明足够大的epoll_even结构体数组后，传递给epoll_wait函数时．发生变化的文件描述符信息将被填入该数组。因此， 无需像select函数那样针对所有文件描述符进行循环。

epoll_ create

#include <sys/epoll. h>
int epoll_create(int size);
//成功时返回epoll 文件描述符，失败时返回-1。
#size epoll实例的大小。

Linux 2 . 6 . 8 之后的内核将完全忽略传入epoll_create 函数的size 参数，因为内核会根据情况调整epoll 例程的大小。

epoll_ create函数创建的资源与套接字相同，也由操作系统管理。因此， 该函数和创建套接字的情况相同，也会返回文件描述符。也就是说，该函数返回的文件描述符主要用与于区分epoll例程。需要终止时，与其他文件描述符相同，也要调用close函数。

epoll_ctl

#include <sys/epoll. h>
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event * event);
//成功时返回0 , 失败时返回-1 。


#epfd   用千注册监视对象的epoll例程的文件描述符。
#op     用千指定监视对象的添加、删除或更改等操作。
#fd     需要注册的监视对象文件描述符。
#event  监视对象的事件类型。

用法：

epoll_ctl(A, EPOLL_CTL_ADD, B, C);

第二个参数EPOLL_ CTL _ ADD意味着“添加“，因此上述语句具有如下含义：
"epoll例程A 中注册文件描述符B, 主要目的是监视参数C 中的事件。”

epoll_ctl(A, EPOLL_CTL_DEL, B, NULL);

第二个参数EPOLL_CTL_DEL指“删除“，因此该语句具有如下含义：
“从epoll例程A 中删除文件描述符B 。”

epoll_ctl第二个参数传递的常量及含义。

• EPOLL_CTL_ADD: 将文件描述符注册到epoll例程。
• EPOLL_CTL_DEL: 从epoll例程中删除文件描述符。
• EPOLL CTL MOD: 更改注册的文件描述符的关注事件发生情况。

在epoll例程中注册文件描述符时，用于注册关注的事件。

struct epoll_event event;
event.events=EPOLLIN; //发生需要读取数据的情况（事件） 时
event.data.fd=sockfd;
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, sockfd, &event);

• EPOLLIN: 需要读取数据的情况。
• EPOLLOUT: 输出缓冲为空，可以立即发送数据的情况。
• EPOLLPRI: 收到OOB数据的情况。
• EPOLLRDHUP: 断开连接或半关闭的情况，这在边缘触发方式下非常有用。
• EPOLLERR: 发生错误的情况。
• EPOLLET: 以边缘触发的方式得到事件通知。
• EPOLLONESHOT: 发生一次事件后，相应文件描述符不再收到事件通知。因此需要向epoll_ctl 函数的第二个参数传递EPOLL_CTL_MOD , 再次设置事件。

epoll_wait

#include <sys/epoll. h>
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);
//成功时返回发生事件的文件描述符数，失败时返回-1。

#epfd      表示事件发生监视范围的epoll例程的文件描述符。
#events    保存发生事件的文件描述符集合的结构体地址值。
#maxevents 第二个参数中可以保存的最大事件数。
#timeout   以1/1000秒为单位的等待时间，传递-1 时， 一直等待直到发生事件。

第二个参数所指缓冲需要动态分配。

int event_cnt;
struct epoll_event * ep_events;
ep_events = malloc(sizeof(struct epoll_event}*EPOLL_SIZE); //EPOLL_SIZE 是宏常量
event cnt = epoll_wait(epfd, ep_events, EPOLL_SIZE, -1);

服务器：

    struct epoll_event *ep_events;  //用来装载发生的事件
    struct epoll_event event;  //用来装载要添加或者删除的事件

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/epoll.h>

#define BUF_SIZE 100
#define EPOLL_SIZE 50
void error_handling(char *buf);

int main(int argc, char *argv[])
{
	int serv_sock, clnt_sock;
	struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;
	socklen_t adr_sz;
	int str_len, i;
	char buf[ BUF_SIZE];

	struct epoll_event *ep_events;
	struct epoll_event event;
	int epfd, event_cnt;

	if(argc !=2) {
		printf("Usage : %s <port>\n", argv[0]);
		exit(1);
	}
	//创建套接字
	serv_sock=socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
	serv_adr.sin_family=AF_INET;
	serv_adr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
	serv_adr.sin_port=htons(atoi(argv[1]));

	if(bind(serv_sock, (struct sockaddr*) &serv_adr, sizeof(serv_adr))==-1)
		error_handling("bind() error");
	if(listen(serv_sock, 5)==-1)
		error_handling("listen() error");

	epfd=epoll_create(EPOLL_SIZE);//第一步：创建epoll文件描述符
	ep_events=malloc(sizeof(struct epoll_event)*EPOLL_SIZE);//第二步：创建事件的内存空间

	event.events=EPOLLIN;//第三步：设置事件的类型
	event.data.fd=serv_sock;//第四步：添加要监控的文件描述符
	epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, serv_sock, &event);//第五步：添加到epoll文件描述符种

	while(1)
	{
		//第六步：返回事件发生的文件描述符
		event_cnt=epoll_wait(epfd, ep_events, EPOLL_SIZE, -1);
		if(event_cnt==-1)
		{
			puts("epoll_wait() error");
			break;
		}

		for(i=0; i<event_cnt; i++ )
		{
			if(ep_events[i].data.fd==serv_sock)
			{
				adr_sz=sizeof(clnt_adr);
				clnt_sock=accept(serv_sock, (struct sockaddr*)&clnt_adr, &adr_sz);
				event.events=EPOLLIN;
				event.data.fd=clnt_sock;
				
				//将连接到服务器的文件描述符加入epoll中
				epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, clnt_sock, &event);
				printf("connected client : %d \n", clnt_sock);
			}
			else
			{
				str_len=read(ep_events[i].data.fd, buf, BUF_SIZE);
				if (str_len==0)//close request!
				{
					epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, ep_events[i].data.fd, NULL);
					
					//从epoll中删除连接到服务器的文件描述符
					close(ep_events[i].data.fd);
					printf("closed client: %d \n", ep_events[i].data.fd);
				}
				else{
					buf[str_len] = '\0';
					write(ep_events[i].data.fd, buf, str_len); // echo！
					memset(buf, 0, sizeof(buf));			
				}
			}
		}
	}
	close(serv_sock);
	close(epfd);
	return 0;
}

void error_handling(char *message)
{
	fputs(message, stderr);
	fputc('\n', stderr);
	exit(1);
}

客户端：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>


#define BUF_SIZE 1024

void error_handling(char *message);

int main(int argc, char* argv[])
{
	int sock;
	struct sockaddr_in serv_addr;
	char message[30];
	int str_len;

	if(argc!=3)
	{
		printf("Usage : %s <IP> <port>\n", argv[0]);
		exit(1);
	}

	sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	if(sock == -1)
	error_handling("socket() error");

	memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));
	serv_addr.sin_family=AF_INET;
	serv_addr.sin_addr.s_addr=inet_addr(argv[1]);
	serv_addr.sin_port=htons(atoi(argv[2]));

	if(connect(sock, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr))==-1)
		error_handling("connect() error I");

	while(1)
	{
		fputs("Input message(Q to quit) : ", stdout);
		fgets(message, BUF_SIZE, stdin);

		if(!strcmp(message, "q\n") || !strcmp(message, "Q\n"))
			break;

		write(sock, message, strlen(message));
		memset(message, 0, sizeof(message));
		
		str_len=read(sock, message, BUF_SIZE-1);
		message[str_len]='\0';
		printf("Message from server: %s", message);
		
		memset(message, 0, sizeof(message));
	}

	close(sock);
	return 0;
}

void error_handling(char *message)
{
	fputs(message, stderr);
	fputc('\n', stderr);
	exit(1);
}

epoll条件触发和边缘触发

条件触发：

只要输入缓冲有数据就会一直触发事件，直到缓冲区没有数据。

1. 对于读操作

只要缓冲内容不为空，LT模式返回读就绪。

2. 对于写操作

只要缓冲区还不满，LT模式会返回写就绪。

边缘触发

1. 对于读操作

（1）当缓冲区由不可读变为可读的时候，即缓冲区由空变为不空的时候。

（2）当有新数据到达时，即缓冲区中的待读数据变多的时候。

（3）当缓冲区有数据可读，且应用进程对相应的描述符进行EPOLL_CTL_MOD 修改EPOLLIN事件时。

2. 对于写操作

（1）当缓冲区由不可写变为可写时。

（2）当有旧数据被发送走，即缓冲区中的内容变少的时候。

（3）当缓冲区有空间可写，且应用进程对相应的描述符进行EPOLL_CTL_MOD 修改EPOLLOUT事件时。

可以参考：

网编(17)：epoll条件(水平)触发和边缘触发