多路I/O复用：select、poll、epoll（三）

多路IO复用模型之epoll

与select和poll相比，epoll更加灵活，没有描述符的限制。epoll使用一个文件描述符来管理多个描述符，将用户关系的文件描述符存放到内核的一个事件表中，这样用户空间和内核空间的数据拷贝只需要一次。

epoll底层采用红黑树作为索引结构，用一个双向链表实现就绪队列。

epoll函数原型

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);

还是用一张图来解释各个参数的作用

在这里插入图片描述
epoll实战

server.cpp

#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 6666
#define MAXSIZE 1024
#define LISTENQ 5
#define FDSIZE 1000
#define EPOLLEVENTS 100

int socket_bind(const char* ip, int port); //创建套接字并绑定

void do_epoll(int listenfd); //EPOLL

void handle_events(int epollfd, struct epoll_event *events, int num, int listenfd,char * buf); //事件的函数

void handle_accept(int epollfd, int listenfd); //处理收到的连接

void do_read(int epollfd, int fd, char *buf); //读处理

void do_write(int epollfd, int fd, char *buf); //写处理

void add_event(int epollfd, int fd, int state); //添加事件

void modify_event(int epollfd, int fd, int state); //修改事件

void delete_event(int epollfd, int fd, int state); //删除事件

int main(){
    
    
    int listenfd;
    listenfd = socket_bind(IPADDRESS, PORT);
    listen(listenfd, LISTENQ);
    do_epoll(listenfd);
    return 0;
}

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;
}

void do_epoll(int listenfd){
    
    
    int epollfd;
    struct epoll_event events[EPOLLEVENTS];
    int ret;
    char buf[MAXSIZE];
    memset(buf, 0, MAXSIZE);
    epollfd = epoll_create(FDSIZE); //创建一个描述符
    add_event(epollfd, listenfd, EPOLLIN); //添加监听描述符事件
    while (1) {
    
    
        ret = epoll_wait(epollfd, events, EPOLLEVENTS, -1); //获取已经准备好的描述符事件
        handle_events(epollfd, events, ret, listenfd, buf);
    }
    close(epollfd);
}

void handle_events(int epollfd, struct epoll_event *events, int num, int listenfd, char *buf){
    
    
    int i;
    int fd;
    for (i = 0; i < num; i++) {
    
    
        fd = events[i].data.fd;
        if ((fd == listenfd) &&(events[i].events & EPOLLIN)) {
    
     //根据描述符的类型和事件类型处理
            handle_accept(epollfd, listenfd);
        }
        else if (events[i].events & EPOLLIN){
    
    
            do_read(epollfd, fd, buf);
        }
        else if (events[i].events & EPOLLOUT){
    
    
            do_write(epollfd, fd, buf);
        }
    }
}

void handle_accept(int epollfd, int listenfd){
    
    
    int clifd;
    struct sockaddr_in cliaddr;
    socklen_t cliaddrlen;
    clifd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)&cliaddr, &cliaddrlen);
    if (clifd == -1) {
    
    
        perror("accept error:");
    }
    else{
    
    
        printf("accept a new client: %s:%d\n",inet_ntoa(cliaddr.sin_addr), cliaddr.sin_port);
        add_event(epollfd, clifd, EPOLLIN); //添加一个客户描述符和事件
    }
}

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);
        modify_event(epollfd, fd, EPOLLOUT); //修改描述符对应的事件，由读改为写
    }
}

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);
}

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);
}

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);
}

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);
}

client.cpp

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

#define IPADDRESS "127.0.0.1"
#define SERV_PORT 6666
#define MAXSIZE 1024
#define FDSIZE 1024
#define EPOLLEVENTS 20

void handle_connection(int sockfd);

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

void do_read(int epollfd, int fd, int sockfd, char *buf); //读处理

void do_write(int epollfd, int fd, int sockfd, char *buf); //写处理

void add_event(int epollfd, int fd, int state); //添加事件

void modify_event(int epollfd, int fd, int state); //修改事件

void delete_event(int epollfd, int fd, int state); //删除事件

int count = 0;

int main(){
    
    
    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));
    handle_connection(sockfd); //连接处理
    close(sockfd);
    return 0;
}

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);
    while (1) {
    
    
        ret = epoll_wait(epollfd, events, EPOLLEVENTS, -1);
        handle_events(epollfd, events, ret, sockfd, buf);
    }
    close(epollfd);
}

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);
        }
    }
}

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 == STDOUT_FILENO) {
    
    
            add_event(epollfd, sockfd, EPOLLOUT);
        }
        else{
    
    
            delete_event(epollfd, sockfd, EPOLLIN);
            add_event(epollfd, STDOUT_FILENO, EPOLLOUT);
        }
    }
}

void do_write(int epollfd, int fd, int sockfd, char *buf){
    
    
    int nwrite;
    char temp[100];
    buf[strlen(buf) - 1] = '\0';
    snprintf(temp, sizeof(temp), "%s_%02d\n", buf, count++);
    nwrite = write(fd, temp, strlen(temp));
    if (nwrite == -1) {
    
    
        perror("write error:");
        close(fd);
    }
    else{
    
    
        if (fd == STDIN_FILENO) {
    
    
            delete_event(epollfd, fd, EPOLLOUT);
        }
        else{
    
    
            modify_event(epollfd, fd, EPOLLIN);
        }
    }
    memset(buf, 0, MAXSIZE);
}

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);
}

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);
}

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);
}

值得一提的是，服务器端设置了在获取到客户端发来的数据后要回包，读到数据后，把事件转为了可写状态，由写事件发包。

总结

select、poll和epoll都是多路IO复用的机制。本质上就是监听多个描述符，当某个描述符就绪时能够通知程序进行相应的读写操作。

1、epoll没有打开最大文件描述符的限制，具体数目可以在/proc/sys/fs/file-max中查看；

2、select/poll采用现行扫描全部集合的方式，导致效率呈线性下降。而epoll对每个fd使用回调函数实现，只有活跃的套接字才会主动调用回调函数，所以epoll仅会对活跃的套接字进行操作。

3、epoll使用mmap(内存映射)加速内核与用户空间的消息传递，通过内核与用户空间mmap处于同一块内存实现。对于select/poll，它们都有数据从用户空间到内核空间的大量拷贝，事件发生后又要将数据传到用户空间，并执行释放内存和剥离等待队列等工作，又是一次拷贝开销。

4、支持两种工作模式

ET模式，是一种高速的工作模式，效率要高于LT。只有当事件到来时，内核才会通知进程文件描述符已就绪，之后若不再发生文件描述符变化的情况下，内核不会再去通知。此时若没有彻底将缓冲区的数据读完，则会导致缓冲区中的用户请求得不到响应（通知一次后不再通知）；
LT模式，是一种缺省的工作模式。事件到来后内核会不断的通知进程文件描述符已准备就绪（每隔一段时间就发送通知）。

多路I/O复用：select、poll、epoll（三）

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