Linux 下 I/O 多路复用技术 epoll
致正在学习的你，无论前方会怎样？至少现在你是对的。
流？I/O操作？阻塞？
流：可以进行 I/O 操作的内核对象
- 文件、管道、套接字……
- 流的入口：文件描述符(fd)
I/O 操作：所有对流的读写操作，都可以称之为 IO 操作。
当一个流中， 在没有数据进行 read 的时候，或者在流中已经写满了数据，再进行 write，我们的 IO 操作就会出现一种现象，就是阻塞现象，如下图。
阻塞等待：不占⽤ CPU 宝贵的时间⽚
非阻塞忙轮询：占用 CPU，系统资源
在处理数据的接收场景时， 建议优先选择阻塞等待的⽅式， 不浪费性能资源。
阻塞等待的缺点：
-
不能够很好的处理多个 I/O 请求的问题
-
同一个阻塞，同⼀时刻只能处理一个流的阻塞监听
解决阻塞死等待的方法
方法一：阻塞 + 多进程 / 多线程。
该方法需要开辟线程浪费资源。
方法二：非阻塞 + 忙轮询。
该方法中 CPU 在大量的做论询（while 和 for），CPU 利用率不高。
实现伪代码：
while true {
for i in 流[] {
if i has 数据 {
读 或者 其他处理
}
}
}
方法三：select（与平台无关）
select 监听的 IO 数量有限，默认是 1024 个。它不会精准的告诉开发者，哪些 IO 可读可写，需要遍历。
实现伪代码：
while true {
select(流[]); // 阻塞
// 有消息抵达
for i in 流[] {
if i has 数据 {
读 或者 其他处理
}
}
}
方法四：epoll（Linux）
epoll 与 select、poll 一样，是对 I/O 多路复用的技术
-
只关心 “活跃” 的链接，无需遍历全部描述符集合
-
能够处理大量的链接请求（系统可以打开的文件数目）
可以通过
/proc/sys/fd/file-max查看
while true {
可处理的流[] = epoll_wait(epoll_fd); // 阻塞
// 有消息抵达，全部放在 “可处理的流[]”中
for i in 可处理的流[] {
读 或者 其他处理
}
}
epoll 的 API
创建 epoll
/**
* @param size 告诉内核监听的数目
*
* @returns 返回一个epoll句柄（即一个文件描述符）
*/
int epoll_create(int size);
使用：
int epfd = epoll_create(1000);
创建一个 epoll 句柄，实际上是在内核空间，建立一颗红黑树的根节点，这个根节点的关系与 epfd 相对应。
控制 epoll
/**
* @param epfd 用epoll_create所创建的epoll句柄
* @param op 表示对epoll监控描述符控制的动作
*
* EPOLL_CTL_ADD(注册新的fd到epfd)
* EPOLL_CTL_MOD(修改已经注册的fd的监听事件)
* EPOLL_CTL_DEL(epfd删除一个fd)
*
* @param fd 需要监听的文件描述符
* @param event 告诉内核需要监听的事件
*
* @returns 成功返回0，失败返回-1, errno查看错误信息
*/
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd,
struct epoll_event *event);
struct epoll_event {
__uint32_t events; /* epoll 事件 */
epoll_data_t data; /* 用户传递的数据 */
}
/*
* events : {EPOLLIN, EPOLLOUT, EPOLLPRI,
EPOLLHUP, EPOLLET, EPOLLONESHOT}
*/
typedef union epoll_data {
void *ptr;
int fd;
uint32_t u32;
uint64_t u64;
} epoll_data_t;
使用：
struct epoll_event new_event;
new_event.events = EPOLLIN | EPOLLOUT;
new_event.data.fd = 5;
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, 5, &new_event);
创建一个用户态的事件，绑定到某个 fd 上，然后添加到内核中的 epoll 红黑树中。
等待 epoll
/**
*
* @param epfd 用epoll_create所创建的epoll句柄
* @param event 从内核得到的事件集合
* @param maxevents 告知内核这个events有多大,
* 注意: 值 不能大于创建epoll_create()时的size.
* @param timeout 超时时间
* -1: 永久阻塞
* 0: 立即返回，非阻塞
* >0: 指定微秒
*
* @returns 成功: 有多少文件描述符就绪,时间到时返回0
* 失败: -1, errno 查看错误
*/
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *event,
int maxevents, int timeout);
使用：
struct epoll_event my_event[1000];
int event_cnt = epoll_wait(epfd, my_event, 1000, -1);
epoll_wait 是一个阻塞的状态，如果内核检测到 IO 的读写响应，会抛给上层的 epoll_wait，返回给用户态一个已经触发的事件队列，同时阻塞返回。开发者可以从队列中取出事件来处理，其中事件里就有绑定的对应 fd 是哪个（之前添加 epoll 事件的时候已经绑定）。
epoll 编程主流骨架
// 创建 epoll
int epfd = epoll_crete(1000);
// 将 listen_fd 添加进 epoll 中
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, listen_fd,&listen_event);
while (1) {
// 阻塞等待 epoll 中的 fd 触发
int active_cnt = epoll_wait(epfd, events, 1000, -1);
for (i = 0 ; i < active_cnt; i++) {
if (evnets[i].data.fd == listen_fd) {
// accept. 并且将新 accept 的 fd 加进 epoll 中.
}
else if (events[i].events & EPOLLIN) {
// 对此 fd 进行读操作
}
else if (events[i].events & EPOLLOUT) {
// 对此 fd 进行写操作
}
}
}
epoll 的触发模式
水平触发
水平触发的主要特点是，如果用户在监听 epoll 事件，当内核有事件的时候，会拷贝给用户态事件，但是如果用户只处理了一次，那么剩下没有处理的会在下一次 epoll_wait 再次返回该事件。
如果用户永远不处理这个事件，就导致每次都会有该事件从内核到用户的拷贝，耗费性能，但是水平触发相对安全，最起码事件不会丢掉，除非用户处理完毕。
边缘触发
边缘触发，相对跟水平触发相反，当内核有事件到达，只会通知用户一次，至于用户处理还是不处理，以后将不会再通知。这样减少了拷贝过程，增加了性能，但是相对来说，如果用户马虎忘记处理，将会产生事件丢的情况。
简单的 epoll 服务器
服务端
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <ctype.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/epoll.h>
#define SERVER_PORT (7778)
#define EPOLL_MAX_NUM (2048)
#define BUFFER_MAX_LEN (4096)
char buffer[BUFFER_MAX_LEN];
void str_toupper(char *str)
{
int i;
for (i = 0; i < strlen(str); i ++) {
str[i] = toupper(str[i]);
}
}
int main(int argc, char **argv)
{
int listen_fd = 0;
int client_fd = 0;
struct sockaddr_in server_addr;
struct sockaddr_in client_addr;
socklen_t client_len;
int epfd = 0;
struct epoll_event event, *my_events;
/ socket
listen_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
// bind
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);
bind(listen_fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));
// listen
listen(listen_fd, 10);
// epoll create
epfd = epoll_create(EPOLL_MAX_NUM);
if (epfd < 0) {
perror("epoll create");
goto END;
}
// listen_fd -> epoll
event.events = EPOLLIN;
event.data.fd = listen_fd;
if (epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, listen_fd, &event) < 0) {
perror("epoll ctl add listen_fd ");
goto END;
}
my_events = malloc(sizeof(struct epoll_event) * EPOLL_MAX_NUM);
while (1) {
// epoll wait
int active_fds_cnt = epoll_wait(epfd, my_events, EPOLL_MAX_NUM, -1);
int i = 0;
for (i = 0; i < active_fds_cnt; i++) {
// if fd == listen_fd
if (my_events[i].data.fd == listen_fd) {
//accept
client_fd = accept(listen_fd, (struct sockaddr*)&client_addr, &client_len);
if (client_fd < 0) {
perror("accept");
continue;
}
char ip[20];
printf("new connection[%s:%d]\n", inet_ntop(AF_INET, &client_addr.sin_addr, ip, sizeof(ip)), ntohs(client_addr.sin_port));
event.events = EPOLLIN | EPOLLET;
event.data.fd = client_fd;
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, client_fd, &event);
}
else if (my_events[i].events & EPOLLIN) {
printf("EPOLLIN\n");
client_fd = my_events[i].data.fd;
// do read
buffer[0] = '\0';
int n = read(client_fd, buffer, 5);
if (n < 0) {
perror("read");
continue;
}
else if (n == 0) {
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, client_fd, &event);
close(client_fd);
}
else {
printf("[read]: %s\n", buffer);
buffer[n] = '\0';
#if 1
str_toupper(buffer);
write(client_fd, buffer, strlen(buffer));
printf("[write]: %s\n", buffer);
memset(buffer, 0, BUFFER_MAX_LEN);
#endif
/*
event.events = EPOLLOUT;
event.data.fd = client_fd;
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_MOD, client_fd, &event);
*/
}
}
else if (my_events[i].events & EPOLLOUT) {
printf("EPOLLOUT\n");
/*
client_fd = my_events[i].data.fd;
str_toupper(buffer);
write(client_fd, buffer, strlen(buffer));
printf("[write]: %s\n", buffer);
memset(buffer, 0, BUFFER_MAX_LEN);
event.events = EPOLLIN;
event.data.fd = client_fd;
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_MOD, client_fd, &event);
*/
}
}
}
END:
close(epfd);
close(listen_fd);
return 0;
}
客户端
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <strings.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#define MAX_LINE (1024)
#define SERVER_PORT (7778)
void setnoblocking(int fd)
{
int opts = 0;
opts = fcntl(fd, F_GETFL);
opts = opts | O_NONBLOCK;
fcntl(fd, F_SETFL);
}
int main(int argc, char **argv)
{
int sockfd;
char recvline[MAX_LINE + 1] = {
0};
struct sockaddr_in server_addr;
if (argc != 2) {
fprintf(stderr, "usage ./client <SERVER_IP>\n");
exit(0);
}
// 创建socket
if ( (sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
fprintf(stderr, "socket error");
exit(0);
}
// server addr 赋值
bzero(&server_addr, sizeof(server_addr));
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);
if (inet_pton(AF_INET, argv[1], &server_addr.sin_addr) <= 0) {
fprintf(stderr, "inet_pton error for %s", argv[1]);
exit(0);
}
// 链接服务端
if (connect(sockfd, (struct sockaddr*) &server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {
perror("connect");
fprintf(stderr, "connect error\n");
exit(0);
}
setnoblocking(sockfd);
char input[100];
int n = 0;
int count = 0;
// 不断的从标准输入字符串
while (fgets(input, 100, stdin) != NULL)
{
printf("[send] %s\n", input);
n = 0;
// 把输入的字符串发送 到 服务器中去
n = send(sockfd, input, strlen(input), 0);
if (n < 0) {
perror("send");
}
n = 0;
count = 0;
// 读取 服务器返回的数据
while (1)
{
n = read(sockfd, recvline + count, MAX_LINE);
if (n == MAX_LINE)
{
count += n;
continue;
}
else if (n < 0){
perror("recv");
break;
}
else {
count += n;
recvline[count] = '\0';
printf("[recv] %s\n", recvline);
break;
}
}
}
return 0;
}