Socket网络编程--epoll小结

  以前使用的用于I/O多路复用为了方便就使用select函数,但select这个函数是有缺陷的。因为它所支持的并发连接数是有限的(一般小于1024),因为用户处理的数组是使用硬编码的。这个最大值为FD_SETSIZE,这是在<sys/select.h>中的一个常量,它说明了最大的描述符数。但是对于大多数应用程序而言,这个数是够用的,而且有可能还是太大的,多数应用程序只使用3~10个描述符。而如今的网络服务器小小的都有几万的连接,虽然可以使用多线程多进程(也就有N*1024个)。但是这样处理起来既不方面,性能又低。

  同时期有I/O多路复用的还有一个poll函数,这个函数类似于select,但是其应用程序接口有所不用。原型如下

  #include <poll.h>
  int poll(struct pollfd fdarray[], nfds_t nfds, int timeout);

  //返回值: 准备就绪的描述符数,若超时则返回0,出错返回-1

  如果只是考虑性能的话,poll()也是不合适的,尽管它可以支持较高的TCP并发连接数,但是由于其采用“轮询”机制(遍历数组而已),但并发数较高时,其运行效率相当低(如果有10k个连接,单用于轮询的时间就需要1~10ms了),同时还可能存在I/O事件分配不均,导致部分TCP连接上的I/O出现“饥饿”现象。基于种种原因在Linux 2.5.44版本后poll被epoll取代。
  支持一个进程打开最大数目的 socket 描述符(FD)。select 最不能忍受的是一个进程所打开的FD 是有一定限制的,由 FD_SETSIZE 设置,默认值是 2048。对于那些需要支持的上万连接数目的 IM 服务器来说显然太少了。这时候你一是可以选择修改这个宏然后重新编译内核,不过资料也同时指出这样会带来网络效率的下降,二是可以选择多进程的解决方案(传统的 Apache 方案Process Per Connection,TPC方案 Thread Per Connection),不过虽然 linux 上面创建进程的代价比较小,但仍旧是不可忽视的,加上进程间数据同步远比不上线程间同步的高效,所以也不是一种完美的方案。不过 epoll 则没有这个限制,它所支持的 FD 上限是最大可以打开文件的数目,这个数字一般远大于 2048,举个例子,在 1GB 内存的机器上大约是 10 万左右,具体数目可以 cat /proc/sys/fs/file-max 察看,一般来说这个数目和系统内存关系很大。
由于epoll这个函数是后增加上的,造成现在很少有资料提及到,我看了APUE,UNPv1等书都没有找到相关的函数原型。所以我只能从网络上抄一些函数原型过来了。

   epoll用到的所有函数都是在头文件sys/epoll.h中声明,有什么地方不明白或函数忘记了可以去看一下或者man epoll。epoll和select相比,最大不同在于:

  epoll返回时已经明确的知道哪个sokcet fd发生了事件,不用再一个个比对(轮询)。这样就提高了效率。select的FD_SETSIZE是有限制的,而epoll是没有限制的只与系统资源有关。

  epoll_create函数

1 /* Creates an epoll instance.  Returns an fd for the new instance.

2    The "size" parameter is a hint specifying the number of file

3    descriptors to be associated with the new instance.  The fd

4    returned by epoll_create() should be closed with close().  */

5 extern int epoll_create (int __size) __THROW;

  该函数生成一个epoll专用的文件描述符。它其实是在内核申请空间,用来存放你想关注的socket fd上是否发生以及发生了什么事件。size就是你在这个epoll fd上能关注的最大socket fd数。这个数没有select的1024约束。

  epoll_ctl函数

 1 /* Manipulate an epoll instance "epfd". Returns 0 in case of success,

 2    -1 in case of error ( the "errno" variable will contain the

 3    specific error code ) The "op" parameter is one of the EPOLL_CTL_*

 4    constants defined above. The "fd" parameter is the target of the

 5    operation. The "event" parameter describes which events the caller

 6    is interested in and any associated user data.  */

 7 extern int epoll_ctl (int __epfd, int __op, int __fd,

 8                       struct epoll_event *__event) __THROW;

 9 /* Valid opcodes ( "op" parameter ) to issue to epoll_ctl(). */

10 #define EPOLL_CTL_ADD 1 /* Add a file descriptor to the interface. */

11 #define EPOLL_CTL_DEL 2 /* Remove a file descriptor from the interface. */

12 #define EPOLL_CTL_MOD 3 /* Change file descriptor epoll_event structure. */

  该函数用于控制某个epoll文件描述符上的事件,可以注册事件,修改事件,删除事件。 

  参数: epfd:由 epoll_create 生成的epoll专用的文件描述符;
      op:要进行的操作例如注册事件,可能的取值EPOLL_CTL_ADD 注册、EPOLL_CTL_MOD 修 改、EPOLL_CTL_DEL 删除

      fd:关联的文件描述符;
      event:指向epoll_event的指针;
      返回值:如果调用成功返回0,不成功返回-1

  用到的数据结构

 1 typedef union epoll_data

 2 {

 3   void *ptr;

 4   int fd;

 5   uint32_t u32;

 6   uint64_t u64;

 7 } epoll_data_t;

 8 

 9 struct epoll_event

10 {

11   uint32_t events;      /* Epoll events */

12   epoll_data_t data;    /* User data variable */

13 };

  设置实例

 1 struct epoll_event ev;

 2 //设置与要处理的事件相关的文件描述符

 3 ev.data.fd=listenfd;

 4 //设置要处理的事件类型

 5 ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;

 6 //注册epoll事件

 7 epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,listenfd,&ev);

 8 //常用的事件类型:

 9 EPOLLIN :表示对应的文件描述符可以读;

10 EPOLLOUT:表示对应的文件描述符可以写;

11 EPOLLPRI:表示对应的文件描述符有紧急的数据可读

12 EPOLLERR:表示对应的文件描述符发生错误;

13 EPOLLHUP:表示对应的文件描述符被挂断;

14 EPOLLET:表示对应的文件描述符有事件发生;

15 //具体可以看<sys/epoll.h>

  epoll_wait函数

 1 /* Wait for events on an epoll instance "epfd". Returns the number of

 2    triggered events returned in "events" buffer. Or -1 in case of

 3    error with the "errno" variable set to the specific error code. The

 4    "events" parameter is a buffer that will contain triggered

 5    events. The "maxevents" is the maximum number of events to be

 6    returned ( usually size of "events" ). The "timeout" parameter

 7    specifies the maximum wait time in milliseconds (-1 == infinite).

 8    This function is a cancellation point and therefore not marked with

 9    __THROW.  */

10 extern int epoll_wait (int __epfd, struct epoll_event *__events,

11                        int __maxevents, int __timeout);

12 

13 

14 /* Same as epoll_wait, but the thread's signal mask is temporarily

15    and atomically replaced with the one provided as parameter.

16    This function is a cancellation point and therefore not marked with

17    __THROW.  */

18 extern int epoll_pwait (int __epfd, struct epoll_event *__events,

19                         int __maxevents, int __timeout,

20                         __const __sigset_t *__ss);

  该函数用于轮询I/O事件的发生;
  参数: epfd:由epoll_create 生成的epoll专用的文件描述符;
      epoll_event:用于回传代处理事件的数组;
      maxevents:每次能处理的事件数;
      timeout:等待I/O事件发生的超时值(单位应该是ms);-1相当于阻塞,0相当于非阻塞。一般用-1即可

      返回值:返回发生事件数。如出错则返回-1。

   下面给一个man手册里面的例子

 1 #define MAX_EVENTS 10

 2 struct epoll_event ev, events[MAX_EVENTS];

 3 int listen_sock, conn_sock, nfds, epollfd;

 4 

 5 /* Set up listening socket, 'listen_sock' (socket(),

 6    bind(), listen()) */

 7 

 8 epollfd = epoll_create(10);

 9 if (epollfd == -1) {

10     perror("epoll_create");

11     exit(EXIT_FAILURE);

12 }

13 

14 ev.events = EPOLLIN;

15 ev.data.fd = listen_sock;

16 if (epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, listen_sock, &ev) == -1) {

17     perror("epoll_ctl: listen_sock");

18     exit(EXIT_FAILURE);

19 }

20 

21 for (;;) {

22     nfds = epoll_wait(epollfd, events, MAX_EVENTS, -1);

23     if (nfds == -1) {

24         perror("epoll_pwait");

25         exit(EXIT_FAILURE);

26     }

27 

28     for (n = 0; n < nfds; ++n) {

29         if (events[n].data.fd == listen_sock) {

30             conn_sock = accept(listen_sock,

31                     (struct sockaddr *) &local, &addrlen);

32             if (conn_sock == -1) {

33                 perror("accept");

34                 exit(EXIT_FAILURE);

35             }

36             setnonblocking(conn_sock);

37             ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;

38             ev.data.fd = conn_sock;

39             if (epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, conn_sock,

40                         &ev) == -1) {

41                 perror("epoll_ctl: conn_sock");

42                 exit(EXIT_FAILURE);

43             }

44         } else {

45             do_use_fd(events[n].data.fd);

46         }

47     }

48 }

  下面这个是引用mmz_xiaokong

epoll函数
  常用模型的缺点
    如果不摆出来其他模型的缺点,怎么能对比出 Epoll 的优点呢。
  PPC/TPC 模型
  这两种模型思想类似,就是让每一个到来的连接一边自己做事去,别再来烦我 。只是 PPC 是为它开了一个进程,而 TPC 开了一个线程。可是别烦我是有代价的,它要时间和空间啊,连接多了之后,那么多的进程 / 线程切换,这开销就上来了;因此这类模型能接受的最大连接数都不会高,一般在几百个左右。
  select 模型
  1. 最大并发数限制,因为一个进程所打开的 FD (文件描述符)是有限制的,由 FD_SETSIZE 设置,默认值是 1024/2048 ,因此 Select 模型的最大并发数就被相应限制了。自己改改这个 FD_SETSIZE ?想法虽好,可是先看看下面吧 …
  2. 效率问题, select 每次调用都会线性扫描全部的 FD 集合,这样效率就会呈现线性下降,把 FD_SETSIZE 改大的后果就是,大家都慢慢来,什么?都超时了??!!
  3. 内核 / 用户空间 内存拷贝问题,如何让内核把 FD 消息通知给用户空间呢?在这个问题上 select 采取了内存拷贝方法。
  poll 模型
基本上效率和 select 是相同的, select 缺点的 2 和 3 它都没有改掉。
  Epoll 的提升
  把其他模型逐个批判了一下,再来看看 Epoll 的改进之处吧,其实把 select 的缺点反过来那就是 Epoll 的优点了。
  1. Epoll 没有最大并发连接的限制,上限是最大可以打开文件的数目,这个数字一般远大于 2048, 一般来说这个数目和系统内存关系很大 ,具体数目可以 cat /proc/sys/fs/file-max 察看。
  2. 效率提升, Epoll 最大的优点就在于它只管你“活跃”的连接 ,而跟连接总数无关,因此在实际的网络环境中, Epoll 的效率就会远远高于 select 和 poll 。
  3. 内存拷贝, Epoll 在这点上使用了“共享内存 ”,这个内存拷贝也省略了。
  Epoll 为什么高效
  Epoll 的高效和其数据结构的设计是密不可分的(以空间换时间),这个下面就会提到。
  首先回忆一下 select 模型,当有 I/O 事件到来时, select 通知应用程序有事件到了快去处理,而应用程序必须轮询所有的 FD 集合,测试每个 FD 是否有事件发生,并处理事件;代码像下面这样:

 1 int res = select(maxfd+1, &readfds, NULL, NULL, 120);

 2 if (res > 0)

 3 {

 4     for (int i = 0; i < MAX_CONNECTION; i++)

 5     {

 6         if (FD_ISSET(allConnection[i], &readfds))

 7         {

 8             handleEvent(allConnection[i]);

 9         }

10     }

11 }

12 // if(res == 0) handle timeout, res < 0 handle error    

  Epoll 不仅会告诉应用程序有I/0 事件到来,还会告诉应用程序相关的信息,这些信息是应用程序填充的,因此根据这些信息应用程序就能直接定位到事件,而不必遍历整个FD 集合。

1 int res = epoll_wait(epfd, events, 20, 120);

2 for (int i = 0; i < res;i++)

3 {

4      handleEvent(events[n]);

5 }

   下面用一个实例来说明

  client.cpp

 1 #include <stdio.h>

 2 #include <stdlib.h>

 3 #include <string.h>

 4 #include <netinet/in.h>

 5 #include <sys/types.h>

 6 #include <sys/socket.h>

 7 #include <netdb.h>

 8 #include <unistd.h>

 9 

10 #define MAX_DATA_SIZE 4096

11 #define SERVER_PORT 12138

12 

13 

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

15 {

16     int sockfd;

17     struct hostent * host;

18     struct sockaddr_in servAddr;

19     int pid;

20     char sendBuf[MAX_DATA_SIZE],recvBuf[MAX_DATA_SIZE];

21     int sendSize,recvSize;

22 

23     host=gethostbyname(argv[1]);

24     if(host==NULL)

25     {

26         perror("get host error");

27         exit(-1);

28     }

29 

30     sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);

31     if(sockfd==-1)

32     {

33         perror("创建socket失败");

34         exit(-1);

35     }

36 

37     servAddr.sin_family=AF_INET;

38     servAddr.sin_port=htons(SERVER_PORT);

39     servAddr.sin_addr=*((struct in_addr *)host->h_addr);

40     bzero(&(servAddr.sin_zero),8);

41 

42     if(connect(sockfd,(struct sockaddr *)&servAddr,sizeof(struct sockaddr_in))==-1)

43     {

44         perror("connect 失败");

45         exit(-1);

46     }

47 

48     if((pid=fork())<0)

49     {

50         perror("fork error");

51     }

52     else if(pid>0)

53     {

54         while(1)

55         {

56             fgets(sendBuf,MAX_DATA_SIZE,stdin);

57             sendSize=send(sockfd,sendBuf,MAX_DATA_SIZE,0);

58             if(sendSize<0)

59                 perror("send error");

60             memset(sendBuf,0,sizeof(sendBuf));

61         }

62     }

63     else

64     {

65         while(1)

66         {

67             recvSize=recv(sockfd,recvBuf,MAX_DATA_SIZE,0);

68             if(recvSize<0)

69                 perror("recv error");

70             printf("接收到的信息:%s",recvBuf);

71             memset(recvBuf,0,sizeof(recvBuf));

72         }

73     }

74     return 0;

75 }

  server.cpp

  1 #include <stdio.h>

  2 #include <stdlib.h>

  3 #include <sys/socket.h>

  4 #include <sys/epoll.h>

  5 #include <string.h>

  6 #include <netinet/in.h>

  7 #include <string.h>

  8 #include <netdb.h>

  9 #include <arpa/inet.h>

 10 #include <unistd.h>

 11 

 12 #define SERVER_PORT 12138

 13 #define CON_QUEUE 20

 14 #define MAX_DATA_SIZE 4096

 15 #define MAX_EVENTS 500

 16 

 17 void AcceptConn(int sockfd,int epollfd);

 18 void Handle(int clientfd);

 19 

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

 21 {

 22     struct sockaddr_in serverSockaddr;

 23     int sockfd;

 24 

 25     //创建socket

 26     if((sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==-1)

 27     {

 28         perror("创建socket失败");

 29         exit(-1);

 30     }

 31     serverSockaddr.sin_family=AF_INET;

 32     serverSockaddr.sin_port=htons(SERVER_PORT);

 33     serverSockaddr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);

 34     bzero(&(serverSockaddr.sin_zero),8);

 35 

 36     int on=0;

 37     setsockopt(sockfd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&on,sizeof(on));

 38 

 39     if(bind(sockfd,(struct sockaddr *)&serverSockaddr,sizeof(struct sockaddr))==-1)

 40     {

 41         perror("绑定失败");

 42         exit(-1);

 43     }

 44 

 45     if(listen(sockfd,CON_QUEUE)==-1)

 46     {

 47         perror("监听失败");

 48         exit(-1);

 49     }

 50 

 51     //epoll初始化

 52     int epollfd;//epoll描述符

 53     struct epoll_event eventList[MAX_EVENTS];

 54     epollfd=epoll_create(MAX_EVENTS);

 55     struct epoll_event event;

 56     event.events=EPOLLIN|EPOLLET;

 57     event.data.fd=sockfd;//把server socket fd封装进events里面

 58 

 59     //epoll_ctl设置属性,注册事件

 60     if(epoll_ctl(epollfd,EPOLL_CTL_ADD,sockfd,&event)<0)

 61     {

 62         printf("epoll 加入失败 fd:%d\n",sockfd);

 63         exit(-1);

 64     }

 65 

 66     while(1)

 67     {

 68         int timeout=300;//设置超时;在select中使用的是timeval结构体

 69         //epoll_wait epoll处理

 70         //ret会返回在规定的时间内获取到IO数据的个数,并把获取到的event保存在eventList中,注意在每次执行该函数时eventList都会清空,由epoll_wait函数填写。

 71         //而不清除已经EPOLL_CTL_ADD到epollfd描述符的其他加入的文件描述符。这一点与select不同,select每次都要进行FD_SET,具体可看我的select讲解。

 72         //epoll里面的文件描述符要手动通过EPOLL_CTL_DEL进行删除。

 73         int ret=epoll_wait(epollfd,eventList,MAX_EVENTS,timeout);

 74 

 75         if(ret<0)

 76         {

 77             perror("epoll error\n");

 78             break;

 79         }

 80         else if(ret==0)

 81         {

 82             //超时

 83             continue;

 84         }

 85 

 86         //直接获取了事件数量,给出了活动的流,这里就是跟selec,poll区别的关键 //select要用遍历整个数组才知道是那个文件描述符有事件。而epoll直接就把有事件的文件描述符按顺序保存在eventList中

 87         for(int i=0;i<ret;i++)

 88         {

 89             //错误输出

 90             if((eventList[i].events & EPOLLERR) || (eventList[i].events & EPOLLHUP) || !(eventList[i].events & EPOLLIN))

 91             {

 92                 printf("epoll error\n");

 93                 close(eventList[i].data.fd);

 94                 exit(-1);

 95             }

 96 

 97             if(eventList[i].data.fd==sockfd)

 98             {

 99                 //这个是判断sockfd的,主要是用于接收客户端的连接accept

100                 AcceptConn(sockfd,epollfd);

101             }

102             else //里面可以通过判断eventList[i].events&EPOLLIN 或者 eventList[i].events&EPOLLOUT 来区分当前描述符的连接是对应recv还是send

103             {

104                 //其他所有与客户端连接的clientfd文件描述符

105                 //获取数据等操作

106                 //如需不接收客户端发来的数据,但是不关闭连接。

107                 //epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_DEL,eventList[i].data.fd,eventList[i]);

108                 //Handle对各个客户端发送的数据进行处理

109                 Handle(eventList[i].data.fd);

110             }

111         }

112     }

113 

114     close(epollfd);

115     close(sockfd);

116     return 0;

117 }

118 

119 void AcceptConn(int sockfd,int epollfd)

120 {

121     struct sockaddr_in sin;

122     socklen_t len=sizeof(struct sockaddr_in);

123     bzero(&sin,len);

124 

125     int confd=accept(sockfd,(struct sockaddr *)&sin,&len);

126 

127     if(confd<0)

128     {

129         perror("connect error\n");

130         exit(-1);

131     }

132 

133     //把客户端新建立的连接添加到EPOLL的监听中

134     struct epoll_event event;

135     event.data.fd=confd;

136     event.events=EPOLLIN|EPOLLET;

137     epoll_ctl(epollfd,EPOLL_CTL_ADD,confd,&event);

138     return ;

139 }

140 

141 void Handle(int clientfd)

142 {

143     int recvLen=0;

144     char recvBuf[MAX_DATA_SIZE];

145     memset(recvBuf,0,sizeof(recvBuf));

146     recvLen=recv(clientfd,(char *)recvBuf,MAX_DATA_SIZE,0);

147     if(recvLen==0)

148         return ;

149     else if(recvLen<0)

150     {

151         perror("recv Error");

152         exit(-1);

153     }

154     //各种处理

155     printf("接收到的数据:%s \n",recvBuf);

156     return ;

157 }

 


  epoll参考资料

  http://blog.csdn.net/mmz_xiaokong/article/details/8704988
  http://blog.csdn.net/mmz_xiaokong/article/details/8704455
  http://www.cppblog.com/converse/archive/2008/10/13/63928.html
  http://blog.csdn.net/haoahua/article/details/2037704
  https://banu.com/blog/2/how-to-use-epoll-a-complete-example-in-c/

  epoll为什么这么快: http://www.cppblog.com/converse/archive/2008/10/12/63836.html

 

  本文地址: http://www.cnblogs.com/wunaozai/p/3895860.html

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