【TCP服务器的演变过程】使用IO多路复用器epoll实现TCP服务器
使用IO多路复用器epoll实现TCP服务器
- 一、前言
- 二、新增使用API函数
-
- 2.1、epoll_create()函数
- 2.2、epoll_ctl()函数
- 2.3、struct epoll_event结构体
- 2.4、epoll_wait()函数
- 三、实现步骤
- 四、完整代码
- 五、TCP客户端
-
- 5.1、自己实现一个TCP客户端
- 5.2、Windows下可以使用NetAssist的网络助手工具
- 小结
一、前言
手把手教你从0开始编写TCP服务器程序，体验开局一块砖，大厦全靠垒。
为了避免篇幅过长使读者感到乏味，对【TCP服务器的开发】进行分阶段实现，一步步进行优化升级。
本节，在上一章节的基础上，将IO多路复用机制select改为更高效的IO多路复用机制epoll，使用epoll管理每个新接入的客户端连接，实现发送和接收。
epoll是Linux内核中一种可扩展的IO事件处理机制，可替代select和poll的系统调用。处理百万级并发访问性能更佳。
select的局限性：
（1） 文件描述符越多，性能越差。 单个进程中能够监视的文件描述符存在最大的数量，默认是1024（在linux内核头文件中定义有 #define _FD_SETSIZE 1024）,当然也可以修改，但是文件描述符数量越多，性能越差。
（2）开销巨大 ，select需要复制大量的句柄数据结构，产生了巨大的开销（内核/用户空间内存拷贝问题）。
（3）select需要遍历整个句柄数组才能知道哪些句柄有事件。
（4）如果没有完成对一个已经就绪的文件描述符的IO操作，那么每次调用select还是会将这些文件描述符通知进程，即水平触发。
（5）poll使用链表保存监视的文件描述符，虽然没有了监视文件数量的限制，但是其他缺点依旧存在。
由于以上缺点，基于select模型的服务器程序，要达到十万以上的并发访问，是很难完成的。因此，epoll出场了。
二、新增使用API函数
2.1、epoll_create()函数
函数原型：
#include 功能：创建epoll的文件描述符。
参数说明：size表示内核需要监控的最大数量，但是这个参数内核已经不会用到，只要传入一个大于0的值即可。 当size<=0时，会直接返回不可用，这是历史原因保留下来的，最早的epoll_create是需要定义一次性就绪的最大数量；后来使用了链表以便便维护和扩展，就不再需要使用传入的参数。
返回：返回该对象的描述符，注意要使用 close 关闭该描述符。
2.2、epoll_ctl()函数
函数原型：
#include 功能：操作epoll的文件描述符，主要是对epoll的红黑树节点进行操作，比如节点的增删改查。
参数说明：
| 参数 | 含义 |
|---|---|
| epfd | 通过 epoll_create 创建的文件描述符 |
| op | 对红黑树的操作，比如节点的增加、修改、删除，分别对应EPOLL_CTL_ADD、EPOLL_CTL_MOD、EPOLL_CTL_DEL |
| fd | 需要添加监听的文件描述符 |
| event | 事件信息 |
注意：epoll_ctl是非阻塞的，不会被挂起。
2.3、struct epoll_event结构体
struct epoll_event结构体原型：
typedef union epoll_data{
void* ptr;
int fd;
uint32_t u32;
uint64_t u64
};
struct epoll_event{
uint32_t events;
epoll_data_t data;
}
events成员代表要监听的epoll事件类型
events成员：
| 成员变量 | 含义 |
|---|---|
| EPOLLIN | 监听fd的读事件 |
| EPOLLOUT | 监听fd的写事件 |
| EPOLLRI | 监听紧急数据可读事件（带外数据到来） |
| EPOLLRDHUP | 监听套接字关闭或半关闭事件 |
| EPOLLET | 将EPOLL设为边缘触发(Edge Triggered)模式 |
data成员：
data 成员时一个联合体类型，可以在调用 epoll_ctl 给 fd 添加/修改描述符监听的事件时携带一些数据，方便后面的epoll_wait可以取出信息使用。
2.4、epoll_wait()函数
函数原型：
#include 功能：阻塞一段时间，等待事件发生
返回：返回事件数量，事件集添加到events数组中。也就是遍历红黑树中的双向链表，把双向链表中的节点数据拷贝出来，拷贝完毕后把节点从双向链表中移除。
| 返回值 | 含义 |
|---|---|
| 大于0 | 事件个数 |
| 等于0 | 超时时间timeout到了 |
| 小于0 | 出错，可通过errno查看出错原因 |
参数说明：
| 参数 | 含义 |
|---|---|
| epfd | 通过 epoll_create 创建的文件描述符 |
| events | 存放就绪的事件集合，是输出参数 |
| maxevents | 最大可存放事件数量，events数组大小 |
| timeout | 阻塞等待的时间长短，单位是毫秒，-1表示一直阻塞等待 |
三、实现步骤
epoll的优点：
- 不需要轮询所有的文件描述符。
- 每次取就绪集合，都在固定位置。
- 事件的就绪和IO触发可以异步解耦。
（1）创建socket。
int listenfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
if(listenfd==-1){
printf("errno = %d, %s\n",errno,strerror(errno));
return SOCKET_CREATE_FAILED;
}
（2）绑定地址。
struct sockaddr_in server;
memset(&server,0,sizeof(server));
server.sin_family=AF_INET;
server.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
server.sin_port=htons(LISTEN_PORT);
if(-1==bind(listenfd,(struct sockaddr*)&server,sizeof(server))){
printf("errno = %d, %s\n",errno,strerror(errno));
close(listenfd);
return SOCKET_BIND_FAILED;
}
（3）设置监听。
if(-1==listen(listenfd,BLOCK_SIZE)){
printf("errno = %d, %s\n",errno,strerror(errno));
close(listenfd);
return SOCKET_LISTEN_FAILED;
}
（4）创建epoll。
int epfd=epoll_create(1);
if(epfd==-1)
{
perror("epoll_create error");
return SOCKET_EPOLL_CREATE_FAILED;
}
（5）添加listen fd 到epoll。
struct epoll_event ev;
ev.events=EPOLLIN;
ev.data.fd=listenfd;
if(epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,listenfd,&ev)==-1)
{
perror("epoll_ctl error");
return SOCKET_EPOLL_CTL_FAILED;
}
（6）监听事件。
int nready=epoll_wait(epfd,evs,EVENTS_LENGTH,-1);
（7）如果监听套接字有新连接请求，处理新连接。
int curfd=evs[i].data.fd;
if(curfd==listenfd)
{
// accept
struct sockaddr_in client;
socklen_t clientlen=sizeof(client);
int clientfd=accept(listenfd,(struct sockaddr*)&client,&clientlen);
if(clientfd==-1)
{
perror("accept error");
continue;
}
//printf("client %s:%d connected\n", inet_ntoa(cli_addr.sin_addr), ntohs(cli_addr.sin_port));
printf("client %s:%d connected\n", inet_ntoa(client.sin_addr),ntohs(client.sin_port));
ev.events=EPOLLIN;
ev.data.fd=clientfd;
if(epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,clientfd,&ev)==-1)
{
perror("epoll_ctl error");
exit(SOCKET_EPOLL_CTL_FAILED);
}
}
（8）处理客户端发来的数据和发送数据到客户端。
if(evs[i].events&EPOLLIN)
{
//read
int ret=recv(curfd,rbuff,BUFFER_LENGTH,0);
if(ret>0)
{
printf("recv from %d: %s\n",curfd,rbuff);
rbuff[ret]='\0';
memcpy(wbuff,rbuff,BUFFER_LENGTH);
ev.events=EPOLLOUT;
ev.data.fd=curfd;
if(epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,curfd,&ev)==-1)
{
perror("epoll_ctl error");
exit(SOCKET_EPOLL_CTL_FAILED);
}
}
else if(ret==0)// 连接关闭
{
printf("client %d disconnected\n", evs[i].data.fd);
// 将连接从epoll实例中删除
if(epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, evs[i].data.fd, NULL)==-1)
{
perror("epoll_ctl error");
exit(SOCKET_EPOLL_CTL_FAILED);
}
close(evs[i].data.fd);
}
else if (ret == -1) {
if (errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK) {
continue; // 数据已读完
}
perror("read error");
break;
}
else{
printf("read error,unknow type %d\n",ret);
}
}
else if(evs[i].events&EPOLLOUT)
{
//write
send(curfd,wbuff,BUFFER_LENGTH,0);
ev.events=EPOLLIN;
ev.data.fd=curfd;
if(epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,curfd,&ev)==-1)
{
perror("epoll_ctl error");
exit(SOCKET_EPOLL_CTL_FAILED);
}
}
四、完整代码
#include 编译命令：
gcc -o server server.c
五、TCP客户端
5.1、自己实现一个TCP客户端
自己实现一个TCP客户端连接TCP服务器的代码：
#include 编译：
gcc -o client client.c
5.2、Windows下可以使用NetAssist的网络助手工具
下载地址：http://old.tpyboard.com/downloads/NetAssist.exe
小结
至此，我们最终确定使用IO多路复用器epoll处理高并发。但是，上面的epoll实现的TCP服务器存在一些问题：
- 所有的连接都是使用相同的读写缓存（rbuff和wbuff），这会导致数据覆盖。
- 没有分包能力。
下一章节会解决这些问题，构建一个reactor网络模型。
