IO多路复用-epoll
IO多路复用-epoll
1. 概述
epoll 全称 eventpoll，是 linux 内核实现IO多路转接/复用（IO multiplexing）的一个实现。
epoll是select和poll的升级版，相较于这两个前辈，epoll改进了工作方式，因此它更加高效。
- 对于待检测集合select和poll是基于线性方式处理的，epoll是基于红黑树来管理待检测集合的。
- select和poll每次都会线性扫描整个待检测集合，集合越大速度越慢，epoll使用的是回调机制，效率高，处理效率也不会随着检测集合的变大而下降
- 程序猿需要对select和poll返回的集合进行判断才能知道哪些文件描述符是就绪的，通过epoll可以直接得到已就绪的文件描述符集合，无需再次检测
- 使用epoll没有最大文件描述符的限制，仅受系统中进程能打开的最大文件数目限制
当多路复用的文件数量庞大、IO流量频繁的时候，推荐使用epoll()。
2. 函数说明
在epoll中一共提供是三个API函数，分别处理不同的操作
#include select/poll低效的原因之一是将“添加/维护待检测任务”和“阻塞进程/线程”两个步骤合二为一。每次调用select都需要这两步操作，然而大多数应用场景中，需要监视的socket个数相对固定，并不需要每次都修改。epoll将这两个操作分开，先用epoll_ctl()维护等待队列，再调用epoll_wait()阻塞进程（解耦）。通过下图的对比显而易见，epoll的效率得到了提升。
epoll_create()函数的作用是创建一个红黑树模型的实例，用于管理待检测的文件描述符的集合。
int epoll_create(int size);
函数参数 size：指定一个大于0的数值就可以
函数返回值：
- 失败：返回-1
- 成功：返回一个有效的文件描述符，通过这个文件描述符就可以访问创建的epoll实例了
epoll_ctl()函数的作用是管理红黑树实例上的节点，可以进行添加、删除、修改操作。
// 联合体, 多个变量共用同一块内存
typedef union epoll_data {
void *ptr;
int fd; // 通常情况下使用这个成员, 和epoll_ctl的第三个参数相同即可
uint32_t u32;
uint64_t u64;
} epoll_data_t;
struct epoll_event {
uint32_t events; /* Epoll events */
epoll_data_t data; /* User data variable */
};
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
函数参数：
- epfd：epoll_create() 函数的返回值，通过这个参数找到epoll实例
- op：这是一个枚举值，控制通过该函数执行什么操作
- EPOLL_CTL_ADD：往epoll模型中添加新的节点
- EPOLL_CTL_MOD：修改epoll模型中已经存在的节点
- EPOLL_CTL_DEL：删除epoll模型中的指定的节点
- fd：文件描述符，即要添加/修改/删除的文件描述符
- event：epoll事件，用来修饰第三个参数对应的文件描述符的，指定检测这个文件描述符的什么事件
- events：委托epoll检测的事件
- EPOLLIN：读事件, 接收数据, 检测读缓冲区，如果有数据该文件描述符就绪
- EPOLLOUT：写事件, 发送数据, 检测写缓冲区，如果可写该文件描述符就绪
- EPOLLERR：异常事件
- data：用户数据变量，这是一个联合体类型，通常情况下使用里边的fd成员，用于存储待检测的文件描述符的值，在调用epoll_wait()函数的时候这个值会被传出。
- events：委托epoll检测的事件
函数返回值：
- 失败：返回-1
- 成功：返回0
epoll_wait()函数的作用是检测创建的epoll实例中有没有就绪的文件描述符。
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);
函数参数：
- epfd：epoll_create() 函数的返回值, 通过这个参数找到epoll实例
- events：传出参数, 这是一个结构体数组的地址, 里边存储了已就绪的文件描述符的信息
- maxevents：修饰第二个参数, 结构体数组的容量（元素个数）
- timeout：如果检测的epoll实例中没有已就绪的文件描述符，该函数阻塞的时长, 单位ms 毫秒
- 0：函数不阻塞，不管epoll实例中有没有就绪的文件描述符，函数被调用后都直接返回
- 大于0：如果epoll实例中没有已就绪的文件描述符，函数阻塞对应的毫秒数再返回
- -1：函数一直阻塞，直到epoll实例中有已就绪的文件描述符之后才解除阻塞
函数返回值：
- 成功：
- 等于0：函数是阻塞被强制解除了, 没有检测到满足条件的文件描述符
- 大于0：检测到的已就绪的文件描述符的总个数
- 失败：返回-1
3. epoll的使用
3.1 操作步骤
服务器端
- 创建监听的套接字
- 使用本地的IP与端口和监听的套接字进行绑定
- 给监听的套接字设置监听
- 创建epoll实例对象
- 将用于监听的套接字添加到epoll实例中
- 检测添加到epoll实例中的文件描述符是否已就绪，并将这些已就绪的文件描述符进行处理
- 如果是监听的文件描述符，和新客户端建立连接，将得到的文件描述符添加到epoll实例中
- 如果是通信的文件描述符，和对应的客户端通信，如果连接已断开，将该文件描述符从epoll实例中删除
- 重复第6步的操作
3.2 示例代码
服务器:
//
// Created by 47468 on 2024/1/26.
//
#include "arpa/inet.h"
#include "unistd.h"
#include 客户端代码不变
4. epoll的工作模式
4.1 水平模式
LT（level triggered）是缺省的工作方式，并且同时支持block和no-block socket。
特点:
- 读事件：如果文件描述符对应的读缓冲区还有数据，读事件就会被触发，epoll_wait()解除阻塞
也就是说只要都缓冲区里面有数据, 即使没处理, 他会一直通知
写事件也是一样, 只要写缓冲区可写, 就会一直触发
4.2 边沿模式
ET（edge-triggered）是高速工作方式，只支持no-block socket
当文件描述符从未就绪变为就绪时，内核会通过epoll通知使用者。然后它会假设使用者知道文件描述符已经就绪，并且不会再为那个文件描述符发送更多的就绪通知（only once）
ET模式在很大程度上减少了epoll事件被重复触发的次数，因此效率要比LT模式高。
特点:
读事件：当读缓冲区有新的数据进入，读事件被触发一次，没有新数据不会触发该事件
- 读事件被触发，可以通过调用read()/recv()函数将缓冲区数据读出
- 如果数据没有被全部读走，并且没有新数据进入，读事件不会再次触发，只通知一次
- 如果数据被全部读走或者只读走一部分，此时有新数据进入，读事件被触发，并且只通知一次
写事件：当写缓冲区状态可写，写事件只会触发一次
- 写缓冲区从不满到被写满，期间写事件只会被触发一次
- 写缓冲区从满到不满，状态变为可写，写事件只会被触发一次
综上所述：epoll的边沿模式下 epoll_wait()检测到文件描述符有新事件才会通知，如果不是新的事件就不通知，通知的次数比水平模式少，效率比水平模式要高。
4.3 边沿模式的设置
epoll管理的红黑树示例中每个节点都是struct epoll_event类型，只需要将EPOLLET添加到结构体的events成员中即可：
struct epoll_event ev;
ev.events = EPOLLIN | EPOLLET; // 设置边沿模式
在服务器端的代码改动:
// 把用于通信的套接字放到epoll实例中去
ev.data.fd = cfd;
ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;
res = epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, cfd, &ev);
if(res == -1){
perror("epoll_ctl-accept");
exit(0);
}
这样的话, 把服务器端的buf该校一下, 每次只接受5个字节, 这样服务器就无法一次把数据全部接收完
客户端:
服务器:
也就是说每次有新的数据发送的时候, 服务器才能把原来缓冲区的数据读出来
4.4 边沿模式非阻塞设置
第一种方式是把read函数放到while循环中一直读取, 只有有数据就读取
int len = 0;
while((len = recv(curfd, buf, sizeof(buf), 0)) > 0)
{
// 数据处理...
}
但这样的话有一个问题就是数据读取完了之后, 线程就阻塞在read函数中了, 无法继续向下运行, 所以我们需要把cfd这个文件描述符的状态设置为非阻塞
需要使用fcntl()函数进行处理：
// 设置完成之后, 读写都变成了非阻塞模式
int flag = fcntl(cfd, F_GETFL);
flag |= O_NONBLOCK;
fcntl(cfd, F_SETFL, flag);
就是这样:
// 有新客户端建立连接
sockaddr_in saddr{};
int len = sizeof(saddr);
int cfd = accept(lfd, (sockaddr *) &saddr, (socklen_t *) &len);
// 把cfd设置为非阻塞模式
auto flag = fcntl(cfd, F_GETFL);
flag |= O_NONBLOCK;
fcntl(cfd, F_SETFL, flag);
// 打印客户端信息
char ip[32];
也就是说把解说数据的代码部分都放到一个while循环中
这是还存在一个问题就是, 当循环读取完客户端发来的数据后, 没数据的话read也不会阻塞, 而是直接返回-1, 这样的话会直接打印错误信息recv, 并退出程序, 这并不是我们想要的, 我们想在接受完一部分数据后, 跳出while循环, 并继续走上一层for循环, 检测有没有新的文件描述符就绪
我们先来运行程序看是什么错误信息, 根据错误信息进行判断什么时候break
我们可以看出来, 客户端之发送了一个dsa, 服务器接收到之后, 报错并直接退出
我们查一下这个错误信息, 看一下read函数的error
能看出是这个原因导致的, 所以我们在len==-1里面判断一下错误号即可:
这样就ok了
运行:
最后的服务器端的代码:
//
// Created by 47468 on 2024/1/26.
//
#include "arpa/inet.h"
#include "unistd.h"
#include 5. 多线程+epoll边沿模式
大致思想跟select多线程通信其实是一样的
直接上代码
服务器端:
//
// Created by 47468 on 2024/1/26.
//
#include "arpa/inet.h"
#include "unistd.h"
#include 客户端
//
// Created by 47468 on 2024/1/26.
//
#include "arpa/inet.h"
#include "unistd.h"
#include
#include
#include "cstdlib"
#include "iostream"
using namespace std;
int main(){
// 1. 创建用于通信的套接字
int fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if(fd == -1){
perror("socket");
exit(0);
}
// 2. 连接服务器
sockaddr_in saddr{};
saddr.sin_family = AF_INET;
saddr.sin_port = htons(9999);
inet_pton(AF_INET, "192.168.110.129", &saddr.sin_addr.s_addr);
int res = connect(fd, (sockaddr *) &saddr, sizeof(saddr));
if(res == -1){
perror("connet");
exit(0);
}
// 通信
while(true){
// 读数据
char readBuf[1024];
// 写数据
cout << "请输入要发送的字符串: " << endl;
cin.getline(readBuf, sizeof(readBuf));
// 发送数据到客户端
write(fd, readBuf, strlen(readBuf));
// 接收服务器发送的数据
ssize_t len = read(fd, readBuf, sizeof(readBuf));
// readBuf[len] = '\0';
cout << readBuf << endl;
}
close(fd);
return 0;
}