TCP/IP网络编程 基于Linux编程_3 --优于select的epoll

前言：关于并发服务器中的I/O复用实现方式，前面我们讲过select的方式，但select的性能比较低，并不适合以Web服务器端开发为主流的现代开发环境。因此就有了Linux下的epoll，BSD的kqueue，Solaris的/dev/poll和Windows的IOCP等复用技术。本章就来讲讲Linux下的epoll技术。

epoll理解及应用

• 基于select的I/O复用技术速度慢的原因：
  1，调用select函数后常见的针对所有文件描述符的循环语句。它每次事件发生需要遍历所有文件描述符，找出发生变化的文件描述符。(以前写的示例没加循环)

  2，每次调用select函数时都需要向该函数传递监视对象信息。即每次调用select函数时向操作系统传递监视对象信息，至于为什么要传？是因为我们监视的套接字变化的函数，而套接字是操作系统管理的。(这个才是最耗效率的)

  注释：基于这样的原因并不是说select就没用了，在这样的情况下就适合选用select：1，服务端接入者少 2，程序应具有兼容性。

• epoll是怎么优化select问题的：
  1，每次发生事件它不需要循环遍历所有文件描述符，它把发生变化的文件描述符单独集中到了一起。

  2，仅向操作系统传递1次监视对象信息，监视范围或内容发生变化时只通知发生变化的事项。

• 实现epoll时必要的函数和结构体

  函数：
  epoll_create：创建保存epoll文件描述符的空间，该函数也会返回文件描述符，所以终止时，也要调用close函数。(创建内存空间)

  epoll_ctl：向空间注册，添加或修改文件描述符。(注册监听事件)

  epoll_wait：与select函数类似，等待文件描述符发生变化。(监听事件回调)

  结构体：
  struct epoll_event
  {
  __uint32_t events;
  epoll_data_t data;
  }

  typedef union epoll_data
  {
  void *ptr;
  int fd;
  __uinit32_t u32;
  __uint64_t u64;
  } epoll_data_t;

  基于epoll的回声服务器端

//
// main.cpp
// hello_server
//
// Created by app05 on 15-10-19.
// Copyright (c) 2015年 app05. All rights reserved.
//

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

#define BUF_SIZE 100
#define EPOLL_SIZE 50
void error_handling(char *buf);

int main(int argc, const char * argv[]) {
    int serv_sock, clnt_sock;
    struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;
    socklen_t adr_sz;
    int str_len, i;
    char buf[BUF_SIZE];

    //类似select的fd_set变量查看监视对象的状态变化，epoll_event结构体将发生变化的文件描述符单独集中到一起
    struct epoll_event *ep_events;
    struct epoll_event event;
    int epfd, event_cnt;

    if(argc != 2)
    {
        printf("Usage: %s <port> \n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(serv_sock == -1)
        error_handling("socket() error");

    memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
    serv_adr.sin_family = AF_INET;
    serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));

    if(bind(serv_sock, (struct sockaddr *) &serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1)
        error_handling("bind() error");

    if(listen(serv_sock, 5) == -1)
        error_handling("listen() error");

    //创建文件描述符的保存空间称为“epoll例程”
    epfd = epoll_create(EPOLL_SIZE);
    ep_events = malloc(sizeof(struct epoll_event) *EPOLL_SIZE);

    //添加读取事件的监视(注册事件)
    event.events = EPOLLIN;  //读取数据事件
    event.data.fd = serv_sock;
    epoll_ctl(epdf, EPOLL_CTL_ADD, serv_sock, &event);

    while (1)
    {
        //响应事件，返回发生事件的文件描述符数
        event_cnt = epoll_wait(epfd, ep_events, EPOLL_SIZE, -1);  //传-1时，一直等待直到事件发生
        if(event_cnt == -1)
        {
            puts("epoll_wait() error");
            break;
        }

        //服务端套接字和客服端套接字
        for (i = 0; i < event_cnt; i++) {
            if(ep_events[i].data.fd == serv_sock)//服务端与客服端建立连接
            {
                adr_sz = sizeof(clnt_adr);
                clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr *)&clnt_adr, &adr_sz);
                event.events = EPOLLIN;
                event.data.fd = clnt_sock;
                epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, clnt_sock, &event);
                printf("connected client: %d \n", clnt_sock);
            }
            else  //连接之后传递数据
            {
                str_len = read(ep_events[i].data.fd, buf, BUF_SIZE);
                if(str_len == 0)
                {
                    //删除事件
                    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, ep_events[i].data.fd, NULL);
                    close(ep_events[i].data.fd);
                    printf("closed client: %d \n", ep_events[i].data.fd);
                }
                else
                {
                    write(ep_events[i].data.fd, buf, str_len);
                }
            }
        }
    }

    close(serv_sock);
    close(epfd);
    return 0;
}

void error_handling(char *message)
{
    fputs(message, stderr);
    fputc('\n', stderr);
    exit(1);
}

条件触发和边缘触发

• 什么是条件触发和边缘触发？它们是指事件响应的方式，epoll默认是条件触发的方式。条件触发是指：只要输入缓冲中有数据就会一直通知该事件，循环响应epoll_wait。而边缘触发是指：输入缓冲收到数据时仅注册1次该事件，即使输入缓冲中还留有数据，也不会再进行注册，只响应一次。

• 边缘触发相对条件触发的优点：可以分离接收数据和处理数据的时间点，从实现模型的角度看，边缘触发更有可能带来高性能。

• 将上面epoll实例改为边缘触发：
  1，首先改写 event.events = EPOLLIN | EPOLLET; （EPOLLIN:读取数据事件 EPOLLET:边缘触发方式）

  2，边缘触发只响应一次接收数据事件，所以要一次性全部读取输入缓冲中的数据，那么就需要判断什么时候数据读取完了？Linux声明了一个全局的变量：int errno; (error.h中)，它能记录发生错误时提供额外的信息。这里就可以用它来判断是否读取完数据：

str_len = read(...);
if(str_len < 0)
{
    if(errno == EAGAIN) //读取输入缓冲中的全部数据的标志
        break;
}

3，边缘触发方式下，以阻塞方式工作的read&write有可能会引起服务端的长时间停顿。所以边缘触发一定要采用非阻塞的套接字数据传输形式。那么怎么将套接字的read,write数据传输形式修改为非阻塞模式呢？

//fd套接字文件描述符，将此套接字数据传输模式修改为非阻塞
void setnonblockingmode(int fd)
{
    int flag = fcntl(fd, F_GETFL,0); //得到套接字原来属性
    fcntl(fd, F_SETFL, flag | O_NONBLOCK);//在原有属性基础上设置添加非阻塞模式
}