TCP/IP 网络编程（五）

优于 select 的 epoll (I/O 复用)

select 速度慢的原因

• 调用select后针对所有文件描述符的循环
• 每次调用函数时都需要向该函数传递监视对象信息

select并不是把发生变化的文件描述符单独集中到一起，而是通过观察作为监视对象的fd_set函数的变化，因此不能避免对所有监视对象的循环语句。而且，监视对象变量会发生变化，在调用select函数之前要复制并保存原有信息，并在每次调用时传递新的监视对象信息。

传递新的监视对象信息是资源消耗的主要原因，因为每次都是向操作系统传递监视对象信息。对程序负担很大。

“为何要向操作系统传递监视对象信息呢？”

select需要监视套接字变化，而套接字属于操作系统所有，因此陷入内核态执行会导致很大的上下文切换负担。

“仅向操作系统传递1次监视对象，监视范围或内容发生变化时只通知发生变化的事项”，是不是很棒的想法？？？

Linux支持的方式是epoll，Windows支持的方式是IDCP。

select 的优点

• 服务器端接入者少
• 程序应该具有兼容性

实现 epoll 必要的函数和结构体

epoll 优点

• 无需编写以监视状态变化为目的的针对所有文件描述符的循环语句
• 调用对应于select函数的epoll_wait函数时无需每次传递监视对象

epoll 服务器端实现需要的3个函数

1. epoll_create: 创建保存epoll文件描述符的空间（在操作系统中申请）
2. epoll_ctl: 向空间注册（注销）文件描述符
3. epoll_wait: 等待文件描述符发生变化

struct epoll_event
{
    __uint32_t events;
    epoll_data_t data;
}

typedef union epoll_data
{
    void * ptr;
    int fd;
    __uint32_t u32;
    __uint64_t u64;
} epoll_data_t;

声明足够大的epoll_event结构体数组后，传递给epoll_wait函数，发生变化的文件描述符信息将被填入该数组。

#include <sys/epoll.h>

int epoll_create(int size); // 成功返回 epoll 文件描述符，失败返回 -1

~ size: epoll 实例的大小

调用该函数时创建的文件描述符保存空间称为“epoll例程”。函数返回的文件描述符主要用于区分epoll例程。

生成epoll例程后，应在其内部注册监视对象文件描述符。

#include <sys/epoll.h>

int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event * event); // 成功返回0， 失败返回-1

~ epdf: 用于注册监视对象的epoll例程的文件描述符
~ op: 用于指定监视对象的添加、删除和更改等操作
~ fd: 需要注册的监视对象文件描述符
~ event: 监视对象的事件类型

调用形式如下：

epoll_ctl(A, EPOLL_CTL_ADD, B, C);

epoll 例程A中注册文件描述符B,主要目的是监视参数C中的事件

epoll_ctl(A, EPOLL_CTL_DEL, B, NULL);

从epoll例程A中删除文件描述符B

EPOLL_CTL_MOD：更改注册的文件描述符的关注事件发生情况

epoll_event结构体用于保存发生事件的文件描述符集合。但也可以在epoll例程中注册文件描述符时，用于注册关注的事件。

struct epoll_event event;
...
event.events = EPOLLIN; // 发生需要读取数据的情况时
event.data.fd = sockfd;
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, sockfd, &event);
...

上述代码将sockfd注册到epoll例程epfd中，并在需要读取数据的情况下产生响应事件。

• EPOLL_IN: 需要读取数据的情况
• EPOLL_OUT: 输出缓冲为空，可以立即发送数据的情况
• EPOLLPRI: 收到OOB数据的情况
• EPOLLRDHUP: 断开连接或半关闭的情况
• EPOLLERR:发生错误的情况
• EPOLLET: 以边缘触发的方式得到事件通知
• EPOLLONESHOT: 发生一次事件后，相应文件描述符不再收到事件通知。

#incude <sys/epoll.h>

int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout); // 成功返回发生事件的文件描述符数，失败返回 -1

~ epdf: epoll 例程文件描述符
~ events: 保存发生事件的文件描述符集合的结构体地址值
~ maxevents: 第二个参数中保存的最大事件数
~ timeout: 以毫秒为单位的等待时间，-1 表示一直等待

使用方式如下：

int event_cnt;
struct epoll_event * ep_events;
...
ep_events = malloc(sizeof(struct epoll_event)*EPOLL_SIZE);
...
enent_cnt = epoll_wait(epfd, ep_events, EPOLL_SIZE, -1);
...

调用函数后，返回发生事件的文件描述符数，同时在第二个参数指向的缓冲中保存发生事件的文件描述符集合。

#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 *bug);

int main(int argc, char *argv[])
{
    int serv_sock, clnt_sock; //服务器端的套接字和客户端套接字
    struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr; //用于保存客户端和服务器端的地址信息
    socklen_t adr_sz;
    int str_len, i;
    char buf[BUF_SIZE]; //输入输出的缓冲区

    struct epoll_event *ep_events; // 保存发生事件的文件描述符集合的结构体地址值
    struct epoll_event event; // 用于注册需要相应的事件
    int epfd, event_cnt;

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

    serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0); // 服务器端套接字
    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) // 绑定
        error_handling("bind() error");
    if(listen(serv_sock, 5) == -1) // 监听
        error_handling("listen() error");

    epfd = epoll_create(EPOLL_SIZE); // 创建epoll例程空间， 返回例程空间的文件描述符
    ep_events = malloc(sizeof(struct epoll_event) * EPOLL_SIZE); // 申请空间给epoll_wait函数，发生事件的文件描述符将写入这个数组中。数组大小（50）和之前创建例程空间的大小相同

    event.events = EPOLLIN;
    event.data.fd = serv_sock;
    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, serv_sock, &event); // 将文件描述符serv_sock添加到epoll例程epfd中，监视serv_sock的EPOLLIN事件

    while(1)
    {
        event_cnt = epoll_wait(epfd, ep_events, EPOLL_SIZE, -1); // 返回值是发生事件的文件描述符个数，操作系统将其依次填充在epoll_event数组中
        if(event_cnt == -1)
        {
            puts("epoll_wait() error");
            break;
        }

        for(i=0; i<event_cnt; i++) 
        {
            // 这里要区分是服务器端套接字还是客户端套接字发生事件
            // 服务器端发生事件那么要调用 accept 函数生成新的客户端套接字
            // 客户端发生事件那么会是发生了读写请求，后面还会再区分一次
            // epoll 例程监视所有的套接字，只能循环一遍才能发现发生事件的
            // 套接字是不是服务器端套接字
            if(ep_events[i].data.fd == serv_sock) // 发生事件的是服务器端套接字
            {
                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); //复用 event 将新的客户端套接字添加进epoll 例程
                printf("connected client : %d \n", clnt_sock);
            }
            else // 发生事件的是客户端套接字，但是还要区分是读还是写
            {
                str_len = read(ep_events[i].data.fd, buf, BUF_SIZE);
                if(str_len == 0) // 没有读到数据，因为客户端请求关闭 FIN
 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 // 读取到了数据，将数据回显
                {
                    write(ep_events[i].data.fd, buf, str_len);
                }
            }
        } // end for
    } // end while

    close(serv_sock);
    close(epfd); // epoll 例程空间也是文件描述符
    return 0;
}

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