Linux网络编程5-epoll模型
- 1.epoll相关函数
- 2.epoll服务器流程
- 3.epoll服务器代码实现
- 4.LT模式与ET模式
- 5.ET模式一次性读完数据的实现
- 6.epoll反应堆思想
- 7.epoll反应堆代码实现
- 8.epoll反应堆代码分析
1.epoll相关函数
#include <sys/epoll.h>
int epoll_create(int size);
/*
函数说明:创建一棵epoll树(底层是红黑树),返回树的根节点epfd。
函数参数:
size:必须传一个大于0的数
返回值:
返回一个文件描述符,表示epoll树的根节点
*/
#include <sys/epoll.h>
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
/*
函数说明:将fd对应的event事件插入树、从树上删除和修改fd对应的event
函数参数:
epfd:epoll树的根节点
op:
EPOLL_CTL_ADD:插入节点
EPOLL_CTL_MOD:修改节点
EPOLL_CTL_DEL:删除节点
fd:要操作的文件描述符
event:
event.events:
EPOLLIN:可读事件
EPOLLOUT:可写事件
EPOLLERR:异常事件
event.data.fd:
委托内核监控的文件描述符
*/
typedef union epoll_data {
void *ptr;
int fd;
uint32_t u32;
uint64_t u64;
} epoll_data_t;
struct epoll_event {
uint32_t events; /* Epoll events */
epoll_data_t data; /* User data variable */
};
// 将fd的可读事件插入树中
struct epoll_event ev;
ev.events = EPOLLIN;
ev.data.fd = fd;
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &ev);
#include <sys/epoll.h>
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);
/*
函数说明:委托内核监控epoll树的事件节点
函数参数:
epfd:epoll树根节点
events:传出参数,事件结构体数组
maxevents:events数组大小
timeout:
-1表示阻塞
0表示不阻塞
>0表示阻塞超时时长
返回值:
>0:发生事件的io请求的个数
0:没有文件描述符发生变化
-1:error
epoll_wait返回的数组中的事件节点的值不会修改,是当时插入epoll树的时候设置的值。
*/
2.epoll服务器流程
//使用epoll模型开发服务器流程:
int main()
{
//1 创建socket, 得到监听文件描述符lfd----socket()
//2 设置端口复用----setsockopt()
//3 绑定----bind()
//4 监听----listen()
//5
//创建一棵epoll树
int epfd = epoll_create();
//将监听文件描述符上树
struct epoll_event ev;
ev.evetns = EPOLLIN; //可读事件
ev.data.fd = lfd;
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, lfd, &ev);
struct epoll_event events[1024];
while(1)
{
nready = epoll_wait(epfd, events, 1024, -1);
if(nready<0)
{
if(errno==EINTR)//被信号中断
{
continue;
}
break;
}
for(i=0; i<nready; i++)
{
sockfd = events[i].data.fd;
//有客户端连接请求到来
if(sockfd==lfd)
{
cfd = accept(lfd, NULL, NULL);
//将cfd对应的读事件上epoll树
ev.data.fd = cfd;
ev.evetns = EPOLLIN;
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, cfd, &ev);
continue;
}
//有客户端发送数据过来
n = Read(sockfd, buf, sizeof(buf));
if(n<=0)
{
close(sockfd);
//将sockfd对应的事件节点从epoll树上删除
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, sockfd, NULL);
perror("read error or client closed");
continue;
}
else
{
write(sockfd, buf, n);
}
}
}
Close(epfd);
close(lfd);
return 0;
}
3.epoll服务器代码实现
//EPOLL模型测试
#include "wrap.h"
#include <sys/epoll.h>
#include <ctype.h>
int main()
{
int ret;
int n;
int i;
int k;
int nready;
int lfd;
int cfd;
int sockfd;
char buf[1024];
socklen_t socklen;
struct sockaddr_in svraddr;
struct epoll_event ev;
struct epoll_event events[1024];
//创建socket
lfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
//设置文件描述符为端口复用
int opt = 1;
setsockopt(lfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(int));
//绑定bind
svraddr.sin_family = AF_INET;
svraddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
svraddr.sin_port = htons(8888);
Bind(lfd, (struct sockaddr *)&svraddr, sizeof(struct sockaddr_in));
//监听listen
Listen(lfd, 128);
//创建一棵epoll树
int epfd = epoll_create(1024);
if(epfd<0)
{
perror("create epoll error");
return -1;
}
//将lfd上epoll树
ev.data.fd = lfd;
ev.events = EPOLLIN;
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, lfd, &ev);
while(1)
{
nready = epoll_wait(epfd, events, 1024, -1);
if(nready<0)
{
perror("epoll_wait error");
if(errno==EINTR)
{
continue;
}
break;
}
for(i=0; i<nready; i++)
{
//有客户端连接请求
sockfd = events[i].data.fd;
if(sockfd==lfd)
{
cfd = Accept(lfd, NULL, NULL);
//将新的cfd上epoll树
ev.data.fd = cfd;
ev.events = EPOLLIN;
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, cfd, &ev);
continue;
}
//有客户端发送数据过来
memset(buf, 0x00, sizeof(buf));
//n = Read(sockfd, buf, sizeof(buf));
n = recv(sockfd, buf, sizeof(buf), 0);
if(n<=0)
{
printf("n==[%d], buf==[%s]\n", n, buf);
close(sockfd);
//将sockfd对应的事件就节点从epoll树上删除
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, sockfd, NULL);
}
else
{
printf("n==[%d], buf==[%s]\n", n, buf);
for(k=0; k<n; k++)
{
buf[k] = toupper(buf[k]);
}
//Write(sockfd, buf, n);
send(sockfd, buf, n, 0);
}
}
}
close(epfd);
close(lfd);
return 0;
}
4.LT模式与ET模式
epoll的两种模式ET和LT模式:分别表示边缘触发和水平触发。
LT水平触发: 高电平代表1:只要缓冲区中有数据, 就一直通知
ET边缘触发: 电平有变化就代表1:缓冲区中有数据只会通知一次, 之后再有数据才会通知.(若是读数据的时候没有读完, 则剩余的数据不会再通知, 直到有新的数据到来)
epoll默认情况下是LT模式,在这种模式下,若读数据一次性没有读完,缓冲区中还有可读数据,则epoll_wait还会再次通知
若将epoll设置为ET模式,若读数据的时候一次性没有读完,则epoll_wait不再通知,直到下次有新的数据发来.
边缘非阻塞模式: 提高效率
用实验验证ET:可以在上面epoll代码读客户端发送的数据时,read读取2字节,假如客户端发送了8字节数据,则会只读两个字节以后返回,第二次循环到epoll_wait时,虽然还有数据,但内核没有通知,因此数据没有完全读完。
此外设置ET模式,需要在accept之后设置与客户端通信的event的属性:EPOLLET
cfd = Accept(lfd, NULL, NULL);
//将新的cfd上epoll树
ev.data.fd = cfd;
ev.events = EPOLLIN | EPOLLET; // 设置EPOLLET表示ET模式
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, cfd, &ev);
5.ET模式一次性读完数据的实现
Q1:在ET模式下, 如何在epoll_wait返回一次的情况下读完数据?
循环读数据, 直到读完数据, 但是读完数据之后会阻塞.
//有客户端发送数据过来 循环读数据
memset(buf, 0x00, sizeof(buf));
while(1)
{
n = Read(sockfd, buf, 2);
printf("n==[%d]\n", n);
//读完数据的情况
if(n==-1)
{
printf("read over, n==[%d]\n", n);
break;
}
//对方关闭连接或者读异常
if(n==0 || (n<0&&n!=-1))
{
printf("n==[%d], buf==[%s]\n", n, buf);
close(sockfd);
//将sockfd对应的事件就节点从epoll树上删除
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, sockfd, NULL);
break;
}
else //正常读到数据的情况
{
printf("n==[%d], buf==[%s]\n", n, buf);
for(k=0; k<n; k++)
{
buf[k] = toupper(buf[k]);
}
Write(sockfd, buf, n);
}
}
ET模式由于只通知一次, 所以在读的时候要循环读, 直到读完, 但是当读完之后read就会阻塞, 所以应该将该文件描述符设置为非阻塞模式(fcntl函数).
read函数在非阻塞模式下读的时候, 若返回-1, 且errno为EAGAIN, 则表示当前资源不可用, 也就是说缓冲区无数据(缓冲区的数据已经读完了); 或者当read返回的读到的数据长度小于请求的数据长度时,就可以确定此时缓冲区中已没有数据可读了,也就可以认为此时读事件已处理完成。
Q2:若能够一次性读完还需要设置什么?
将通信文件描述符设置为非阻塞模式
//将cfd设置为非阻塞
int flag = fcntl(cfd, F_GETFL);
flag |= O_NONBLOCK;
fcntl(cfd, F_SETFL, flag);
ET模式一次读完所有数据完整代码:
//EPOLL模型测试:测试ET和LT模式的区别
#include "wrap.h"
#include <sys/epoll.h>
#include <ctype.h>
#include <fcntl.h>
int main()
{
int ret;
int n;
int i;
int k;
int nready;
int lfd;
int cfd;
int sockfd;
char buf[1024];
socklen_t socklen;
struct sockaddr_in svraddr;
struct epoll_event ev;
struct epoll_event events[1024];
//创建socket
lfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
//设置文件描述符为端口复用
int opt = 1;
setsockopt(lfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(int));
//绑定bind
svraddr.sin_family = AF_INET;
svraddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
svraddr.sin_port = htons(8888);
Bind(lfd, (struct sockaddr *)&svraddr, sizeof(struct sockaddr_in));
//监听listen
Listen(lfd, 128);
//创建一棵epoll树
int epfd = epoll_create(1024);
if(epfd<0)
{
perror("create epoll error");
return -1;
}
//将lfd上epoll树
ev.data.fd = lfd;
ev.events = EPOLLIN;
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, lfd, &ev);
while(1)
{
nready = epoll_wait(epfd, events, 1024, -1);
if(nready<0)
{
perror("epoll_wait error");
if(errno==EINTR)
{
continue;
}
break;
}
for(i=0; i<nready; i++)
{
//有客户端连接请求
sockfd = events[i].data.fd;
if(sockfd==lfd)
{
cfd = Accept(lfd, NULL, NULL);
//将新的cfd上epoll树
ev.data.fd = cfd;
ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, cfd, &ev);
//将cfd设置为非阻塞
int flag = fcntl(cfd, F_GETFL);
flag |= O_NONBLOCK;
fcntl(cfd, F_SETFL, flag);
continue;
}
//有客户端发送数据过来
memset(buf, 0x00, sizeof(buf));
while(1)
{
n = Read(sockfd, buf, 2);
printf("n==[%d]\n", n);
//读完数据的情况
if(n==-1)
{
printf("read over, n==[%d]\n", n);
break;
}
//对方关闭连接或者读异常
if(n==0 || (n<0&&n!=-1))
{
printf("n==[%d], buf==[%s]\n", n, buf);
close(sockfd);
//将sockfd对应的事件就节点从epoll树上删除
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, sockfd, NULL);
break;
}
else //正常读到数据的情况
{
printf("n==[%d], buf==[%s]\n", n, buf);
for(k=0; k<n; k++)
{
buf[k] = toupper(buf[k]);
}
Write(sockfd, buf, n);
}
}
}
}
close(epfd);
close(lfd);
return 0;
}
6.epoll反应堆思想
反应堆:一个小事件触发一系列反应。
epoll反应堆的思想:c++的封装思想(把数据和操作封装到一起)
1.将描述符,事件,对应的处理方法封装在一起。
2.当描述符对应的事件发生了, 自动调用处理方法(其实原理就是回调函数)
typedef union epoll_data {
void *ptr; // 使用ptr成员 指向自定义的结构
int fd;
uint32_t u32;
uint64_t u64;
} epoll_data_t;
struct epoll_event {
uint32_t events; /* Epoll events */
epoll_data_t data; /* User data variable */
};
// ptr指向自定义结构,该结构保存套接字描述符fd、监听事件类型例如EPOLLIN事件、回调函数指针用于处理该事件
/* 描述就绪文件描述符相关信息 */
struct myevent_s {
int fd; //要监听的文件描述符
int events; //对应的监听事件
void *arg; //泛型参数
void (*call_back)(int fd, int events, void *arg); //回调函数
char buf[BUFLEN];
int len;
};
epoll反应堆的核心思想是:
在调用epoll_ctl函数的时候,在events上树的时候,利用epoll_data_t的ptr成员,将一个文件描述符、事件和回调函数封装成一个结构体,然后让ptr指向这个结构体,然后在epoll_wait函数返回的时候,返回有变化的事件节点,可以得到具体的events,然后获得events结构体中的events.data.ptr指针,ptr指针指向的结构体中有回调函数,最终可以调用这个回调函数,回调函数是用户自己编写的。
总之,ptr实际指向的是一个结构体,这个结构体中至少包含文件描述符、事件和回调函数。
7.epoll反应堆代码实现
// epoll基于非阻塞I/O事件驱动
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
#include <time.h>
#include <ctype.h>
#include "wrap.h"
#define MAX_EVENTS 1024 //监听上限数
#define BUFLEN 4096
void recvdata(int fd, int events, void *arg);
void senddata(int fd, int events, void *arg);
/* 描述就绪文件描述符相关信息 */
struct myevent_s {
int fd; //要监听的文件描述符
int events; //对应的监听事件
void *arg; //泛型参数
void (*call_back)(int fd, int events, void *arg); //回调函数
int status; //是否在监听:1->在红黑树上(监听), 0->不在(不监听)
char buf[BUFLEN];
int len;
long last_active; //记录每次加入红黑树 g_efd 的时间值
};
int g_efd; //全局变量, 保存epoll_create返回的文件描述符
int g_lfd; //全局变量, 保存监听的文件描述符
struct myevent_s g_events[MAX_EVENTS+1]; //自定义结构体类型数组. +1-->listen fd
/*将结构体 myevent_s 成员变量 初始化*/
void eventset(struct myevent_s *ev, int fd, void (*call_back)(int, int, void *), void *arg)
{
ev->fd = fd;
ev->call_back = call_back;
ev->events = 0;
ev->arg = arg;
ev->status = 0;
//memset(ev->buf, 0, sizeof(ev->buf));
//ev->len = 0;
ev->last_active = time(NULL); //调用eventset函数的时间 unix时间戳
return;
}
/* 向 epoll监听的红黑树 添加一个 文件描述符 */
void eventadd(int efd, int events, struct myevent_s *ev)
{
struct epoll_event epv = {0, {0}};
int op;
epv.data.ptr = ev;
epv.events = ev->events = events; //EPOLLIN 或 EPOLLOUT
if(ev->status == 1)
{ //已经在红黑树 g_efd 里
op = EPOLL_CTL_MOD; //修改其属性
}
else
{ //不在红黑树里
op = EPOLL_CTL_ADD; //将其加入红黑树 g_efd, 并将status置1
ev->status = 1;
}
if (epoll_ctl(efd, op, ev->fd, &epv) < 0) //实际添加/修改
{
printf("event add failed [fd=%d], events[%d]\n", ev->fd, events);
}
else
{
printf("event add OK [fd=%d], op=%d, events[%0X]\n", ev->fd, op, events);
}
return ;
}
/* 从epoll 监听的 红黑树中删除一个 文件描述符*/
void eventdel(int efd, struct myevent_s *ev)
{
struct epoll_event epv = {0, {0}};
if (ev->status != 1) //不在红黑树上
return ;
epv.data.ptr = ev;
ev->status = 0; //修改状态
epoll_ctl(efd, EPOLL_CTL_DEL, ev->fd, &epv); //从红黑树 efd 上将 ev->fd 摘除
return ;
}
/* 当有文件描述符就绪, epoll返回, 调用该函数 与客户端建立链接 */
// 回调函数 - 监听的文件描述符发送读事件时被调用
void acceptconn(int lfd, int events, void *arg)
{
struct sockaddr_in cin;
socklen_t len = sizeof(cin);
int cfd, i;
cfd = Accept(lfd, (struct sockaddr *)&cin, &len);
//使用do while(0)的目的是为了避免使用goto语句
do
{
for (i = 0; i < MAX_EVENTS; i++) //从全局数组g_events中找一个空闲元素
{
if (g_events[i].status == 0) //类似于select中找值为-1的元素
{
break; //找到第一个能用的 //跳出 for
}
}
if (i == MAX_EVENTS)
{
printf("%s: max connect limit[%d]\n", __func__, MAX_EVENTS);
break; //避免goto, 跳出do while(0) 不执行后续代码
}
//将cfd设置为非阻塞
int flags = 0;
flags = fcntl(cfd, F_GETFL, 0);
flags |= O_NONBLOCK;
if ((flags = fcntl(cfd, F_SETFL, flags)) < 0)
{
printf("%s: fcntl nonblocking failed, %s\n", __func__, strerror(errno));
break;//避免goto
}
/* 给cfd设置一个 myevent_s 结构体, 回调函数 设置为 recvdata */
eventset(&g_events[i], cfd, recvdata, &g_events[i]);
//将cfd添加到红黑树g_efd中,监听读事件
eventadd(g_efd, EPOLLIN, &g_events[i]);
}while(0);
printf("new connect [%s:%d][time:%ld], pos[%d]\n",
inet_ntoa(cin.sin_addr), ntohs(cin.sin_port), g_events[i].last_active, i);
return ;
}
// 回调函数 - 通信的文件描述符发生读事件时候被调用
void recvdata(int fd, int events, void *arg)
{
int len;
struct myevent_s *ev = (struct myevent_s *)arg;
//读取客户端发来的数据
memset(ev->buf, 0x00, sizeof(ev->buf));
len = Read(fd, ev->buf, sizeof(ev->buf));//读文件描述符, 数据存入myevent_s成员buf中
eventdel(g_efd, ev); //将该节点从红黑树上摘除
if (len > 0)
{
ev->len = len;
ev->buf[len] = '\0'; //手动添加字符串结束标记
printf("C[%d]:%s\n", fd, ev->buf);
eventset(ev, fd, senddata, ev); //设置该 fd 对应的回调函数为 senddata
eventadd(g_efd, EPOLLOUT, ev); //将fd加入红黑树g_efd中,监听其写事件
}
else if (len == 0)
{
Close(ev->fd);
/* ev-g_events 地址相减得到偏移元素位置 */
printf("[fd=%d] pos[%ld], closed\n", fd, ev-g_events);
}
else
{
Close(ev->fd);
printf("read [fd=%d] error[%d]:%s\n", fd, errno, strerror(errno));
}
return;
}
// 回调函数 - 通信的文件描述符发生写事件时候被调用
void senddata(int fd, int events, void *arg)
{
int len;
struct myevent_s *ev = (struct myevent_s *)arg;
//将小写转换为大写发送给客户端
int i=0;
for(i=0; i<ev->len; i++)
{
ev->buf[i] = toupper(ev->buf[i]);
}
//发送数据给客户端
len = Write(fd, ev->buf, ev->len);
if (len > 0)
{
printf("send[fd=%d]-->[%d]:[%s]\n", fd, len, ev->buf);
eventdel(g_efd, ev); //从红黑树g_efd中移除
eventset(ev, fd, recvdata, ev); //将该fd的 回调函数改为 recvdata
eventadd(g_efd, EPOLLIN, ev); //从新添加到红黑树上, 设为监听读事件
}
else
{
Close(ev->fd); //关闭链接
eventdel(g_efd, ev); //从红黑树g_efd中移除
printf("send[fd=%d] error %s\n", fd, strerror(errno));
}
return;
}
/*创建 socket, 初始化lfd */
void initlistensocket()
{
//创建socket
g_lfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
//对事件结构体赋值
/* void eventset(struct myevent_s *ev, int fd, void (*call_back)(int, int, void *), void *arg); */
eventset(&g_events[MAX_EVENTS], g_lfd, acceptconn, &g_events[MAX_EVENTS]);//仅仅是对g_events[MAX_EVENTS]进行设置
//将监听文件描述符上树
eventadd(g_efd, EPOLLIN, &g_events[MAX_EVENTS]);
//绑定
struct sockaddr_in servaddr;
memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
servaddr.sin_port = htons(8888);
Bind(g_lfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));
Listen(g_lfd, 20);
return;
}
int main(int argc, char *argv[])
{
g_efd = epoll_create(MAX_EVENTS+1); //创建红黑树,返回给全局 g_efd
if(g_efd<0)
{
perror("create epoll error");
return -1;
}
//socket-bind-listen-将监听文件描述符上树
initlistensocket();
struct epoll_event events[MAX_EVENTS+1]; //保存已经满足就绪事件的文件描述符数组
int checkpos = 0, i;
while (1)
{
/* 超时验证,每次测试100个链接,不测试listenfd 当客户端60秒内没有和服务器通信,则关闭此客户端链接 */
long now = time(NULL); //当前时间
//一次循环检测100个。 使用checkpos控制检测对象
for (i = 0; i < 100; i++, checkpos++)
{
if (checkpos == MAX_EVENTS)
{
checkpos = 0;
}
if (g_events[checkpos].status != 1) //不在红黑树 g_efd 上
{
continue;
}
long duration = now - g_events[checkpos].last_active; //客户端不活跃的世间
if (duration >= 60)
{
Close(g_events[checkpos].fd); //关闭与该客户端链接
printf("[fd=%d] timeout\n", g_events[checkpos].fd);
eventdel(g_efd, &g_events[checkpos]); //将该客户端 从红黑树 g_efd移除
}
}
/*监听红黑树g_efd, 将满足的事件的文件描述符加至events数组中, 1秒没有事件满足, 返回 0*/
int nfd = epoll_wait(g_efd, events, MAX_EVENTS+1, 1000);
if (nfd < 0)
{
printf("epoll_wait error, exit\n");
break;
}
for (i = 0; i < nfd; i++)
{
/*使用自定义结构体myevent_s类型指针,接收联合体data的void *ptr成员*/
struct myevent_s *ev = (struct myevent_s *)events[i].data.ptr;
//读就绪事件
if ((events[i].events & EPOLLIN) && (ev->events & EPOLLIN))
{
//ev->call_back(ev->fd, events[i].events, ev->arg);
ev->call_back(ev->fd, events[i].events, ev);
}
//写就绪事件
if ((events[i].events & EPOLLOUT) && (ev->events & EPOLLOUT))
{
//ev->call_back(ev->fd, events[i].events, ev->arg);
ev->call_back(ev->fd, events[i].events, ev);
}
}
}
/*关闭文件描述符 */
Close(g_efd);
Close(g_lfd);
return 0;
}
8.epoll反应堆代码分析
2.