高级IO—poll,epoll,reactor

news2024/11/25 10:00:51

高级IO—poll,epoll,reactor

文章目录

  • 高级IO—poll,epoll,reactor
    • poll函数
      • poll函数接口
      • poll服务器
    • epoll
      • epoll的系统调用
        • epoll_create
        • epoll_ctl
        • epoll_wait
      • epoll的工作原理
      • epoll的工作方式
        • 水平触发
        • 边缘触发
      • epoll服务器
    • reactor

poll函数

poll函数是一个用于多路复用的系统调用，类似于select函数，用于监视一组文件描述符的状态。

poll函数接口

函数原型

 #include <poll.h>
int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);

  • fds：指向一个struct pollfd结构数组的指针，每个结构体描述一个要监视的文件描述符及其关注的事件。

  • nfds：fds数组中的结构体数量。

  • timeout：超时时间（以毫秒为单位）。设置为-1，表示阻塞式，设置为0，表示非阻塞，设置为大于0的数，例如设置为5000，表示阻塞5秒，5秒后非阻塞返回一次。

struct pollfd结构体定义如下：

struct pollfd {
    int fd;       // 文件描述符
    short events; // 关注的事件
    short revents; // 实际发生的事件-short-整数
};
  • event字段用于设置关注的事件，可以使用如下宏：通过event&宏事件可以将事件添加到event中

image-20231124171956283

  • revent字段用于返回实际发生的事件，也可以使用上述宏进行判断。通过revent|宏事件可以得知revent中是否包含了该就绪事件

  • poll函数的返回值是就绪文件描述符的数量，返回值大于0表示已经有文件描述符就绪，返回值等于0表示没有文件描述符就绪，返回值小于0表示出错，可以使用perror输出错误信息。

总结一下：

  1. 在poll函数的pollfd结构体中，有event参数保存用户需要OS关心的事件，有revent参数保存OS告诉用户就绪的事件，即做到了输入输出分离，不需要像select函数借助第三方数组对sock进行管理。
  2. poll函数等待文件描述符理论上没有上限。由于参数fds是一个动态数组，并不是一个确定的结构。不同于位图，动态数组可以动态扩容。且动态数组的大小取决于用户传入的nfds。

poll服务器

现对select服务器套用poll函数，改造成poll服务器。只需要对实现业务hpp改造即可

pollserver.hpp

#pragma once

#include <iostream>
#include <sys/select.h>
#include <string>
#include <functional>
#include<poll.h>
#include "Sock.hpp"

using namespace std;

namespace Poll_sv
{
    static const int defaultport = 8080;         // 默认端口号
    static const int defaultfd = -1;             // 默认套接字标志
    static  const int fdnum=2048;//设置文件描述符的数量
    using func_t = function<string(const string &)>;
    class PollServer
    {
    public:
        PollServer(func_t f, int port = defaultport) : _func(f), _port(port), _listensock(-1),_rfds(nullptr)
        {
        }
        void initServer()
        {
            // 获取套接字
            _listensock = Sock::Socket();
            cout << "Sock success" << endl;
            // 绑定网络信息
            Sock::Bind(_listensock, _port);
            cout << "Bind success" << endl;
            // 把套接字设置为监听状态
            Sock::Listen(_listensock);
            cout << "Listen success" << endl;

                _rfds=new struct pollfd[fdnum];//指针指向一个成员是poll结构体的数组
                for(int i=0;i<fdnum;i++)
                {
                    _rfds[i].fd=defaultfd;
                    _rfds[i].events=0;
                    _rfds[i].revents=0;
                }
                _rfds[0].fd=_listensock;
                _rfds[0].events=POLLIN;
         //       cout << "initServer" << endl;
        }
        void Print()
        {
            cout << "now using socket: ";
            for (int i = 0; i < fdnum; i++)
            {
                if(_rfds[i].fd!=defaultfd)
                cout<<_rfds[i].fd<<" ";//打印正在使用的fd
            }
            cout << endl;
        }
        void Accpter(int lsock)
        {
          //  logMessage(DEBUG, "Accepter begin");
            string clientip;
            uint16_t clientport = 0;
            int sock = Sock::Accpet(lsock, &clientip, &clientport); // 若成功返回，返回一个用于通信的套接字
            if (sock < 0)
                return;
            logMessage(NORMAL, "accept success [%s:%d]", clientip.c_str(), clientport);
            int i=0;
            for(;i<fdnum;i++)
            {
                if(_rfds[i].fd!=defaultfd)//这里是找到默认的位置，给后续需要使用的文件描述符用，因此是跳过已经被使用的位置
                continue;
                else break;
            }
            if(i==fdnum)
            {
                close(sock);
                logMessage(WARNING,"fd full,please wait");
            }else
            {
                _rfds[i].fd=sock;
                _rfds[i].events=POLLIN;
                _rfds[i].revents=0;
                logMessage(NORMAL,"sock has set in rfds");
            }
            Print();
       //     logMessage(DEBUG, "Accepter end");
        }

        void Recver(int pos)
        {
         //   logMessage(DEBUG, "Recver begin");
            char buffer[1024];
            ssize_t s = recv(_rfds[pos].fd, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0);
            if (s > 0)
            {
                buffer[s] = 0;
                cout << "client# " << buffer << endl;
            }
            else if (s == 0)
            {
                close(_rfds[pos].fd);               // 关闭该套接字，关闭通信通道
                _rfds[pos].fd = defaultfd; // 将数组中的该套接字清除
                logMessage(NORMAL, "client quit");
                return;
            }
            else
            {
                close(_rfds[pos].fd);
               _rfds[pos].fd = defaultfd; // 将数组中的该套接字清除
                logMessage(ERROR, "recv error");
                return;
            }
            // 将客户端发来的数据原样写回去
            string resp = _func(buffer);

            write(_rfds[pos].fd, resp.c_str(), resp.size()); // 写回去
       //     logMessage(DEBUG, "Recever end");
        }
        void Handlerop()
        {
            for (int i = 0; i < fdnum; i++)
            {
                if (_rfds[i].fd == defaultfd)//fd没有被设置则跳过
                    continue;
                
                if(!(_rfds[i].events&POLLIN)) continue;//结构体不是被指定标志位POLLIN设置过则跳过

                if (_rfds[i].fd==_listensock&&_rfds[i].revents&POLLIN)
                // 此时i对应的数组位置是拿到连接的文件描述符，意味着在底层连接已经拿到，等待上层提取
                {
                    Accpter(_listensock);
                }
                else if (_rfds[i].revents&POLLIN) // 此时存在数组内的对应套接字都是底层读资源就绪
                {
                    Recver(i);
                }
                else
                {}
            }
        }
        void Start()
        {
            int timeout=-1;
            for(;;)
            {
           //     cout<<"poll ready"<<endl;
                int n=poll(_rfds,fdnum,timeout);
           //     cout<<"poll finished"<<endl;
                switch(n)
                {
                case 0:
                logMessage(NORMAL,"timeout...");
                break;
                case -1:
                logMessage(WARNING,"poll error");
                break;
                default:
                logMessage(NORMAL,"poll success");
                Handlerop();
                break;
                }
            }
        }

        ~PollServer()
        {
            if (_listensock < 0) // 为什么是小于0？
                close(_listensock);
            if(_rfds!=nullptr)
            delete[]_rfds;
        }

    private:
        int _port;
        int _listensock;
        struct pollfd* _rfds;//指向poll结构体的指针
        func_t _func;
    };
}

image-20231124213444016

总结一下：

  1. poll函数通过输入输出分离，避免了借用第三方数组来记录sock和事件。
  2. poll解决了select具有管理文件描述符数量上限的问题。
  3. poll依旧存在遍历问题。由于检查就绪事件依旧是需要遍历整个数组，即时间复杂度为O(N)。

epoll模型可以解决遍历问题，使得检查就绪事件的时间复杂度优化到O(1)。

epoll

epoll的系统调用

epoll_create

epoll_create用于创建一个epoll模型

函数原型

int epoll_create(int size);
  • size 指定了 epoll 实例能够同时监视的文件描述符的数量上限。
  • 返回值为一个非负整数的文件描述符epollfd，表示创建的epoll模型对象。创建失败，返回值为-1。可以传递epollfd给epoll_ctl函数像epoll模型中添加、修改、删除需要监视的文件描述符以及事件。
  • 注意一下：使用epoll模型后，需要关闭epollfd。
epoll_ctl

epoll_ctl 函数用于向 epoll 实例中添加、修改或删除要监视的文件描述符，并设置关注的事件。

函数原型

#include <sys/epoll.h>

int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
  • epfd：epoll 模型的文件描述符，由 epoll_create 函数返回。
  • op：操作类型，可以是这些值：
    EPOLL_CTL_ADD：将文件描述符 fd 添加到 epoll 模型中。
    EPOLL_CTL_MOD：修改已经添加到 epoll模型中的文件描述符 fd 的关注事件。
    EPOLL_CTL_DEL：从 epoll模型中删除文件描述符 fd。
  • fd：要添加、修改或删除的文件描述符。
  • event：指向 struct epoll_event 结构体的指针，用于设置关注的事件。

struct epoll_event结构体定义如下：

struct epoll_event {
    _uint32_t events;  // 关注的事件
    epoll_data_t data;  // 用户数据
};
  • events字段用于设置关注的事件。可以使用以下宏设置：
  • EPOLLIN：可读事件。
  • EPOLLOUT：可写事件。
  • EPOLLPRI：紧急事件。
  • EPOLLERR：错误事件。
  • EPOLLHUP：挂起事件。
  • EPOLLET：边缘触发模式。
  • EPOLLONESHOT：一次性事件。

epoll_data_t结构定义如下：

typedef union epoll_data
{
  void *ptr;
  int fd;
  uint32_t u32;
  uint64_t u64;
} epoll_data_t;

  • fd是用户传递需要监管的文件描述符。

  • 调用成功返回0，失败返回-1。

epoll_wait

epoll_wait函数用于收集epoll模型中已经就绪的事件，并将就绪事件的个数返回

函数原型

#include <sys/epoll.h>

int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);
  • epfd：epoll 实例的文件描述符，由 epoll_create 函数返回。
  • events：指向 struct epoll_event 结构体数组的指针，用于存储就绪的事件。
  • maxevents：events 数组的大小，表示最多可以存储多少个事件。
  • timeout：等待事件的超时时间，单位为毫秒。设置为-1，表示阻塞式，设置为0，表示非阻塞，设置为大于0的数，例如设置为5000，表示阻塞5秒，5秒后非阻塞返回一次。
  • 函数的返回值表示就绪的事件数量，返回值大于0表示已经有事件就绪，返回值等于0表示超时返回，无事发生。返回值小于0表示调用出错。

epoll的工作原理

数据本身只能按照输入设备—内存—CPU—内存—输出设备的方向流动。

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  1. 网络数据到达主机时，是先到达网卡，即网课外设。CPU有很多针脚，外设虽然不会与CPU有直接的数据流通，但外设可以将信号直接发送到CPU的阵脚上（硬件中断）。外设通过中断设备，将电子信号发送到CPU上。CPU会将该信号转发到中断向量表，根据信号的值找到对应的表中位置（下标），该表是一张函数指针数组，根据指针能够调用驱动方法，驱动方法将数据拷贝到内存上，即数据从硬件传输到了OS中。

  2. 在OS中，会以红黑树的方式管理sock和events。每个节点上都有sock和event，当然还有left指针和right指针。红黑树的优点是查找效率高。当用户告诉内核那些事件需要被关心时，OS会将需要关心的事件、sock放到该红黑树当中。当事件就绪，OS会将红黑树上的节点添加到就绪队列中，该就绪队列中的成员表示内核需要告诉用户，那些事件已经就绪，等待上层将该事件资源取走。实际上，一个节点即能存在于红黑树中，也能存在于就绪队列中。

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总结一下：

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网络数据到来后，外设通过信号中断将数据拷贝到内存上。细致的说，是底层收到数据后，贯穿网络协议栈向上交付数据，可以把红黑树的节点看作成文件描述符sock，根据sock找到对应的文件结构体struct file，该结构体内有指针指向接收缓存区，然后将数据填充到该文件接收缓冲区中。随后调用struct file中的回调方法（void* private data指针指向一个回调函数）-回调机制，该回调方法会将红黑树中的节点添加到就绪队列当中，表示该事件已经就绪，通知用户来取走数据。

image-20231126152314783

红黑树、就绪队列、epoll管理的文件struct file以及部分网络协议栈一整套可以认作成一个epoll模型。进程可以通过文件描述符表找到epoll_create的返回值epollfd，epollfd会指向自己的struct file，在struct file中有关联指针能够找到对应的epoll模型。

重新看待epoll的相关接口。操作系统需要提供接口该上层使用。

 #include <sys/epoll.h>
int epoll_create(int size);

epoll_create创建epoll模型，并返回一个epollfd供上层使用。

#include <sys/epoll.h>
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

epoll_ctl根据提供的epollfd找到对应的epoll模型，根据提供的fd和event增删改红黑树中的节点。

int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events,int maxevents, int timeout);

epoll_wait根据epollfd找到对应的epoll模型，根据提供的events、maxevents、timeout管理就绪队列中的节点。而epoll_wait检测就绪事件，只需要检测已经就绪的事件，不需要遍历检测整个需要管理的事件表，只需要将就绪的事件（资源）从内核层拷贝到用户层。因此遍历的事件复杂度为O(1)。

其次，epoll_wait会按照传入的顺序，依次放回到就绪事件数组中。根据队列先进先出的特性，若就绪队列中有很多数据节点，一次性拿不完，可以下一次调用epoll_wait再拿。

而伴随epoll模型的创建的辅助数组，就是该管理需要关心事件的红黑树。红黑树节点是以kv形式存在，由于sock是不会重复的，因此sock作为key。

epoll相比于select、poll，将大部分管理任务分配给操作系统负责，也因此epoll的接口相比较简单。

epoll的工作方式

前面都有提到select、poll、epoll在事件就绪的时候通知上层将事件处理。事件就绪可以认为底层的IO条件满足，可以进行某种IO行为，epoll就会通知上层进行这种IO行为将底层的数据提取走。

epoll有2种通知策略，即水平触发(LT)和边缘触发(ET)

水平触发

  1. 水平触发为Level Triggered，简称LT。epoll默认状态下是LT工作策略。

  2. 水平触发关心的是缓冲区的状态，当缓冲区可读的时候，就会一直发出通知，也就是当缓冲区中只要有数据就会发出通知，知道上层将缓冲区的所有数据读完。可以认为你在做老师布置的作业，写了但没写完的情况下，老师就会一直通知你写作业，直到作业完全写完。

  3. LT的优势在于：可以在读取数据的时候只读取一部分，在第二次调用epoll_wait时立刻返回并通知上层将底层数据读走。

  4. 支持阻塞读写和阻塞读写。‘

边缘触发
  1. 边缘触发为Edge Triggered。简称ET。
  2. 边缘触发关心的是缓冲区状态的变化，当缓冲区状态发生变化的时候才会发出通知，比如缓冲区中来了新的数据。底层有数据，ET模式下epoll只会通知上层一次，后续缓冲区来了新的数据，epoll才会再次通知。
  3. ET优势在于：ET是一次性通知的方式，倒逼上层尽量做到一次性将数据读完。其次是尽可能一次性读取多的数据，从而使得接收缓冲区可容纳下一次数据的空间尽可能的大，那么接收方的接收能力自然就强，能够告诉发送数据方：接收方的滑动窗口较大，让对方更新出更大的滑动窗口，提高数据发送的效率。
  4. ET模式下，文件描述符要求是非阻塞的。由于底层的事件到达增多，OS才会通知上层将数据取走，因此用户提取数据时，尽量调用一次read,recv就把数据取完，而为了避免一次性调用函数没有读完，就需要循环调用读取函数，当调用读取函数直到读取不到数据才算作读完数据。若fd是阻塞的，那么读取函数进行最后一次读取时读取不到数据，就会阻塞，因此fd需要是非阻塞的，读取不到数据直接返回。

LT模式下，fd可以是阻塞的也可以是非阻塞的。LT可以模拟ET工作方式。

epoll服务器

epollserver.cc

#include<iostream>
#include<functional>
#include<vector>
#include<memory>
#include"err.hpp"
#include"epollserver.hpp"
using namespace std;
using namespace EPoll_sv;

// static void Usage(string proc)
// {
//     cerr<<"Usage:\n\t"<<proc<<" port "<<"\n\n";
// }

string resp(const string& s)
{
    return s;
}

int main(int argc,char* argv[])
{
    // if(argc!=2)
    // {
    //     Usage(argv[0]);
    //     exit(USAGE_ERR);
    // }
    unique_ptr<EpollServer> epolsv(new EpollServer(resp));
    epolsv->initServer();
    epolsv->start();
    
    return 0;
}

log.hpp

#pragma once

#include <iostream>
#include <string>
#include<ctime>
#include <sys/types.h>
 #include <unistd.h>
 #include <stdio.h>
#include <stdarg.h>
using namespace std;
#define DEBUG   0
#define NORMAL  1
#define WARNING 2
#define ERROR   3
#define FATAL   4

#define NUM 1024
#define LOG_STR "./logstr.txt"
#define LOG_ERR "./log.err"

enum
{
    USAGE_ERR = 1,
    SOCKET_ERR,
    BIND_ERR,
    LISTEN_ERR,
    EPOLL_CREATE_ERR
};
const char* to_str(int level)
{
    switch(level)
    {
        case DEBUG: return "DEBUG";
        case NORMAL: return "NORMAL";
        case WARNING: return "WARNING";
        case ERROR: return "ERROR";
        case FATAL: return "FATAL";
        default: return nullptr;
    }
}

void logMessage(int level, const char* format,...)
{

char logprestr[NUM];
snprintf(logprestr,sizeof(logprestr),"[%s][%ld][%d]",to_str(level),(long int)time(nullptr),getpid());

char logeldstr[NUM];
va_list arg;
va_start(arg,format); 
vsnprintf(logeldstr,sizeof(logeldstr),format,arg);//arg是logmessage函数列表中的...

  cout<<logprestr<<logeldstr<<endl;

}

Sock.hpp

#pragma once

#include<iostream>
#include<string>
#include<cstring>
#include<sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include "log.hpp"
#include "err.hpp"

class Sock
{
    const static int backlog=32;

    public:

    static int Socket()
    {
        int sock=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);//创建套接字
        if(sock<0)//创建失败
        {
            logMessage(FATAL,"create sock error");
            exit(SOCKET_ERR);
        }
        //创建成功
        logMessage(NORMAL,"create sock success");
        int opt=1;
        setsockopt(sock,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR|SO_REUSEPORT,&opt,sizeof(opt));//允许套接字关闭后立刻重启
        return sock;
    } 

    static void Bind(int sock,int port)
    {
        //绑定自己的网络信息
        struct sockaddr_in local;
        memset(&local,0,sizeof(local));//将结构体清空
        local.sin_family=AF_INET;//添加协议
        local.sin_port=htons(port);//添加端口号
        local.sin_addr.s_addr=htons(INADDR_ANY);//不绑定指定IP，可以接收任意IP主机发送来的数据
        //将本地设置的信息绑定到网络协议栈
        if (bind(sock,(struct sockaddr*)&local,sizeof(local))<0)
        {
            logMessage(FATAL,"bind socket error");
            exit(BIND_ERR);
        }
        logMessage(NORMAL,"bind socket success");
    }

    static void Listen(int sock)//将套接字设置为监听
    {
        if(listen(sock,0)<0)
        {
            logMessage(FATAL,"listen socket error");
            exit(LISTEN_ERR);
        }
        logMessage(NORMAL,"listen socket success");
    }

    static int Accpet(int listensock,string * clientip,uint16_t* clientport)
    {
        struct sockaddr_in cli;
        socklen_t len= sizeof(cli);
        int sock=accept(listensock,(struct sockaddr*)&cli,&len);
        if(sock<0)
        {
            logMessage(FATAL,"accept error");//这里accept失败为什么不退出
        }else
        {
            logMessage(NORMAL,"accept a new link,get new sock : %d",sock);
            *clientip=inet_ntoa(cli.sin_addr);
            *clientport=ntohs(cli.sin_port);
        }
        return sock;
    }
};
  • 默认的LT模式下的epollserver

epollserver.hpp

#pragma once

#include <iostream>
#include <sys/select.h>
#include <string>
#include <functional>
#include<sys/epoll.h>
#include"err.hpp"
#include "Sock.hpp"

using namespace std;

namespace EPoll_sv
{
    static const int defaultport = 8080;
    static const int size = 128;
    static const int defaultvalue = -1;
    static const int defaultnum = 64;
    using func_t =function<string(const string&)>;
    class EpollServer
    {
    public:
        EpollServer(func_t fun,const int port = defaultport) :_num(defaultnum), _port(port), _listensock(defaultvalue), _epfd(defaultvalue),_func(fun)
        {
        }
        void handlerEvent(int evs)
        {
            for(int i=0;i<evs;i++)//直接遍历已经就绪的事件
            {
                uint32_t event=_reves[i].events;
                int sock=_reves[i].data.fd;
                if(sock==_listensock&&(event&EPOLLIN))//当前是将连接拿上应用层的文件描述符
                {
                    string clientip;
                    uint16_t clientport;
                    int fd=Sock::Accpet(_listensock,&clientip,&clientport);
                    if(fd<0)
                    {
                        logMessage(NORMAL,"accpet sock error");
                        continue;
                    }
                    struct epoll_event ev;
                    ev.data.fd=fd;
                    ev.events=EPOLLIN;
                    epoll_ctl(_epfd,EPOLL_CTL_ADD,fd,&ev);
                }else if(event&EPOLLIN)//当前是通信的事件
                {
                    char buffer[1024];
                    int n=recv(sock,buffer,sizeof(buffer)-1,0);
                    if(n>0)
                    {
                        buffer[n]=0;
                        cout<<"client# "<<buffer<<endl;
                        string resp=_func(buffer);
                        send(sock,resp.c_str(),resp.size(),0);//将数据发送回去给客户端
                    }else if(n==0)
                    {
                        epoll_ctl(_epfd,EPOLL_CTL_DEL,sock,nullptr);//将sock从epoll中的结构中移除
                        close(sock);//关闭sock
                        logMessage(NORMAL,"client quit");
                    }else
                    {
                        epoll_ctl(_epfd,EPOLL_CTL_DEL,sock,nullptr);//将sock从epoll中的结构中移除
                        close(sock);//关闭sock
                        logMessage(ERROR,"communicate error");
                    }
                }else{}
            }
            logMessage(DEBUG,"handlerEvent out");
        }
        void initServer()
        {
            // 获取套接字
            _listensock = Sock::Socket();
            cout << "Sock success" << endl;
            // 绑定网络信息
            Sock::Bind(_listensock, _port);
            cout << "Bind success" << endl;
            // 把套接字设置为监听状态
            Sock::Listen(_listensock);
            cout << "Listen success" << endl;

            _epfd=epoll_create(size);//调用成功返回一个epoll文件描述符，size表示是需要监听的文件描述符的数量
            if(_epfd<0)
            {
                logMessage(FATAL,"epoll_create error");
                exit(EPOLL_CREATE_ERR);
            }
            //将listensock添加到epoll模型中
            struct epoll_event epev;
            epev.events=EPOLLIN;
            epev.data.fd=_listensock;
            epoll_ctl(_epfd,EPOLL_CTL_ADD,_listensock,&epev);

            //申请就绪时间的空间
            _reves=new struct epoll_event[_num];//申请一块空间，内含_num个事件数
            logMessage(NORMAL, "init server success");
        }


        void start()
        {
            //等待就绪事件
            int timeout=-1;
            for(;;)
            {
                logMessage(DEBUG,"epoll_wait ready");
                int re=epoll_wait(_epfd,_reves,_num,timeout);
                logMessage(DEBUG,"epoll_wait end");
                switch (re)
                {
                case 0://0个事件就绪，即超时重传
                logMessage(NORMAL,"timeout...");
                    break;
                case -1://epoll_wait函数调用失败
                logMessage(ERROR,"epoll_wait error,code: %d,errstring: %s",errno,strerror(errno));    
                default://到这里时返回值都大于0，即re为已经就绪的事件数
                logMessage(NORMAL,"wait incident success");
               // handlerEvent(re);
                    break;
                }
            }
        }
        ~EpollServer()
        {
            if(_listensock!=defaultvalue)
            {
                close(_listensock);
            }
            if(_epfd!=defaultvalue)
            {
                close(_epfd);
            }
            if(_reves!=nullptr)
            {
                delete[]_reves;
            }
        }
    private:
        int _port;
        int _listensock;
        int _epfd;
        struct epoll_event* _reves;
        int _num;//事件数
        func_t _func;//外部传递进来的函数
    };
}

image-20231126190327483

客户端连接上但不处理就会一直通知。

  • ET模式下的epollserver服务器

epollserver.hpp

#pragma once

#include <iostream>
#include <sys/select.h>
#include <string>
#include <functional>
#include<sys/epoll.h>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
#include"err.hpp"
#include "Sock.hpp"

using namespace std;

namespace EPoll_sv
{
    static const int defaultport = 8080;
    static const int size = 128;
    static const int defaultvalue = -1;
    static const int defaultnum = 64;
    using func_t =function<string(const string&)>;
    class EpollServer
    {
    public:
        EpollServer(func_t fun,const int port = defaultport) :_num(defaultnum), _port(port), _listensock(defaultvalue), _epfd(defaultvalue),_func(fun)
        {
        }
        void handlerEvent(int evs)
        {
            for(int i=0;i<evs;i++)//直接遍历已经就绪的事件
            {
                uint32_t event=_reves[i].events;
                int sock=_reves[i].data.fd;
                if(event&EPOLLET)
                {
                    Sock::setNonBlock(sock);
                }
                if(sock==_listensock&&(event&EPOLLIN))//当前是将连接拿上应用层的文件描述符
                {
                    string clientip;
                    uint16_t clientport;
                    int fd=Sock::Accpet(_listensock,&clientip,&clientport);
                    if(fd<0)
                    {
                        logMessage(NORMAL,"accpet sock error");
                        continue;
                    }
                    struct epoll_event ev;
                    ev.data.fd=fd;
                    ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;
                    epoll_ctl(_epfd,EPOLL_CTL_ADD,fd,&ev);
                }else if(event&EPOLLIN)//当前是通信的事件
                {
                    char buffer[1024];
                    int n=recv(sock,buffer,sizeof(buffer)-1,0);
                    if(n>0)
                    {
                        buffer[n]=0;
                        cout<<"client# "<<buffer<<endl;
                        string resp=_func(buffer);
                        send(sock,resp.c_str(),resp.size(),0);//将数据发送回去给客户端
                    }else if(n==0)
                    {
                        epoll_ctl(_epfd,EPOLL_CTL_DEL,sock,nullptr);//将sock从epoll中的结构中移除
                        close(sock);//关闭sock
                        logMessage(NORMAL,"client quit");
                    }else
                    {
                        epoll_ctl(_epfd,EPOLL_CTL_DEL,sock,nullptr);//将sock从epoll中的结构中移除
                        close(sock);//关闭sock
                        logMessage(ERROR,"communicate error");
                    }
                }else{}
            }
      //      logMessage(DEBUG,"handlerEvent out");
        }
        void initServer()
        {
            // 获取套接字
            _listensock = Sock::Socket();
            cout << "Sock success" << endl;
            // 绑定网络信息
            Sock::Bind(_listensock, _port);
            cout << "Bind success" << endl;
            // 把套接字设置为监听状态
            Sock::Listen(_listensock);
            cout << "Listen success" << endl;

            _epfd=epoll_create(size);//调用成功返回一个epoll文件描述符，size表示是需要监听的文件描述符的数量
            if(_epfd<0)
            {
                logMessage(FATAL,"epoll_create error");
                exit(EPOLL_CREATE_ERR);
            }
            //将listensock添加到epoll模型中
            struct epoll_event epev;
            epev.events=EPOLLIN|EPOLLET;
            epev.data.fd=_listensock;
            epoll_ctl(_epfd,EPOLL_CTL_ADD,_listensock,&epev);

            //申请就绪时间的空间
            _reves=new struct epoll_event[_num];//申请一块空间，内含_num个事件数
            logMessage(NORMAL, "init server success");
        }


        void start()
        {
            //等待就绪事件
            int timeout=-1;
            for(;;)
            {
                sleep(1);
                logMessage(DEBUG,"epoll_wait ready");
                int re=epoll_wait(_epfd,_reves,_num,timeout);
                logMessage(DEBUG,"epoll_wait end");
                switch (re)
                {
                case 0://0个事件就绪，即超时重传
                logMessage(NORMAL,"timeout...");
                    break;
                case -1://epoll_wait函数调用失败
                logMessage(ERROR,"epoll_wait error,code: %d,errstring: %s",errno,strerror(errno));    
                default://到这里时返回值都大于0，即re为已经就绪的事件数
                logMessage(NORMAL,"wait incident success");
               // handlerEvent(re);
                    break;
                }
            }
        }
        ~EpollServer()
        {
            if(_listensock!=defaultvalue)
            {
                close(_listensock);
            }
            if(_epfd!=defaultvalue)
            {
                close(_epfd);
            }
            if(_reves!=nullptr)
            {
                delete[]_reves;
            }
        }
    private:
        int _port;
        int _listensock;
        int _epfd;
        struct epoll_event* _reves;
        int _num;//事件数
        func_t _func;//外部传递进来的函数
    };
}

static void setNonBlock(int fd)//把文件描述符设置为非阻塞
{
    int n=fcntl(fd,F_GETFL);//获取文件描述符的状态，正常返回非-1的标志位，出错返回-1
    if(n<0)
    {
        cerr<<"fcntl :"<<strerror(errno)<<endl;
       return ;
    }
    fcntl(fd,F_SETFL,n|O_NONBLOCK);//对文件描述符的状态进行设置，设置为非阻塞状态
}
  • 需要将文件描述符都设置成EPOLLET模式，在处理事件函数内，若sock是EPOLLET模式，就调用setNonBlock将该sock设置成非阻塞。

Sock.hpp

#pragma once

#include<iostream>
#include<string>
#include<cstring>
#include<sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include "log.hpp"
#include "err.hpp"

class Sock
{
    const static int backlog=32;

    public:

static void setNonBlock(int fd)//把文件描述符设置为非阻塞
{
    int n=fcntl(fd,F_GETFL);//获取文件描述符的状态，正常返回非-1的标志位，出错返回-1
    if(n<0)
    {
        cerr<<"fcntl :"<<strerror(errno)<<endl;
       return ;
    }
    fcntl(fd,F_SETFL,n|O_NONBLOCK);//对文件描述符的状态进行设置，设置为非阻塞状态
}

    static int Socket()
    {
        int sock=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);//创建套接字
        if(sock<0)//创建失败
        {
            logMessage(FATAL,"create sock error");
            exit(SOCKET_ERR);
        }
        //创建成功
        logMessage(NORMAL,"create sock success");
        int opt=1;
        setsockopt(sock,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR|SO_REUSEPORT,&opt,sizeof(opt));//允许套接字关闭后立刻重启
        return sock;
    } 

    static void Bind(int sock,int port)
    {
        //绑定自己的网络信息
        struct sockaddr_in local;
        memset(&local,0,sizeof(local));//将结构体清空
        local.sin_family=AF_INET;//添加协议
        local.sin_port=htons(port);//添加端口号
        local.sin_addr.s_addr=htons(INADDR_ANY);//不绑定指定IP，可以接收任意IP主机发送来的数据
        //将本地设置的信息绑定到网络协议栈
        if (bind(sock,(struct sockaddr*)&local,sizeof(local))<0)
        {
            logMessage(FATAL,"bind socket error");
            exit(BIND_ERR);
        }
        logMessage(NORMAL,"bind socket success");
    }

    static void Listen(int sock)//将套接字设置为监听
    {
        if(listen(sock,0)<0)
        {
            logMessage(FATAL,"listen socket error");
            exit(LISTEN_ERR);
        }
        logMessage(NORMAL,"listen socket success");
    }

    static int Accpet(int listensock,string * clientip,uint16_t* clientport)
    {
        struct sockaddr_in cli;
        socklen_t len= sizeof(cli);
        int sock=accept(listensock,(struct sockaddr*)&cli,&len);
        if(sock<0)
        {
            logMessage(FATAL,"accept error");//这里accept失败为什么不退出
        }else
        {
            logMessage(NORMAL,"accept a new link,get new sock : %d",sock);
            *clientip=inet_ntoa(cli.sin_addr);
            *clientport=ntohs(cli.sin_port);
        }
        return sock;
    }
};
  • Sock类内新增了setNonBlock函数，用于将传导过来的sock设置成非阻塞。

image-20231126191654022

可以看到底层事件就绪时，ET模式下的epollserver只通知了上层一次。

reactor

通过Reactor对底层事件的关心，底层有就绪事件，就通知上层的Connection类对象调用相关函数处理就绪事件。

image-20231128202431892

Connection类

using func_t = function<void(Connection *)>;

    class Connection
    {
    public:
        Connection(int sock, Tcpserver *tcps) : _consock(sock), _tcps(tcps)
        {
        }

        ~Connection() {}

        void Register(func_t r, func_t w, func_t e) // 注册方法表，将方法传递进来
        {
            _reader = r;
            _writer = w;
            _excepter = e;
        }
        void Close()
        {
            close(_consock);
        }

    public:
        string _inbuffer;  // 输入缓冲区
        string _outbuffer; // 输出缓冲区
        func_t _reader;    // 读操作
        func_t _writer;    // 写操作
        func_t _excepter;  // 处理异常操作
        int _consock;
        Tcpserver *_tcps; // 指向Tcpserver对象的指针
    };
  1. 每一个文件描述符需要配备独自的堆上的接收缓冲区和输出缓冲区。先描述再组织，因此创建了结构体Connection，结构体内含文件描述符，及其配备的输出缓冲区，接收缓冲区，该缓冲区类型为string，当前该缓冲区只能处理字符串。三个回调函数。三个回调方法通过外部传参。回调方法分别是读事件方法、写事件方法、异常事件方法。
  2. 由于Connection对象内的回调函数是Tcpserver对象赋予的，因此需要先了解一下三个回调函数。

Accepter：负责获取连接，并将新连接添加到Connection对象内。

 void Accepter(Connection *con) // 针对listenfd，将获取到的连接从底层拿到应用层
        {
            for (;;)
            {
                logMessage(DEBUG, "enter Accepter");
                string clientip;
                uint16_t clientport;
                int err = 0;
                int sock = _sock.Accpet(&clientip, &clientport, &err); // 获取成功，返回新的文件描述符用于通信，客户端的ip和port通过参数返回

                if (sock > 0)
                {
                    // 连接拿上来了，将fd添加到con对象中
                    AddConnection(sock, EPOLLIN | EPOLLET,
                                  bind(&Tcpserver::Recver, this, placeholders::_1),
                                  bind(&Tcpserver::Sender, this, placeholders::_1),
                                  bind(&Tcpserver::Excepter, this, placeholders::_1));
                    logMessage(DEBUG, "get new link,[%s:%d]", clientip.c_str(), clientport);
                }
                else
                {
                    if (err == EAGAIN || err == EWOULDBLOCK)
                        break; // 读完了
                    else if (err == EINTR)
                        continue; // 因为中断，继续读
                    else
                        break; // 错误
                }
            }
        }

Recver：负责读取底层的数据

  void Recver(Connection *con) // 读事件
        {
            char buffer[1024];
            while (true)
            {
                ssize_t i = recv(con->_consock, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0);
                if (i > 0)
                {
                    buffer[i] = 0;
                    con->_inbuffer += buffer;//每次读到的数据放到配套的缓冲区内
                    logMessage(DEBUG, "recv str: %s", con->_inbuffer.c_str());
                    _func(con);
                }
                else if (i == 0) // 断开连接，异常处理
                {
                    if (con->_excepter)
                    {
                        con->_excepter(con);
                        return;
                    }
                }
                else
                {
                    if (errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK)
                    {
                        break; // 读完了
                    }
                    else if (errno == EINTR) // 因信号中断，继续读
                    {
                        continue;
                    }
                    else
                    {
                        if (con->_excepter)
                        {
                            con->_excepter(con);
                            return;
                        }
                    }
                }
            }
        }
  • 将每次读取到的数据填充到配备的接收缓冲区，读到完整报文后，调用_func函数处理数据。

Sender：将sock配备的输出缓冲区内的数据发回给客户端。

void Sender(Connection *con) // 写事件
        {
            while (true)
            {
                ssize_t i = send(con->_consock, con->_outbuffer.c_str(), sizeof(con->_outbuffer), 0);
                if (i > 0)
                {
                    if (con->_outbuffer.empty()) // 内容当前send函数一次性发完了
                    {
                        logMessage(DEBUG, "sender finish");
                        con->_tcps->EnableReadWrite(con, true, false); // 发完了，把写通道关闭
                       // sleep(2);
                        break;
                    }
                    else
                    {
                        logMessage(DEBUG, "sender not finish");
                        con->_outbuffer.erase(0, i); // 如果一次性没发完，那么就将发完的部分删减掉，剩余的下次再发
                    }
                }
                else
                {
                    if (errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK) // 上次发完了，这次再发就会err为这两个字段
                    {
                        break;
                    }
                    else if (errno == EINTR)
                    {
                        continue; // 因信号中断了，继续发送
                    }
                    else
                    {
                        logMessage(DEBUG, "excepter");
                        if (con->_excepter) // 异常了，执行异常事件
                        {
                            con->_excepter(con);
                            return;
                        }
                    }
                }
            }

Tcpserver.hpp

#pragma once

#include <iostream>
#include <sys/select.h>
#include <string>
#include <functional>
#include <sys/epoll.h>
#include <unordered_map>
#include <assert.h>
#include "Epoller.hpp"
#include "err.hpp"
#include "Sock.hpp"
#include "until.hpp"

using namespace std;

namespace TCP_sv
{
    static const int defaultport = 8080;
    static const int Gnum = 64;
    class Tcpserver;
    class Connection;

    using func_t = function<void(Connection *)>;

    class Connection
    {
    public:
        Connection(int sock, Tcpserver *tcps) : _consock(sock), _tcps(tcps)
        {
        }

        ~Connection() {}

        void Register(func_t r, func_t w, func_t e) // 注册方法表，将方法传递进来
        {
            _reader = r;
            _writer = w;
            _excepter = e;
        }
        void Close()
        {
            close(_consock);
        }

    public:
        string _inbuffer;  // 输入缓冲区
        string _outbuffer; // 输出缓冲区
        func_t _reader;    // 读操作
        func_t _writer;    // 写操作
        func_t _excepter;  // 处理异常操作
        int _consock;
        Tcpserver *_tcps; // 指向Tcpserver对象的指针
    };

    class Tcpserver
    {
    private:
        void Recver(Connection *con) // 读事件
        {
            char buffer[1024];
            while (true)
            {
                ssize_t i = recv(con->_consock, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0);
                if (i > 0)
                {
                    buffer[i] = 0;
                    con->_inbuffer += buffer;//每次读到的数据放到配套的缓冲区内
                    logMessage(DEBUG, "recv str: %s", con->_inbuffer.c_str());
                    _func(con);
                }
                else if (i == 0) // 断开连接，异常处理
                {
                    if (con->_excepter)
                    {
                        con->_excepter(con);
                        return;
                    }
                }
                else
                {
                    if (errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK)
                    {
                        break; // 读完了
                    }
                    else if (errno == EINTR) // 因信号中断，继续读
                    {
                        continue;
                    }
                    else
                    {
                        if (con->_excepter)
                        {
                            con->_excepter(con);
                            return;
                        }
                    }
                }
            }
        }
        void Sender(Connection *con) // 写事件
        {
            while (true)
            {
                ssize_t i = send(con->_consock, con->_outbuffer.c_str(), sizeof(con->_outbuffer), 0);
                if (i > 0)
                {
                    if (con->_outbuffer.empty()) // 内容当前send函数一次性发完了
                    {
                        logMessage(DEBUG, "sender finish");
                        con->_tcps->EnableReadWrite(con, true, false); // 发完了，把写通道关闭
                       // sleep(2);
                        break;
                    }
                    else
                    {
                        logMessage(DEBUG, "sender not finish");
                        con->_outbuffer.erase(0, i); // 如果一次性没发完，那么就将发完的部分删减掉，剩余的下次再发
                    }
                }
                else
                {
                    if (errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK) // 上次发完了，这次再发就会err为这两个字段
                    {
                        break;
                    }
                    else if (errno == EINTR)
                    {
                        continue; // 因信号中断了，继续发送
                    }
                    else
                    {
                        logMessage(DEBUG, "excepter");
                        if (con->_excepter) // 异常了，执行异常事件
                        {
                            con->_excepter(con);
                            return;
                        }
                    }
                }
            }
        }
        void Excepter(Connection *con) // 异常事件
        {
            logMessage(DEBUG, "enter excepter");
            _epoller.Control(con->_consock, 0, EPOLL_CTL_DEL);
            con->Close();
            _Connections.erase(con->_consock);
            logMessage(DEBUG, "out excepter");
            delete con;
        }
        void Accepter(Connection *con) // 针对listenfd，将获取到的连接从底层拿到应用层
        {
            for (;;)
            {
                logMessage(DEBUG, "enter Accepter");
                string clientip;
                uint16_t clientport;
                int err = 0;
                int sock = _sock.Accpet(&clientip, &clientport, &err); // 获取成功，返回新的文件描述符用于通信，客户端的ip和port通过参数返回

                if (sock > 0)
                {
                    // 连接拿上来了，将fd添加到con对象中
                    AddConnection(sock, EPOLLIN | EPOLLET,
                                  bind(&Tcpserver::Recver, this, placeholders::_1),
                                  bind(&Tcpserver::Sender, this, placeholders::_1),
                                  bind(&Tcpserver::Excepter, this, placeholders::_1));
                    logMessage(DEBUG, "get new link,[%s:%d]", clientip.c_str(), clientport);
                }
                else
                {
                    if (err == EAGAIN || err == EWOULDBLOCK)
                        break; // 读完了
                    else if (err == EINTR)
                        continue; // 因为中断，继续读
                    else
                        break; // 错误
                }
            }
        }

        bool Isexist(int sock)
        {
            auto iter = _Connections.find(sock);
            return iter != _Connections.end(); // 判断sock是否存在connection集合中
        }

        void AddConnection(int sock, uint32_t event, func_t reader, func_t writer, func_t excepter)
        {
            if (event & EPOLLET) // 如果是ET模式，就将文件描述符设置为非阻塞
                Until::setNonBlock(sock);
            Connection *con = new Connection(sock, this);
            con->Register(reader, writer, excepter); // 把外面的函数传进去初始化内部函数

            bool n = _epoller.Add_Event(sock, event); // 告诉内核需要监管那些事件--将fd和事件添加到epoll模型中
            logMessage(DEBUG, "Add event num: %d", n);
            assert(n);
            (void)n;

            _Connections.insert(pair<int, Connection *>(sock, con)); // 将fd和con对象添加到map中进行管理
        }

        void Loop(int timeout)
        {
            // logMessage(DEBUG,"enter Loop");

            int n = _epoller.Wait(_revs, _num, timeout); // 获取已经就绪的事件
            for (int i = 0; i < n; i++)  //遍历就绪事件                // epoll_wait出错，n是-1，此时i不<n,就进不去for循环
            {                                            // 拿到就绪事件的fd和event
               // sleep(2);
               // logMessage(DEBUG, "enter Loop for");
               //提取sock和event
                int sock = _revs[i].data.fd;
                uint32_t event = _revs[i].events;
            
//处理异常事件--如果是异常事件，那么会进入读事件和写事件，但是读事件是不就绪的即读出错，就会走到处理异常的代码区。
//同样的写事件也会发送写出错，走到处理异常的代码区
                if (event & EPOLLERR)
              //      logMessage(DEBUG, "event & EPOLLERR");
                event |= (EPOLLIN | EPOLLOUT);
                if (event & EPOLLHUP)
              //      logMessage(DEBUG, "event & EPOLLHUP");

                event |= (EPOLLIN | EPOLLOUT); // 如果事件异常了，就将该事件设置为读写事件

                // listenfd事件就绪
                if ((event & EPOLLIN) && (Isexist(sock)) && (_Connections[sock]->_reader))
                {
                    logMessage(DEBUG, "con->_reader");

                    _Connections[sock]->_reader(_Connections[sock]);
                }
                if ((event & EPOLLOUT) && (Isexist(sock)) && (_Connections[sock]->_writer))
                {
                    logMessage(DEBUG, "con->_writer");

                    _Connections[sock]->_writer(_Connections[sock]);
                }
            }
         //   logMessage(DEBUG, "quit Loop");
        }

    public:
        Tcpserver(func_t fun, int port = defaultport) : _port(port), _func(fun)
        {
        }

        void inittcpserver()
        {
            logMessage(DEBUG, "enter inittcpserver\n");
            // 1.创建文件描述符
            _sock.Socket();    // 创建文件描述符--用于建立连接
            _sock.Bind(_port); // 绑定端口号和ip
            _sock.Listen();    // 将文件描述符设置为监视状态
            // 2.创建epoll模型
            _epoller.Create();
            //3.将listenfd添加到con对象，即添加到epoll中，并且注册配备的缓冲区和回调函数
            AddConnection(_sock.Fd(), EPOLLIN | EPOLLET,\
             bind(&Tcpserver::Accepter, this, placeholders::_1), nullptr, nullptr); // 对于listenfd来说，只关心读取事件
            logMessage(DEBUG, "quit inittcpserver\n");
            _revs = new struct epoll_event[Gnum]; // 创建一个事件集合，供后续存放已经就绪的事件使用
            _num = Gnum;
        }

        void EnableReadWrite(Connection *con, bool readable, bool writable)
        {//判断
            uint32_t event = (readable ? EPOLLIN : 0) | (writable ? EPOLLOUT : 0) | EPOLLET;
            _epoller.Control(con->_consock, event, EPOLL_CTL_MOD);
        }

        void Distribute()//事件派发s
        {
            logMessage(DEBUG, "enter Distribute");
            while (true)
            {
                Loop(-1);
            }
            logMessage(DEBUG, "quit Distribute");
        }

        ~Tcpserver()
        {
            _epoller.Close();
            if (_revs != nullptr)
                delete[] _revs;
        }

    private:
        uint16_t _port;
        Sock _sock;
        Epoller _epoller;
        unordered_map<int, Connection *> _Connections; // 建立sock和connection对象的映射表
        struct epoll_event *_revs;                     // 用来存储返回的事件
        func_t _func;
        int _num; // 可监管的事件总数
    };
}
  1. 该代码中的bind用法是bind类内成员函数。用法是第一个参数需要传递类内成员函数对象的指针，第二个参数需要传递类对象的指针，后面才是传递类成员函数需要的参数。对一个成员函数对象使用bind后形成一个新的函数对象。例如调用AddConnection函数时，第三四五参数是仿函数对象，通过bind将传入的类内成员函数对象转换为仿函数对象。以传递Recver函数为例，在bind表达式内，第一个参数传递Recver函数对象指针，第二个参数传递Tcpserver类指针，第三个参数传递的是需要传递给Recver函数对象的参数，即con指针。通过bind，将Tcpserver内的Recver成员函数转换为Connection类内的_reader成员函数。

image-20231129180452445

  1. 建立sock和Connection对象的映射关系，以sock作为key值，Connection对象的指针作为value值，建立unordered_map数据结构进行组织管理，Connection对象内是针对key值的sock配备的缓冲区，处理函数。

  2. 在epoll中读取到数据，处理完后不能立刻发送回给客户端。因为发送缓冲区是否具有空间是未知的。服务器启动后，发送条件是就绪的，是可以直接发送，但会存在一次性发送完的情况，可以下一次调用sender的时候再发送，这就要求每一个sock需要配备自己的发送缓冲区。并且将发送事件注册到epoll中，让epoll管理。由于服务器的需求以接收事件居多，发送事件相比需求不大，因此对于epoll来说接收事件是常规设置，发送事件是按需设置。

main.cc

#include <iostream>
#include <functional>
#include <vector>
#include <memory>
#include "err.hpp"
#include "tcpserver.hpp"
#include "protocol.hpp"
using namespace std;
using namespace TCP_sv;

static void Usage(string proc)
{
    cerr << "Usage:\n\t" << proc << " port "
         << "\n\n";
}

string resp(const string &s)
{
    return s;
}

bool cal(const Request &req, Response &resp)
{
    // req已经有结构化完成的数据啦，你可以直接使用
    resp._exitcode = NONE;
    resp._result = NONE;

    switch (req._op)
    {
    case '+':
        resp._result = req._x + req._y;
        break;
    case '-':
        resp._result = req._x - req._y;
        break;
    case '*':
        resp._result = req._x * req._y;
        break;
    case '/':
    {
        if (req._y == 0)
            resp._exitcode = DIV_ZERO;
        else
            resp._result = req._x / req._y;
    }
    break;
    case '%':
    {
        if (req._y == 0)
            resp._exitcode = MOD_ZERO;
        else
            resp._result = req._x % req._y;
    }
    break;
    default:
        resp._exitcode = OP_ERR;
        break;
    }

    return true;
}

void calculate(Connection *conn)
{
    string onepackage;
    // 从完整报文中取出有效载荷
    while (handleOnePackage(conn->_inbuffer, &onepackage))
    // 如果是读到一个完整的报文，就进入while循环体内对报文进行处理，形成响应返回给client端
    {
        //去报头
        string req_str;
        if(!deLength(onepackage,&req_str))
        {
            logMessage(FATAL,"delength err");
            return;
        }
        cout << "有效载荷: " << req_str << endl;
        // 反序列化：用有效载荷去构造req对象
        Request req;
        if (!req.Deserialize(req_str))
        {
            logMessage(FATAL, "Deserialize err");
            return;
        }
        // 用req对象的成员去构造resp对象--处理函数，然后构造响应
        Response resp;
        cal(req, resp);
        string respstr;
        // 用resp对象去序列化出一个报文
        if (!resp.Serialize(&respstr))
        {
            logMessage(FATAL, "resp serialize err");
            return;
        }
        // 将报文加上报头，然后填充到输出缓冲区中
        conn->_outbuffer += enLength(respstr);
        cout << "-----result: " << conn->_outbuffer << endl;
    }
    //
    if (conn->_writer)
        conn->_writer(conn);

    if (!conn->_outbuffer.empty()) // 如果没有发送完
        conn->_tcps->EnableReadWrite(conn, true, true);//如果这次数据没发完，下次epoll检查就绪事件时当前的sock的写事件还是就绪的，那么下次epoll就自动调用写函数继续写
    else
        conn->_tcps->EnableReadWrite(conn, true, false);//通过回调指针调用tcp对象的函数。这次写完了，将写事件关闭
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    if (argc != 2)
    {
        Usage(argv[0]);
        exit(USAGE_ERR);
    }
    uint16_t port = atoi(argv[1]);
    unique_ptr<Tcpserver> selsv(new Tcpserver(calculate, port));
    selsv->inittcpserver();
    selsv->Distribute();

    return 0;
}

protocol.hpp

#pragma once
#include<iostream>
#include<string>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <cstring>
#include <jsoncpp/json/json.h>
#include"log.hpp"
using namespace std;

#define SEP " "
#define SEP_LEN strlen(SEP)//strlen统计'\0'之前的字符个数，而sizeof统计的是所占内存的空间大小，使用sizeof会越界出问题
#define LINE_SEP "\r\n"
#define LINE_SEP_LEN strlen(LINE_SEP)

enum {
    NONE=0,
    DIV_ZERO,
    MOD_ZERO,
    OP_ERR
};
//"x op y"->"text_len"\r\n"x op y"\r\n---給内容加上报头
std::string enLength(const std::string& text)//协议定制
{
    std::string send_str=to_string(text.size());
    send_str+=LINE_SEP;
    send_str+=text;
    send_str+=LINE_SEP;

    return send_str;
}
//"text_len"\r\n"x op y"\r\n -> "x op y"---去掉报头，取出里面的内容
bool deLength(const std::string& str,string* ret)//协议定制
{
    auto it=str.find(LINE_SEP);//找到报头
    if(it==std::string::npos) return false;//如果没找到则直接返回

    int len=stoi(str.substr(0,it));//取出字符串的长度
    *ret=str.substr(it+LINE_SEP_LEN,len);//取出数据
    return true;
}

class Request
{
public:
Request():_x(0),_y(0),_op(0){}
Request(int x,int y,int op):_x(x),_y(y),_op(op){}

bool Serialize(std::string* out)//序列化，将传入的x op y转化为字符串"x op y"
{
    *out="";
    *out+=to_string(_x);
    *out+=SEP;
    *out+=to_string(_op);
    *out+=SEP;
    *out+=to_string(_y);
    return true;
}

bool Deserialize( const string& origin)//反序列化，将传过来的字符串拆出来传参給_x _op _y
{//"_xSEP_opSEP_y"-> _x,_op,_y
    auto leftit=origin.find(SEP);
    cout<<"Deserialize找到了leftSEP: "<<leftit<<endl;
    auto rightit=origin.rfind(SEP);
    cout<<"Deserialize找到了rightSEP: "<<rightit<<endl;
    if(leftit==string::npos|| rightit==string::npos) return false;

    if(leftit==rightit) return false;
    int opsize=rightit-leftit-1;
    cout<<"opsize: "<<opsize<<endl;
//1 43 1--leftit=1,rightit=4,opsize=rightit-leftit-1=4-1-1=2;
//1 3 1--leftit=1,right=3,opsize=rightit-leftit-1=3-1-1=1
   // if(rightit-(leftit+SEP_LEN)!=1) return false;
    if(rightit-(leftit+SEP_LEN)!=opsize) return false;
    //+号ASCII码是43，从char转int被解析成43即stringlen为两位,这里的运算rightit-(leftit+SEP_LEN)!=1就出问题
//4-(1+1)==2;3-(1+1)=1
    std::string origin_x=origin.substr(0,leftit);
    std::string origin_y=origin.substr(rightit+SEP_LEN);
    if(origin_x.empty()) return false;

    if(origin_y.empty()) return false;

    cout<<"origin_x: "<<origin_x<<" origin_y: "<<origin_y<<endl;
    _x=stoi(origin_x);
    int opf=stoi(origin.substr(leftit,rightit));
    _op=opf;
    cout<<"opf: "<<opf<<"_op: "<<_op<<endl;
    _y=stoi(origin_y);
    return true;

}
    public:
    int _x;
    int _y;
    char _op;
};

class Response
{
public:
Response():_exitcode(0),_result(0){}
Response(int exitcode,int result):_exitcode(exitcode),_result(result){}
bool Serialize(string*out)//序列化
{//_exitcode _result ->"_exitcodeSEP_result"
*out="";
*out+=to_string(_exitcode);
*out+=SEP;
*out+=to_string(_result);

return true;
}

bool Deserialize(const string& in)//反序列化
{//_exitcodeSEP_result"->_exitcode _result

auto pos=in.find(SEP);
if(pos==string::npos) return false;

string excstr=in.substr(0,pos);
string resstr=in.substr(pos+SEP_LEN);
if(excstr.empty()||resstr.empty()) return false;

_exitcode=stoi(excstr);
_result=stoi(resstr);
return true;

}

public:
int _exitcode;//退出码
int _result;//结果
};

//"text_len"\r\n"x op y"\r\n
bool handleOnePackage(string& inbuffer,string*out)
{
    *out="";
    auto pos=inbuffer.find(LINE_SEP);//找\r\n
    if(pos==string::npos) return false;//没找到报头和有效载荷之间的分隔符---如果字节流式的报文没读全就继续读
    string text_len=inbuffer.substr(0,pos);//报头是有效载荷的长度
    int len=stoi(text_len);
    
    int totallen=text_len.size()+LINE_SEP_LEN*2+len;//整个报文的长度
    if(inbuffer.size()<totallen) 
    {
        logMessage(WARNING,"got uncomplete message");
        return false;//报文没读完继续读
    }
    logMessage(NORMAL,"got complete message");
    *out=inbuffer.substr(0,totallen);
    inbuffer.erase(0,totallen);
    return true;

}

log.hpp

#pragma once

#include <iostream>
#include <string>
#include<ctime>
#include <sys/types.h>
 #include <unistd.h>
 #include <stdio.h>
#include <stdarg.h>
using namespace std;
#define DEBUG   0
#define NORMAL  1
#define WARNING 2
#define ERROR   3
#define FATAL   4
#define ERROR_EPOLL_CREATE 5

#define NUM 1024
#define LOG_STR "./logstr.txt"
#define LOG_ERR "./log.err"
const char* to_str(int level)
{
    switch(level)
    {
        case DEBUG: return "DEBUG";
        case NORMAL: return "NORMAL";
        case WARNING: return "WARNING";
        case ERROR: return "ERROR";
        case FATAL: return "FATAL";
        case ERROR_EPOLL_CREATE: return "ERROR_EPOLL_CREATE";
        
        default: return nullptr;
    }
}

void logMessage(int level, const char* format,...)
{

char logprestr[NUM];
snprintf(logprestr,sizeof(logprestr),"[%s][%ld][%d]",to_str(level),(long int)time(nullptr),getpid());

char logeldstr[NUM];
va_list arg;
va_start(arg,format); 
vsnprintf(logeldstr,sizeof(logeldstr),format,arg);//arg是logmessage函数列表中的...

  cout<<logprestr<<logeldstr<<endl;

}

Sock.hpp

#pragma once

#include<iostream>
#include<string>
#include<cstring>
#include<sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include "log.hpp"
#include "err.hpp"

const static int backlog=32;
const static int defaultsock=-1;
class Sock
{
    const static int backlog=32;

    public:
    Sock(int sock=defaultsock):_listensock(sock)
    {}
    void Socket()
    {
        _listensock=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);//创建套接字
        if(_listensock<0)//创建失败
        {
            logMessage(FATAL,"create sock error");
            exit(SOCKET_ERR);
        }
        //创建成功
        logMessage(NORMAL,"create sock success,origin sock: %d\n",_listensock);
        int opt=1;
        setsockopt(_listensock,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR|SO_REUSEPORT,&opt,sizeof(opt));//允许套接字关闭后立刻重启
    } 

     void Bind(int port)
    {
        //绑定自己的网络信息
        struct sockaddr_in local;
        memset(&local,0,sizeof(local));//将结构体清空
        local.sin_family=AF_INET;//添加协议
        local.sin_port=htons(port);//添加端口号
        local.sin_addr.s_addr=htons(INADDR_ANY);//不绑定指定IP，可以接收任意IP主机发送来的数据
        //将本地设置的信息绑定到网络协议栈
        if (bind(_listensock,(struct sockaddr*)&local,sizeof(local))<0)
        {
            logMessage(FATAL,"bind socket error");
            exit(BIND_ERR);
        }
        logMessage(NORMAL,"bind socket success");
    }

     void Listen()//将套接字设置为监听
    {
        if(listen(_listensock,0)<0)
        {
            logMessage(FATAL,"listen socket error");
            exit(LISTEN_ERR);
        }
        logMessage(NORMAL,"listen socket success");
    }

     int Accpet(string * clientip,uint16_t* clientport,int*err)
    {
        logMessage(DEBUG,"enter Accept");
        *err=errno;
        struct sockaddr_in cli;
        socklen_t len= sizeof(cli);
        logMessage(DEBUG,"will accept");//拿上来连接后，第二次调用到这里，调用accept函数阻塞住了，难道不是设定了sock是非阻塞了吗？11.17.21.24
        int sock=accept(_listensock,(struct sockaddr*)&cli,&len);
        logMessage(DEBUG,"accept done");

        if(sock<0)
        {
            logMessage(FATAL,"accept error");//这里accept失败为什么不退出
        }else
        {
            logMessage(NORMAL,"accept a new link,get new sock : %d",sock);
            *clientip=inet_ntoa(cli.sin_addr);
            *clientport=ntohs(cli.sin_port);
        }
        logMessage(DEBUG,"quit Accept");
        return sock;
    }

    int Fd()
    {
        return _listensock;
    }

    private:
    int _listensock;
};

until.hpp

#pragma once

#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
#include<string.h>
#include<cerrno>
using namespace std;
class Until
{
public:
static void setNonBlock(int fd)//把文件描述符设置为非阻塞
{
    int n=fcntl(fd,F_GETFL);//获取文件描述符的状态，正常返回非-1的标志位，出错返回-1
    if(n<0)
    {
        cerr<<"fcntl :"<<strerror(errno)<<endl;
       return ;
    }
    fcntl(fd,F_SETFL,n|O_NONBLOCK);//对文件描述符的状态进行设置，设置为非阻塞状态
}

};

void Print_log()
{
    cout<<"print_log"<<endl;
}

void Download()
{
    cout<<"download_something"<<endl;
}

Epoller.hpp

#pragma once

#include <iostream>
#include <sys/select.h>
#include <string>
#include <functional>
#include <sys/epoll.h>
#include "Sock.hpp"

using namespace std;
static const int defaultfd = -1; // 默认fd
static const int size = 128;     //
class Epoller
{
public:
    Epoller(int fd = defaultfd) : _epfd(fd) {}
    ~Epoller()
    {
        if (_epfd != defaultfd)
        {
            close(_epfd);
        }
    }
    void Create()
    {
        logMessage(DEBUG, "enter epoller create");
        _epfd = epoll_create(size); // 将管理事件数传进去，创建一个具有指定事件数的epoll模型
        if (_epfd < 0)
        {
            logMessage(ERROR, "epoll_create error");
            exit(ERROR_EPOLL_CREATE);
        }
        logMessage(DEBUG, "out epoller create,_epfd: %d\n", _epfd);
    }
    // 用户告知内核，需要底层监管那些事件
    bool Add_Event(int sock, uint16_t event) // 将sock和event添加到epoll模型中
    {
        struct epoll_event epv;
        epv.events = event;
        epv.data.fd = sock;
        int n = epoll_ctl(_epfd, EPOLL_CTL_ADD, sock, &epv);
        return n == 0;
    }
    // 内核告诉用户，已经就绪了多少个事件
    int Wait(struct epoll_event revent[], int num, int timeout) // 监管num个事件，就绪事件保存在revent数组中
    {
        logMessage(DEBUG, "enter epoll_Wait");

        int n = epoll_wait(_epfd, revent, num, timeout);
        logMessage(DEBUG, "quit epoll_Wait,get n: %d", n);
   //     sleep(2);
        return n; // 内核帮助用户监管事件，返回已经就绪的事件数量
    }

    bool Control(int sock, uint32_t event, int action)
    {
        struct epoll_event epv;
        epv.events = event;
        epv.data.fd = sock;
        int n = 0;
        if (action == EPOLL_CTL_MOD)
        {
            logMessage(NORMAL,"enter Control MOD");
            n = epoll_ctl(_epfd, action, sock, &epv);
        }
        else if (action == EPOLL_CTL_DEL)
        {
            n = epoll_ctl(_epfd, action, sock, nullptr);
        }
        else
            n = -1;

        return n == 0;
    }
    void Close()
    {
        if (_epfd != defaultfd)
        {
            close(_epfd);
        }
    }

private:
    int _epfd;
};

由于该reactor处理的是类似于接收“1+1”的完整报文的数据，返回客户端所得数的业务，因此客户端也需要能够具备发送完整报文的能力。

calclient.cc

#include<iostream>
#include<string>
#include<memory>
#include"calclient.hpp"
using namespace std;
using namespace client;
static void Usage(string proc)
{
    cout<<"\nUsage :\n\t"<<proc<<" serverip serverport\n"<<endl;
}
int main(int argc, char* argv[])
{
    if(argc!=3)
    {
        Usage(argv[0]);
        exit(1);
    }

string serverip=argv[1];
uint16_t serverport=atoi(argv[2]);

unique_ptr<calclient> tc(new calclient(serverip,serverport));

tc->initclient();
tc->start();

    return 0;
}

calclient.hpp

#pragma once
#include <iostream>
#include <string>
#include <cstring>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <ctype.h>
#include"protocol.hpp"
using namespace std;
#define NUM 1024
namespace client
{

    class calclient
{

public:
calclient(const string& ip,const uint16_t& port)
:_sock(-1)
,_port(port)
,_ip(ip)
{}

void initclient()
{
//1.创建sockfd
_sock=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
if(_sock<0)
{
   cerr<<"socket create error"<<endl;
   exit(2);
}
//2.绑定 ip port，不显示绑定，OS自动绑定
}

void start()
{
struct sockaddr_in ser;
bzero(&ser,sizeof(ser));
socklen_t len=sizeof(ser);
ser.sin_family=AF_INET;
ser.sin_port=htons(_port);
ser.sin_addr.s_addr=inet_addr(_ip.c_str());
if(connect(_sock,(struct sockaddr *)&ser,len)!=0)
{
    cerr<<"connect error"<<endl;
}else
{
    string line;
    string inbuffer;
    while(true)
    {
        cout<<"mycal>>: ";//输入"xopy"
        getline(cin,line);
        Request req=ParseLine(line);//用"xopy"取出x op y构造Request对象
        string context;
        req.Serialize(&context);//序列化，用x op y构造字符串"xSEPopSEPy"
        string send_str=enLength(context);//定制协议---"x op y"->"text_len"\r\n"x op y"\r\n---給内容加上报头
        cout<<"calclient send str: "<<send_str<<endl;
        send(_sock,send_str.c_str(),send_str.size(),0);//客户端把报文发送給服务器

        string package;
        if(!recvPackage(_sock,inbuffer,&package)) continue;//服务器处理完数据，客户端接收服务器发送来的报文
        //  "content_len"\r\n"exitcode result"\r\n
        string reser_len;
        if(!deLength(package,&reser_len)) continue;//去报头
         //  "content_len"\r\n"exitcode result"\r\n -> "exitcode result"
        Response rep;
        rep.Deserialize(reser_len);//反序列化：//_exitcodeSEP_result"->_exitcode _result

        cout<<"_exitcode: "<<rep._exitcode<<endl;
        cout<<"_result: "<<rep._result<<endl;
    }
}
}

~calclient()
{
    if(_sock>=0) close(_sock);
}

Request ParseLine(const string& line)
{//"xopy"->取出来到x op y 上
int i=0;
int status=0;
int num=line.size();
string left,right;
char op;

while(i<num)
{
switch(status)
{
    case 0:
    {
        if(!isdigit(line[i]))
    {
        op=line[i];//取出运算符**
        status=1;
    }else
    left.push_back(line[i++]);//取出左操作数
    }
    break;
    case 1:
    i++;
    status=2;
    break;

    case 2:
    right.push_back(line[i++]);
    break;
}
}
cout<<"left: "<<stoi(left)<<" op: "<<op<<" right: "<<stoi(right)<<endl;
return Request(stoi(left),stoi(right),op);//返回Request对象

}

private:
int _sock;
uint16_t _port;
string _ip;

};
}

image-20231129194945169
reactor保证了事件就绪，还负责了IO，并且还完成了业务处理。负责了IO过程+业务处理，该过程称为半同步。实际上可以将业务放到其他处理逻辑上，只负责IO过程，这称为半异步。

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