9. C++通过epoll+fork的方式实现高性能网络服务器

news2024/11/19 1:52:30

epoll+fork 实现高性能网络服务器
一般在服务器上，CPU是多核的，上述epoll实现方式只使用了其中的一个核，造成了资源的大量浪费。因此我们可以将epoll和fork结合来实现更高性能的网络服务器。

创建子进程函数–fork( )
要了解线程我们先来了解fork（）函数：fork() 函数的功能是在当前的进程创建一个子进程；在多核时代，CPU管理多个进程,一个单核CPU同一时间只能运行一个进程，比如8 核的 CPU 只能同时运行 8 个进程。但是一个进程中可以有多个线程并行运行。

线程

为什么要有线程

在这里插入图片描述
首先线程不是一开始就被提出来的技术概念！！而是由历史的发展而来的，也就是说我们现在研究的是线程的动机是什么！

打个比喻就是一个引用程序要做很多工作！如web浏览器，又要显示图片，文字，视频的！
假如这三个动作是顺序执行的，也就是说，一个网页显示完图片再显示文字，再显示视频，那么很明显这对用户来说是体验非常不好的，这样对cpu的利用也不高！
那么此时，就引入了进程的概念！我们希望这些三个动作，也就是文字，图片，视频能够“同时”的显示在网页上，那么就是说这三个程序需要并发或者并行（能并行那是因为有多个cpu）执行,此时，我们的网页就可以”同时“显示这三个内容!因为并发的进程是走走停停，交替执行，这个速度很快，快到我们人认为是同时进行的！此时，我们把这些能够同时执行的任务成为”执行流“，也就是说，在进程的概念中，执行流就是进程！，这里又文字，图片，视频三个执行流！很明显我们知道进程的创建和切换，也就是说并发执行是很耗时耗费资源的！
所以我们又提出了线程的概念，也就是说我们能否在一个进程中，执行这三执行流，其实可以的！
线程就是在一个进程中的一个执行流！有线程的概念我们就可以在一个进程执行这三个任务，不需要创建多个进程，并且进行进程切换！我们的线程在一个进程中，可以并发或者并行的执行！这样就大大减少了资源开销！

从内存块的角度理解线程

在这里插入图片描述

比如一个单线程的进程，其实他就等价于一个进程中的任务！和进程区别不大！这个线程（执行流）共享进程的代码段，数据段，打开文件的信息等内容！同时进程的栈空间也是线程的栈空间！
假如有多线程的进程，比如三个线程：说明：这个进程中有三个执行流，这个三个会有三个不同的空间，但是都属于一个进程中，它们有自己的栈空间，能够单独的执行自己的任务！但是这三个线程共享一个进程中的代码段，数据段，打开文件的信息等。
共享带来的好处就是访问这些共享资源的代价低，存储资源节省！不再需要进程那样又要多一份空间存储资源！

线程就是cpu调度的单位了，而进程就是资源分配的单位了，因为即使一个进程只有一个线程，真正执行的还是进程中的线程！

多线程模型

M：1模型
也就是多个用户线程对一个内核线程！
在这里插入图片描述
这种模型的好处就是，对于用户来说，它看的多个线程在并行执行！
在实际来说，多个线程占用一个内核线程，这个意思就是，用户线程中有一个线程占用了cpu资源，那么其他的用户线程就不可以执行，只能进入等待状态了！

1：1模型

一个用户线程对于一个内核线程，假如内核线程和用户线程数量不匹配的话，那么就会开多内核线程和用户线程匹配起来
在这里插入图片描述
好处就是多个线程真正意义上实现了并发或并行执行；
缺点就是：内核开销很大！

epoll+fork代码

这个代码就是每次fork一个进程，然后在每个线程里面可以用epoll申请多个进程来进行监听。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <netinet/in.h>
#include <iostream>
#include <fcntl.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
//端口
#define PORT 8888
#define MESSAGE_LEN 1024
#define MAX_EVENTS 20
#define TIMEOUT 500
#define MAX_PROCESS 4


int main(int argc,char* argv[]){

    int ret=-1;
    int on=1;
    int backlog=10;//缓冲区大小

    int socket_fd,accept_fd;

    struct sockaddr_in localaddr,remoteaddr;

    char in_buff[MESSAGE_LEN]={0,};

    int epoll_fd;

    struct epoll_event ev,events[MAX_EVENTS];//epoll中event的结构体

    int event_number;

    int flags = 1;

    pid_t pid=-1;

    socket_fd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    if(socket_fd==-1){
        std::cout<<"Failed to create socket!"<<std::endl;
        exit(-1);
    }

    //创建了socket之后我们要设置成异步的
    flags = fcntl(socket_fd,F_GETFL,0);
    //然后设置成非阻塞
    fcntl(socket_fd,F_SETFL,flags | O_NONBLOCK);

    ret=setsockopt(socket_fd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&on,sizeof(on));
    if(ret==-1){
        std::cout<<"Failed to set socket options!"<<std::endl;
    }

    localaddr.sin_family=AF_INET;//地址族
    localaddr.sin_port=htons(PORT);//端口号
    localaddr.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY;//这个就是0
    bzero(&(localaddr.sin_zero), 8);

    ret= bind(socket_fd,(struct sockaddr *)&localaddr,sizeof(struct sockaddr));//绑定
    if(ret==-1){//绑定失败
        std::cout<<"Failed to bind addr!"<<std::endl;
        exit(-1);
    }

    ret = listen(socket_fd,backlog);//第二个是缓冲区大小，因为同一时间只能处理一个，其他都放在缓冲区
    if(ret==-1){
        std::cout<<"failed to listen socket!"<<std::endl;
        exit(-1);
    }

    for(int i=0;i<MAX_PROCESS;i++){//这个一般是cup数*2+1
        if(pid!=0){//pid==0代表着子进程，第一次等于-1，就是父进程，然后fork一个子进程
            pid=fork();//父进程,fork出来一个子进程
        }
    }
    if(pid==0){
        //创建epoll,再每个进程下面都可以创建epoll,每个进程自己使用自己的epoll
        epoll_fd = epoll_create(256);
        //先将侦听的socket_fd添加进去，然后再将与数据通讯的客户端的socket_fd添加进去
        ev.events=EPOLLIN;//对于侦听的这个事件来说就是输入，就是in,这个一般不变成边缘触发，为了保证所有来的都能连上
        ev.data.fd=socket_fd;//这个就是文件描述符socket
        epoll_ctl(epoll_fd,EPOLL_CTL_ADD,socket_fd,&ev);

        while(1){//等待连接
            event_number = epoll_wait(epoll_fd,events,MAX_EVENTS,TIMEOUT);//发生事件的个数
            for(int i=0;i<event_number;i++){//有多少个文件描述符发生事件了
                if(events[i].data.fd==socket_fd){//如果这个是侦听的socket发生事件了，那么说明是来了新的连接

                    std::cout<<"listen event..."<<std::endl;
                    socklen_t addr_len=sizeof(struct sockaddr);
                    accept_fd = accept(socket_fd,
                                       (struct sockaddr *)&remoteaddr,
                                       &addr_len);
                    //设置成非阻塞
                    //创建了socket之后我们要设置成异步的
                    flags = fcntl(accept_fd,F_GETFL,0);
                    //然后设置成非阻塞
                    fcntl(accept_fd,F_SETFL,flags | O_NONBLOCK);

                    ev.events=EPOLLIN | EPOLLET;//|上边缘触发
                    ev.data.fd=accept_fd;
                    epoll_ctl(epoll_fd,EPOLL_CTL_ADD,accept_fd,&ev);//将accept_fd添加到epoll中去

                }else if(events[i].events&EPOLLIN){//这里只介绍读的
                    do{
                        memset(in_buff, 0, sizeof(in_buff));
                        //接收消息
                        ret = recv(events[i].data.fd,(void *)in_buff,MESSAGE_LEN,0);
                        if(ret==0){
                            close(events[i].data.fd);
                        }
                        if(ret==MESSAGE_LEN){//缓冲区满了
                            std::cout<<"maybe have data..."<<std::endl;
                        }
                    }while(ret<-1&&errno==EINTR);

                    if(ret<0){
                        switch(errno){
                            case EAGAIN:
                                break;
                            dafault:
                                break;
                        }
                    }
                    if(ret>0){//打印信息
                        std::cout<<"receive messaage:"<<in_buff<<std::endl;
                        //返回消息
                        send(events[i].data.fd,(void*)in_buff,MESSAGE_LEN,0);
                    }
                }
            }
        }
    }else{//pid!=0,父进程
        do{//这时候父进程等待所有的子进程完成
            pid=waitpid(-1,NULL,0);
        }while(pid!=-1);

    }
    std::cout<<"quit servet...\n"<<std::endl;
    close(socket_fd);

    return 0;
}