多路I/O转接 Epoll

news2025/1/8 5:49:25

基本概述

epoll是Linux下多路复用IO接口select/poll的增强版本，它能显著提高程序在大量并发连接中只有少量活跃的情况下的系统CPU利用率，因为它会复用文件描述符集合来传递结果而不用迫使开发者每次等待事件之前都必须重新准备要被监听的文件描述符集合，另一点原因就是获取事件的时候，它无须遍历整个被监听的描述符集，只要遍历那些被内核IO事件异步唤醒而加入Ready队列的描述符集合就行了。

epoll除了提供select/poll那种IO事件的电平触发（Level Triggered）外，还提供了边沿触发（Edge Triggered），这就使得用户空间程序有可能缓存IO状态，减少epoll_wait/epoll_pwait的调用，提高应用程序效率。

Epoll模型的三个函数

https://www.bilibili.com/video/BV1iJ411S7UA?p=71&spm_id_from=pageDriver&vd_source=d239c7cf48aa4f74eccfa736c3122e65https://www.bilibili.com/video/BV1iJ411S7UA?p=71&spm_id_from=pageDriver&vd_source=d239c7cf48aa4f74eccfa736c3122e65

#include <sys/epoll.h>

int epoll_create(int size);
作用：创建一个epoll句柄，告诉他需要监听的数目（也可以理解成申请一片空间，用于存放监听的套接字）

int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event)；
作用：控制某个epoll监控的文件描述符上的事件：注册，修改、删除（也就是增添 删除 修改一个事件）

int epoll_wait(int epfd,struct epoll_event * events,int maxevents,int timeout)
作用：监听红黑树上的事件，将产生动静的事件放在event这个数组内，

epoll_create 函数

创建一个epoll句柄，参数size用来告诉内核监听的文件描述符的个数，跟内存大小有关。

int epoll_create(int size);
参数：通知内核监听size个fd，只是个建议值并与硬件有关系。（从 Linux 内核 2.6.8 版本起，size 这个参数就被忽略了，只要求 size 大于 0 即可）
返回值：返回epoll句柄（fd）

epoll_ctl 函数

控制某个epoll监控的文件描述符上的事件：注册、修改、删除。

int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event)；

参数一：int epfd:epoll_create()的返回值
参数二：int op：表示动作，用三个宏来表示

                        EPOLL_CTL_ADD(注册新的fd到epfd)
                        EPOLL_CTL_MOD(修改已经注册的fd监听事件)
                        EPOLL_CTL_DEL(从epfd删除一个fd)

参数三：int fd 操作对象（socket）
参数四：struct epoll_evevt* evevt; 告诉内核需要监听的事件
结构体如下：
    struct epoll_event {
        uint32_t events; 宏定义读和写EPOLLIN读EPOLLOUT写
        epoll_data_t data; 联合体
    };

联合体如下：
    typedef union epoll_data {
        void *ptr;
        int fd;
        uint32_t u32;
        uint64_t u64;
    } epoll_data_t;
返回值：成功返回0，不成功返回-1

epoll_wait 函数

等待所监控文件描述符上有事件的产生，类似于select()调用。

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

参数一：int epfd:epoll_create()函数返回值
参数二：struct epoll_events* events 用于回传代处理事件的数组（也就是存放产生动静的事件）
参数三: int maxevents 同时最多产生多少事件，告诉内核events有多大，该值必须大于0
参数四: int timeout 表示 -1相当于阻塞，0相当于非阻塞，超时时间(单位：毫秒)
返回值：成功返回产生动静事件的个数

说明： 产生动静是指

有新的客户端需要连接或者
已连接的客户端发送了信息

Epoll 实现多路IO转接思路

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案例代码

/* server.c */
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <errno.h>
#include <ctype.h>

#include "wrap.h"

#define MAXLINE 8192
#define SERV_PORT 8000

#define OPEN_MAX 5000

int main(int argc, char *argv[])
{
    int i, listenfd, connfd, sockfd;
    int  n, num = 0;
    ssize_t nready, efd, res;
    char buf[MAXLINE], str[INET_ADDRSTRLEN];
    socklen_t clilen;

    struct sockaddr_in cliaddr, servaddr;

    listenfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	
    int opt = 1;
    setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));      //端口复用
	
    bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
	
    Bind(listenfd, (struct sockaddr *) &servaddr, sizeof(servaddr));
    Listen(listenfd, 20);

    efd = epoll_create(OPEN_MAX);               //创建epoll模型, efd指向红黑树根节点
    if (efd == -1)
        perr_exit("epoll_create error");

    struct epoll_event tep, ep[OPEN_MAX];       //tep: epoll_ctl参数  ep[] : epoll_wait参数

    tep.events = EPOLLIN; 
    tep.data.fd = listenfd;           //指定lfd的监听时间为"读"

    res = epoll_ctl(efd, EPOLL_CTL_ADD, listenfd, &tep);    //将lfd及对应的结构体设置到树上,  efd可找到该树
    if (res == -1)
        perr_exit("epoll_ctl error");

    for ( ; ; ) {
        /*epoll为server阻塞监听事件, ep为struct epoll_event类型数组, OPEN_MAX为数组容量, -1表永久阻塞*/
        nready = epoll_wait(efd, ep, OPEN_MAX, -1); 
        if (nready == -1)
            perr_exit("epoll_wait error");

        for (i = 0; i < nready; i++) {
            if (!(ep[i].events & EPOLLIN))      //如果不是"读"事件, 继续循环
                continue;

            if (ep[i].data.fd == listenfd) {    //判断满足事件的fd是不是lfd            
                clilen = sizeof(cliaddr);
                connfd = Accept(listenfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &clilen);    //接受链接

                printf("received from %s at PORT %d\n", 
                        inet_ntop(AF_INET, &cliaddr.sin_addr, str, sizeof(str)), 
                        ntohs(cliaddr.sin_port));
                printf("cfd %d---client %d\n", connfd, ++num);

                tep.events = EPOLLIN; tep.data.fd = connfd;
                res = epoll_ctl(efd, EPOLL_CTL_ADD, connfd, &tep);      //加入红黑树
                if (res == -1)
                    perr_exit("epoll_ctl error");

            } else {                                                    //不是lfd, 
                sockfd = ep[i].data.fd;
                n = Read(sockfd, buf, MAXLINE);

                if (n == 0) {                                           //读到0,说明客户端关闭链接
                    res = epoll_ctl(efd, EPOLL_CTL_DEL, sockfd, NULL);  //将该文件描述符从红黑树摘除
                    if (res == -1)
                        perr_exit("epoll_ctl error");
                    Close(sockfd);                                      //关闭与该客户端的链接
                    printf("client[%d] closed connection\n", sockfd);

                } else if (n < 0) {                                     //出错
                    perror("read n < 0 error: ");
                    res = epoll_ctl(efd, EPOLL_CTL_DEL, sockfd, NULL);  //摘除节点
                    Close(sockfd);

                } else {                                                //实际读到了字节数
                    for (i = 0; i < n; i++)
                        buf[i] = toupper(buf[i]);                       //转大写,写回给客户端

                    Write(STDOUT_FILENO, buf, n);
                    Writen(sockfd, buf, n);
                }
            }
        }
    }
    Close(listenfd);
    Close(efd);

    return 0;
}