IO多路复用技术总结

2021-12-16

来源:微信公众号「编程学习基地」

IO 多路复用概述

I/O 多路复用技术是为了解决进程或线程阻塞到某个 I/O 系统调用而出现的技术,使进程不阻塞于某个特定的 I/O 系统调用。

在IO多路复用技术描述前,先讲解下同步,异步,阻塞,非阻塞的概念。

网络IO模型

linux网络IO中涉及到的模型如下:

(1)阻塞式IO

(2)非阻塞式IO

(3)IO多路复用

(4)信号驱动IO

(5)异步IO

今天不谈信号驱动IO,略过..

同步/异步

在学习IO模型的时候,我们必须明确一个概念,处理 IO 的时候,阻塞和非阻塞都是同步 IO。

只有使用了特殊的 API 才是异步 IO,例如Linux网络中的AIO。

再看下POSIX对同步和异步这两个术语的定义:

  • 同步IO操作:导致请求进程阻塞,直到I/O操作完成;
  • 异步IO操作:不导致请求进程阻塞;

通俗的理解下同步和异步

  • 同步:当执行系统调用read时,需要用户等待内核完成从内核缓冲区到用户缓冲区的数据拷贝。

  • 异步:当执行异步IO操作例如aio_read时,用户不需要等待,只需要接收内核完成操作的通知,由内核来完成数据的读取。

阻塞/非阻塞

在知晓阻塞和非阻塞都是同步 IO后,阻塞和非阻塞就很好理解了

阻塞IO:由系统调用read,导致线程一直等待数据返回。

阻塞等待模型

非阻塞IO:系统调用read后立即返回一个状态,当数据达到内核缓冲区之前都是非阻塞的,即返回一个系统调用状态。

非阻塞等地模型

ps:闪客的动图做的非常的形象,上述gif动图来源「低并发编程」

IO多路复用

IO多路复用是一种同步IO模型,实现一个线程可以监视多个文件句柄;

select

select 是操作系统提供的系统调用函数,select()用来等待文件描述词(普通文件、终端、伪终端、管道、FIFO、套接字及其他类型的字符型)状态的改变。是一个轮循函数,循环询问文件节点,可设置超时时间,超时时间到了就跳过代码继续往下执行。

通过select,我们可以把一个文件描述符的数组发给操作系统, 让操作系统去遍历,确定哪个文件描述符可以读写, 然后告诉我们去处理:

请添加图片描述

头文件

#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
select调用

拥塞函数,拥塞等待文件描述符事件的到来

int select(int maxfdp
	, fd_set *readset
	, fd_set *writeset
	, fd_set *exceptset
	,struct timeval *timeout);

参数说明:

maxfdp:被监听的文件描述符的最大值,它比所有文件描述符集合中的文件描述符的最大值大1,因为文件描述符是从0开始计数的;

readfds、writefds、exceptset:分别指向可读、可写和异常等事件对应的描述符集合。

timeout:用于设置select函数的超时时间,即告诉内核select等待多长时间之后就放弃等待。timeout == NULL 表示等待无限长的时间,timeout == 0,select立即返回

timeval结构体
struct timeval
{      
    long tv_sec;   /*秒 */
    long tv_usec;  /*微秒 */   
};
select置位
int FD_ZERO(int fd, fd_set *fdset);   //一个 fd_set类型变量的所有位都设为 0
int FD_CLR(int fd, fd_set *fdset);  //清除某个位时可以使用
int FD_SET(int fd, fd_set *fd_set);   //设置变量的某个位置位
int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset); //测试某个位是否被置位

当声明了一个文件描述符集后,必须用FD_ZERO将所有位置零

调用 select函数,拥塞等待文件描述符事件的到来 ;如果超过设定的时间,则不再等待,继续往下执行

select返回后,用FD_ISSET测试给定位是否置位:

if(FD_ISSET(fd, &rset)   
{ 
    ... 
    //do something  
}
fd_set结构体

fd_set其实这是一个数组的宏定义,实际上是一long类型的数组,每一个数组元素都能与一打开的文件句柄(socket、文件、管道、设备等)建立联系,建立联系的工作由程序员完成,当调用select()时,由内核根据IO状态修改fd_set的内容,由此来通知执行了select()的进程哪个句柄可读。

select使用

整个 select 的流程图如下:
请添加图片描述

Demo1:select示例

Server
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>

#define MAXBUF 1024
#define LISTEN_NUM 2

int main(int argc, char **argv)
{
    int default_port = 8000;
    int optch = 0;
    while ((optch = getopt(argc, argv, "s:p:")) != -1)
    {
        switch (optch)
        {
        case 'p':
            default_port = atoi(optarg);
            printf("port: %s\n", optarg);
            break;
        case '?':
            printf("Unknown option: %c\n", (char)optopt);
            break;
        default:
            break;
        }
    }

    int sockfd, new_fd;
    socklen_t len;
    struct sockaddr_in my_addr, their_addr;
    char buf[MAXBUF + 1];
    fd_set rfds;            // select
    struct timeval tv;      //超时时间
    int retval, maxfd = -1; // select返回值 select监听句柄的最大数量
    
    if ((sockfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1)
    {
        perror("socket");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    bzero(&my_addr, sizeof(my_addr));
    my_addr.sin_family = PF_INET;
    my_addr.sin_port = htons(default_port);
    my_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&my_addr, sizeof(struct sockaddr)) == -1)
    {
        perror("bind");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    if (listen(sockfd, LISTEN_NUM) == -1)
    {
        perror("listen");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    /*				数据处理				*/
    while (1)
    {
        printf("\n----wait for new connect port:%d\n",default_port);
        len = sizeof(struct sockaddr);
        if ((new_fd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&their_addr, &len)) == -1)
        {
            perror("accept");
            exit(errno);
        }
        else
            printf("server: got connection from %s, port %d, socket %d\n",
                   inet_ntoa(their_addr.sin_addr), ntohs(their_addr.sin_port), new_fd);
        while (1)
        {
            FD_ZERO(&rfds);
            FD_SET(0, &rfds);
            FD_SET(new_fd, &rfds);
            maxfd = new_fd;
            tv.tv_sec = 1;
            tv.tv_usec = 0;
            retval = select(maxfd + 1, &rfds, NULL, NULL, &tv);
            if (retval == -1)
            {
                perror("select");
                exit(EXIT_FAILURE);
            }
            else if (retval == 0)
            {
                continue;
            }
            else
            {
                /*标准输入*/
                if (FD_ISSET(0, &rfds))
                {
                    bzero(buf, MAXBUF + 1);
                    fgets(buf, MAXBUF, stdin);
                    if (!strncasecmp(buf, "quit", 4))
                    {
                        printf("i will quit!\n");
                        break;
                    }
                    len = send(new_fd, buf, strlen(buf) - 1, 0);
                    if (len > 0)
                        printf("send successful,%d byte send..\n", len);
                    else
                    {
                        printf("send failure!");
                        break;
                    }
                }
                if (FD_ISSET(new_fd, &rfds))
                {
                    bzero(buf, MAXBUF + 1);
                    len = recv(new_fd, buf, MAXBUF, 0);
                    if (len > 0)
                        printf("recv success :'%s', %d byte recv..\n", buf, len);
                    else
                    {
                        if (len < 0)
                            printf("recv failure\n");
                        else
                        {
                            printf("the client close ,quit\n");
                            break;
                        }
                    }
                }
            }
        }
        close(new_fd);
        printf("need othe connecdt (no->quit)");
        fflush(stdout);
        bzero(buf, MAXBUF + 1);
        fgets(buf, MAXBUF, stdin);
        if (!strncasecmp(buf, "no", 2))
        {
            printf("quit!\n");
            break;
        }
    }
    close(sockfd);
    return 0;
}

makefile:

TARGET=server
SRC = $(wildcard *.cpp *.c)
OBJ = $(patsubst %.cpp *.c,%.o,$(SRC))
DEFS =
CFLAGS = -g
CC =g++
LIBS =  -lpthread
$(TARGET):$(OBJ)
	$(CC) $(CFLAGS) $(DEFS) -o $@ $^ $(LIBS)
.PHONY:
clean:
	rm -rf *.o $(TARGET)
ubuntu@VM-16-5-ubuntu:~/learnbase/IO复用/select$ make
g++ -g  -o server select.c -lpthread
ubuntu@VM-16-5-ubuntu:~/learnbase/IO复用/select$ ./server
----wait for new connect port:8000
client
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <sys/socket.h>
#include <resolv.h>
#include <stdlib.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>

#define MAXBUF 1024
int main(int argc, char **argv)
{
    int sockfd, len;
    struct sockaddr_in dest;
    char buffer[MAXBUF + 1];
    fd_set rfds;
    struct timeval tv;
    int retval, maxfd = -1;

    int optch,ret = -1;
    const char*server_addr;
    int default_port = 8000;

    /*判断是否为合法输入 必须传入一个参数:服务器Ip*/
    if(argc<3)
    {
        printf("usage:tcpcli <IPaddress>");
        return 0;
    }
    while((optch = getopt(argc, argv, "s:p:")) != -1)
	{
		switch (optch)
		{
        case 's':
            server_addr = optarg;
            break;
        case 'p':
            default_port = atoi(optarg);
            printf("port: %s\n", optarg);
            break;
        case '?':
            printf("Unknown option: %c\n",(char)optopt);    
            break;
        default:
            break;
		}
	}
    
    if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) 
    {
        perror("Socket");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    bzero(&dest, sizeof(dest));
    dest.sin_family = AF_INET;
    dest.sin_port = htons(default_port);
    if (inet_aton(server_addr, (struct in_addr *) &dest.sin_addr.s_addr) == 0) 
    {
        perror(server_addr);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    if (connect(sockfd, (struct sockaddr *) &dest, sizeof(dest)) != 0) 
    {
        perror("Connect ");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("\nget ready message chat:\n");
    while (1) 
	{
        FD_ZERO(&rfds);
        FD_SET(0, &rfds);
        FD_SET(sockfd, &rfds);
        maxfd = sockfd;
        tv.tv_sec = 1;
        tv.tv_usec = 0;
        retval = select(maxfd + 1, &rfds, NULL, NULL, &tv);
        if (retval == -1) 
		{
            printf("select %s", strerror(errno));
            break;
        } 
		else if (retval == 0)
            continue;
		else
		{
            if (FD_ISSET(sockfd, &rfds)) 
			{
                bzero(buffer, MAXBUF + 1);
                len = recv(sockfd, buffer, MAXBUF, 0);
                if (len > 0)
                    printf ("recv message:'%s', %d byte recv..\n",buffer, len);
                else 
				{
                    if (len < 0)
                        printf ("message recv failure\n");
                    else
					{
                        printf("server close ,quit\n");
                    	break;
					}
                }
            }
            if (FD_ISSET(0, &rfds))
			{
                bzero(buffer, MAXBUF + 1);
                fgets(buffer, MAXBUF, stdin);
                if (!strncasecmp(buffer, "quit", 4)) {
                    printf("i will quit\n");
                    break;
                }
                len = send(sockfd, buffer, strlen(buffer) - 1, 0);
                if (len < 0) {
                    printf ("message send failure");
                    break;
                } else
                    printf
                        ("send success,%d byte send..\n",len);
            }
        }
    }
    close(sockfd);
    return 0;
} 
TARGET=server
SRC = $(wildcard *.cpp *.c)
OBJ = $(patsubst %.cpp *.c,%.o,$(SRC))
DEFS =
CFLAGS = -g
CC =g++
LIBS =  -lpthread
$(TARGET):$(OBJ)
	$(CC) $(CFLAGS) $(DEFS) -o $@ $^ $(LIBS)
.PHONY:
clean:
	rm -rf *.o $(TARGET)
ubuntu@VM-16-5-ubuntu:~/learnbase/IO复用/select/client$ make
g++ -g  -o client client.c -lpthread
ubuntu@VM-16-5-ubuntu:~/learnbase/IO复用/select/client$ ./client -s 0.0.0.0

get ready message chat:

简易聊天室select版本

server
#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/socket.h>
#include<sys/select.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>

#define _BACKLOG_ 5 //监听队列里允许等待的最大值
#define MAX_CONNECT 20
int fds[MAX_CONNECT];        //用来存放需要处理的IO事件
int listen_sock = -1;
int creat_sock(int port)
{
    int sock = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    if(sock < 0){
        perror("creat_sock error");
        exit(1);
    }

    struct sockaddr_in local;
    local.sin_family = AF_INET;
    local.sin_port = htons(port);
    local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; //inet_addr(0.0.0.0)
    
    // 设置允许socket立即重用
    setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, (const char*)&sock, sizeof(sock));  

    if( bind(sock,(struct sockaddr*)&local,sizeof(local)) < 0){
        perror("bind");
        exit(2);
     }

    if(listen(sock,_BACKLOG_) < 0 ){
        perror("listen");
        exit(4);
     }

    return sock;
}

int accept_sock(){
    struct sockaddr_in client;
    socklen_t len = sizeof(client);
    int accept_sock = accept(listen_sock, (struct sockaddr *)&client, &len);
    if (accept_sock < 0)
    {
        perror("accept");
        exit(5);
    }

    printf("connect by a client, ip:%s port:%d\n", inet_ntoa(client.sin_addr), ntohs(client.sin_port));

    size_t i = 0;
    for (; i < MAX_CONNECT; ++i) //将新接受的描述符存入集合中
    {
        if (fds[i] == -1)
        {
            fds[i] = accept_sock;
            break;
        }
    }
    if (i == MAX_CONNECT)
    {
        printf("accept is upper limit..\n");
        close(accept_sock);
    }
}

int groupChat(int sockFd,void* pBuf,int iSize){
    for(int index=0;index<MAX_CONNECT;index++){
        if(fds[index] == sockFd || fds[index] == listen_sock)
        {
            continue;
        }
        if(fds[index]!=-1){
            printf("write fd:%d..socketFd:%d\n",fds[index],sockFd);
            write(fds[index],pBuf,iSize);
        }
    }
}

int handle_read(int* socketFd)
{
    int socket = *socketFd;
    char buf[1024];
    memset(buf, '\0', sizeof(buf));
    ssize_t size = read(socket, buf, sizeof(buf) - 1);
    if (size < 0)
    {
        perror("read");
        exit(6);
    }
    else if (size == 0)
    {
        printf("client close..\n");
        close(socket);
        *socketFd = -1;
    }
    else
    {
        printf("client say: %s\n", buf);
        groupChat(socket, buf, size);
    }
}

int main(int argc,char* argv[])
{
    int default_port = 8000;
    int optch = 0;
    while ((optch = getopt(argc, argv, "s:p:")) != -1)
    {
        switch (optch)
        {
        case 'p':
            default_port = atoi(optarg);
            printf("port: %s\n", optarg);
            break;
        case '?':
            printf("Unknown option: %c\n", (char)optopt);
            break;
        default:
            break;
        }
    }

    listen_sock = creat_sock(default_port);

    size_t fds_num = sizeof(fds)/sizeof(fds[0]);
    size_t i = 0;
    for(;i < fds_num;++i)
    {
        fds[i] = -1;
    }
    
    int max_fd = listen_sock;
	fds[0] = listen_sock;
    fd_set rset;
    while(1)
	{
        FD_ZERO(&rset);
        FD_SET(listen_sock,&rset);
        struct timeval timeout = {10 , 0};

        size_t i = 0;
        for(;i < fds_num;++i)
        {
            if(fds[i] > 0 ){
                FD_SET(fds[i] ,&rset);
                if(max_fd < fds[i])
				{
                    max_fd = fds[i];
                }
            }
        }

        switch(select(max_fd+1,&rset,NULL,NULL,&timeout))
        {
            case -1:
                perror("select");
                break;
            case 0:
                printf("time out..\n");
				break;
            default:
            {
                size_t i = 0;
                for(;i < fds_num;++i)
                {
					//连接请求
					//当为 listen_socket 事件就绪的时候,就表明有新的连接请求
                    if(FD_ISSET(fds[i],&rset) && fds[i] == listen_sock)
                    {
                        accept_sock();
                    }
                    //普通请求
                    else if(FD_ISSET(fds[i],&rset) && (fds[i] > 0))
                    {
                        handle_read(&fds[i]);
                    }
                    else{}
                }
            }
            break;
        }
    }
    return 0;
}

makfeile

TARGET=server
SRC = $(wildcard *.cpp *.c)
OBJ = $(patsubst %.cpp *.c,%.o,$(SRC))
DEFS =
CFLAGS = -g
CC =g++
LIBS =  -lpthread
$(TARGET):$(OBJ)
	$(CC) $(CFLAGS) $(DEFS) -o $@ $^ $(LIBS)
.PHONY:
clean:
	rm -rf *.o $(TARGET)
ubuntu@VM-16-5-ubuntu:~/learnbase/IO复用/select$ make
g++ -g  -o server select.c -lpthread
ubuntu@VM-16-5-ubuntu:~/learnbase/IO复用/select$ ./server
connect by a client, ip:127.0.0.1 port:42964
client
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <sys/socket.h>
#include <resolv.h>
#include <stdlib.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>

#define MAXBUF 1024
#define MAXNAME 64
int main(int argc, char **argv)
{
    int sockfd, len;
    struct sockaddr_in dest;
    char buffer[MAXBUF + 1];
    fd_set rfds;
    struct timeval tv;
    int retval, maxfd = -1;

    int optch,ret = -1;
    const char*server_addr;
    int default_port = 8000;
    char* clientName = "佚名";

    /*判断是否为合法输入 必须传入一个参数:服务器Ip*/
    if(argc<3)
    {
        printf("usage:tcpcli <IPaddress>");
        return 0;
    }
    while((optch = getopt(argc, argv, "s:p:n:")) != -1)
	{
		switch (optch)
		{
        case 's':
            server_addr = optarg;
            break;
        case 'p':
            default_port = atoi(optarg);
            printf("port: %s\n", optarg);
            break;
        case 'n':
            clientName = optarg;
            printf("client Name: %s\n", optarg);
            break;
        case '?':
            printf("Unknown option: %c\n",(char)optopt);    
            break;
        default:
            break;
		}
	}
    
    if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) 
    {
        perror("Socket");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    bzero(&dest, sizeof(dest));
    dest.sin_family = AF_INET;
    dest.sin_port = htons(default_port);
    if (inet_aton(server_addr, (struct in_addr *) &dest.sin_addr.s_addr) == 0) 
    {
        perror(server_addr);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    if (connect(sockfd, (struct sockaddr *) &dest, sizeof(dest)) != 0) 
    {
        perror("Connect ");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("get ready message chat:\n");
    while (1) 
	{
        FD_ZERO(&rfds);
        FD_SET(0, &rfds);
        FD_SET(sockfd, &rfds);
        maxfd = sockfd;
        tv.tv_sec = 1;
        tv.tv_usec = 0;
        retval = select(maxfd + 1, &rfds, NULL, NULL, &tv);
        if (retval == -1) 
		{
            printf("select %s", strerror(errno));
            break;
        } 
		else if (retval == 0)
            continue;
		else
		{
            if (FD_ISSET(sockfd, &rfds)) 
			{
                bzero(buffer, MAXBUF + 1);
                len = recv(sockfd, buffer, MAXBUF, 0);
                if (len > 0)
                    printf ("recv byte %d, %s\n",len, buffer);
                else 
				{
                    if (len < 0)
                        printf ("message recv failure\n");
                    else
					{
                        printf("server close ,quit\n");
                    	break;
					}
                }
            }
            if (FD_ISSET(0, &rfds))
			{
                char name_msg[MAXNAME + MAXBUF];
                bzero(buffer, MAXBUF + 1);
                fgets(buffer, MAXBUF, stdin);
                if (!strncasecmp(buffer, "quit", 4)) {
                    printf("i will quit\n");
                    break;
                }
                sprintf(name_msg, "[%s]: %s", clientName, buffer);
                len = send(sockfd, name_msg, strlen(name_msg) - 1, 0);
                if (len < 0) {
                    printf ("message send failure");
                    break;
                } else
                    printf("send success,%d byte send..\n",len);
            }
        }
    }
    close(sockfd);
    return 0;
} 

makefile

TARGET=server
SRC = $(wildcard *.cpp *.c)
OBJ = $(patsubst %.cpp *.c,%.o,$(SRC))
DEFS =
CFLAGS = -g
CC =g++
LIBS =  -lpthread
$(TARGET):$(OBJ)
	$(CC) $(CFLAGS) $(DEFS) -o $@ $^ $(LIBS)
.PHONY:
clean:
	rm -rf *.o $(TARGET)
ubuntu@VM-16-5-ubuntu:~/learnbase/IO复用/select/client$ ./client -s 0.0.0.0 -n 梦凡
client Name: 梦凡
get ready message chat:

poll调用

Poll就是监控文件是否可读的一种机制,作用与select一样。

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

参数说明

struct pollfd

fds:是一个struct pollfd结构类型的数组,列出了我们需要poll()检查的文件描述符

typedef struct pollfd {
        int fd;           /* 需要被检测或选择的文件描述符*/
        short events;     /* 对文件描述符fd上感兴趣的事件 */
        short revents;    /* 文件描述符fd上当前实际发生的事件*/
} pollfd_t;

​ events:想要监听的事件

​ revents:实际上发生的事件

POLLIN
POLLOUT
POLLPRI
POLLRDHUB
POLLHUP
POLLERR
nfds

指定了fds中元素的个数,nfds_t为无符号整形

timeout

决定阻塞行为,一般如下:

  • -1:一直阻塞到fds数组中有一个达到就绪态或者捕获到一个信号

  • 0:不会阻塞,立即返回

  • >0:阻塞时间

返回值
  • >0:数组fds中准备好读、写或出错状态的那些socket描述符的总数量;

  • ==0:数组fds中没有任何socket描述符准备好读、写,或出错;此时poll超时

  • -1: poll函数调用失败

poll使用

#include <stdio.h>
#include <poll.h>
#include <string.h>

int main()
{
	int timeout = 0;			   
	char buf[1024];
	struct pollfd fd_poll[1];	   //设置只有一个事件

	while(1){
		fd_poll[0].fd = 0;      
		fd_poll[0].events = POLLIN;
		fd_poll[0].revents = 0;	   

		memset(buf, '\0', sizeof(buf));
		switch( poll(fd_poll, 1, -1) ){
			case 0:
				perror("timeout!");
				break;
			case -1:
				perror("poll");
				break;
			default:
				{
					if( fd_poll[0].revents & POLLIN )
					{

						gets(buf);
						printf("buf : %s\n",buf);
					}
				}
				break;
		}
	}
	return 0;
}

makefile

tcp_poll:tcp_poll.c
    gcc -o $@ $^
.PHONY:clean
clean:
    rm -f tcp_poll

epoll调用

epoll没有对描述符数目的限制,它所支持的文件描述符上限是整个系统最大可以打开的文件数目,例如,在1GB内存的机器上,这个限制大概为10万左右。

epoll只有 epoll_createepoll_ctlepoll_wait 这三个系统调用。

第一步,创建一个 epoll 句柄

第二步,向内核添加、修改或删除要监控的文件描述符。

第三步,发起了 select() 调用

请添加图片描述

其定义如下:

#include <sys/epoll.h>

int epoll_create(int size);
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);
epoll_create
#include <sys/epoll.h>

int epoll_create(int size);

调用epoll_create方法创建一个epoll的句柄,使用完epoll后使用close函数进行关闭

epoll_ctl
#include <sys/epoll.h>

int epoll_ctl(int epfd	//第一个参数epfd:epoll_create函数的返回值。
	, int op			//第二个参数events:表示动作类型。有三个宏来表示
	, int fd			//第三个参数fd:需要监听的fd。
	, struct epoll_event *event);//第四个参数event:告诉内核需要监听什么事件。

op:

  • EPOLL_CTL_ADD:注册新的fd到epfd中;

  • EPOLL_CTL_MOD:修改已经注册的fd的监听事件;

  • EPOLL_CTL_DEL:从 epfd 中删除一个 fd。

fd:需要注册监视对象文件描述符

struct epoll_event
// 感兴趣的事件和被触发的事件
struct epoll_event {
    __uint32_t events; // Epoll events
    epoll_data_t data; // User data variable
};
// 保存触发事件的某个文件描述符相关的数据
typedef union epoll_data {
    void *ptr;
    int fd;
    __uint32_t u32;
    __uint64_t u64;
} epoll_data_t;
Epoll Events:

EPOLLIN:表示对应的文件描述符可读(包括对端Socket);
EPOLLOUT:表示对应的文件描述符可写;
EPOLLPRI:表示对应的文件描述符有紧急数据可读(带外数据);
EPOLLERR:表示对应的文件描述符发生错误;
EPOLLHUP:表示对应的文件描述符被挂断;
EPOLLET:将EPOLL设为边缘触发(Edge Triggered),这是相对于水平触发(Level Triggered)而言的。
EPOLLONESHOT:只监听一次事件,当监听完这次事件之后,如果还需要继续监听这个socket,需要再次添加

例如:

struct epoll_event ep_ev;
int accept_sock = accept(listen_sock,(struct sockaddr*)&remote,&len);
ep_ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;
ep_ev.data.fd = accept_sock;
epoll_ctl(epoll_fd,EPOLL_CTL_ADD,accept_sock,&ep_ev)
epoll_wait

收集在epoll监控的事件中已经发生的事件

#include <sys/epoll.h>

int epoll_wait(int epfd		//第一个参数epfd:epoll_create函数的返回值。
	, struct epoll_event *events	
	, int maxevents
	, int timeout);			//超时时间(毫秒)

第一个参数epfd:epoll_create函数的返回值。

第二个参数events:是分配好的epoll_event结构体数组,epoll将会把发生的事件赋值到events数组中(events不可以是空指针,内核只负责把数据赋值到这个event数组中,不会去帮助我们在用户态分配内存)

第三个参数maxevents:maxevents告诉内核这个events数组有多大,这个maxevents的值不能大于创建epoll_create时的size。

第四个参数:是超时时间(毫秒),如果函数调用成功,则返回对应IO上已准备好的文件描述符数目,如果返回0则表示已经超时。

基于epoll的简易http服务器

基于epoll的简单回显服务器

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<sys/epoll.h>
#include<fcntl.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>

int listen_sock = -1;
int epoll_fd = -1;

//设置非阻塞
int set_noblock(int sock)
{
    int opts = fcntl(sock,F_GETFL);
    return fcntl(sock,F_SETFL,opts | O_NONBLOCK);
}

int creat_socket(int port)
{
    int sock = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    if(sock < 0){
        perror("socket");
        exit(2);
    }
    //调用setsockopt使当server先断开时避免进入 TIME_WAIT 状态,\
        将其属性设定为SO_REUSEADDR,使其地址信息可被重用
    int opt = 1;
    if(setsockopt(sock,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&opt,sizeof(opt)) < 0){
        perror("setsockopt");
        exit(3);
    }
    struct sockaddr_in local;

    local.sin_family = AF_INET;
    local.sin_port = htons(port);
    local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; //inet_addr("0.0.0.0");

    if( bind(sock,(struct sockaddr*)&local,sizeof(local)) < 0 ){
        perror("bind");
        exit(4);
    }
    if(listen(sock,5) < 0){
        perror("listen");
        exit(5);
    }
    printf("listen port %d..\n",port);
    return sock;
}

int accept_socket(){
    struct sockaddr_in remote;
    socklen_t len = sizeof(remote);

    int accept_sock = accept(listen_sock, (struct sockaddr *)&remote, &len);
    if (accept_sock < 0)
    {
        perror("accept");
        return -1;
    }
    printf("accept a client..[ip]: %s,[port]: %d\n", inet_ntoa(remote.sin_addr), ntohs(remote.sin_port));
    //将新的事件添加到epoll集合中
    struct epoll_event ep_ev;
    ep_ev.events = EPOLLIN | EPOLLET; // edge边沿触发,只触发一次
    ep_ev.data.fd = accept_sock;

    set_noblock(accept_sock);

    if (epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, accept_sock, &ep_ev) < 0)
    {
        perror("epoll_ctl");
        close(accept_sock);
        return -1;
    }
    return 0;
}

int handle_request(int socketFd){
    //申请空间同时存文件描述符和缓冲区地址
    char buf[102400];
    memset(buf, '\0', sizeof(buf));

    ssize_t _s = recv(socketFd, buf, sizeof(buf) - 1, 0);
    if (_s < 0)
    {
        perror("recv");
        return -1;
    }
    else if (_s == 0)
    {
        printf("remote close..\n");
        //远端关闭了,进行善后
        epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_DEL, socketFd, NULL);
        close(socketFd);
    }
    else
    {
        //读取成功,输出数据
        printf("client# %s", buf);
        fflush(stdout);

        //将事件改写为关心事件,进行回写
        struct epoll_event ep_ev;
        ep_ev.data.fd = socketFd;
        ep_ev.events = EPOLLOUT | EPOLLET;

        //在epoll实例中更改同一个事件,触发socket可写事件
        epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_MOD, socketFd, &ep_ev);
    }
    return 0;
}

int handle_response(int socketFd){
    const char *msg = "HTTP/1.1 200 OK \r\n\r\n<h1> hi girl </h1>\r\n";
    send(socketFd, msg, strlen(msg), 0);
    epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_DEL, socketFd, NULL);
    close(socketFd);
}
int main(int argc,char *argv[])
{
    int default_port = 8000;
    int optch = 0;
    while ((optch = getopt(argc, argv, "s:p:")) != -1)
    {
        switch (optch)
        {
        case 'p':
            default_port = atoi(optarg);
            printf("port: %s\n", optarg);
            break;
        case '?':
            printf("Unknown option: %c\n", (char)optopt);
            break;
        default:
            break;
        }
    }

    listen_sock = creat_socket(default_port);

    epoll_fd = epoll_create(256);
    if(epoll_fd < 0){
        perror("epoll creat");
        exit(6);
    }

    struct epoll_event ep_ev;
    ep_ev.events = EPOLLIN;         //数据的读取
    ep_ev.data.fd = listen_sock;

    //添加关心的事件
    if(epoll_ctl(epoll_fd,EPOLL_CTL_ADD,listen_sock,&ep_ev) < 0){
        perror("epoll_ctl");
        exit(7);
    }

    struct epoll_event ready_ev[128];   //申请空间来放就绪的事件。
    int maxnum = 128;
    int timeout = -1;                   //设置超时时间,若为-1,则永久阻塞等待。
    int ret = 0;
    
    int done = 0;
    while(!done){
        switch(ret = epoll_wait(epoll_fd,ready_ev,maxnum,timeout)){
            case -1:
                perror("epoll_wait");
                break;
            case 0:
                printf("time out...\n");
                break;
            default://至少有一个事件就绪
            {
                int i = 0;
                for(;i < ret;++i)
				{
                    //判断是否为监听套接字,是的话 accept
                    int fd = ready_ev[i].data.fd; 
                    if((fd == listen_sock) && (ready_ev[i].events & EPOLLIN)){
                        accept_socket();
                    }
                    else{//普通IO
                        if(ready_ev[i].events & EPOLLIN){
                            handle_request(fd);
                        }else if(ready_ev[i].events & EPOLLOUT){
                            handle_response(fd);
                        }
                    }
                }
            }
                break;
        }
    }
    close(listen_sock);
    return 0;
}

makefile

TARGET=server
SRC = $(wildcard *.cpp *.c)
OBJ = $(patsubst %.cpp *.c,%.o,$(SRC))
DEFS =
CFLAGS = -g
CC =g++
LIBS =  -lpthread
$(TARGET):$(OBJ)
	$(CC) $(CFLAGS) $(DEFS) -o $@ $^ $(LIBS)
.PHONY:
clean:
	rm -rf *.o $(TARGET)
Build
make
Usage
ubuntu@VM-16-5-ubuntu:~/learnbase/IO复用/epoll$ ./server
listen port 8000

浏览器输入:http://服务器ip:8000/例如,http://49.234.35.128:8000/

请添加图片描述