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I/O复用--浅谈epoll

news 来源：原创 2024/5/18 20:03:42

我们聊了聊select和poll知道：

它们都是采取轮询的方式查找是否有就绪描述符。
都有数据结构从用户态拷贝到内核态，内核态拷贝到用户态这个过程。

为了针对许多大量连接，高并发的的场景下大量的资源消耗，效率低的问题，这一节就浅浅来聊一下epoll，epoll是之前的select和poll的增强版本，是linux操作系统独有的I/O复用技术。

对于epoll来说他更灵活，解决了select和poll的弊端，使用起来也更加方便顺手，他不像select和poll那样只提供了一个方法，epoll提供了一组方法。

本节呢就是聊聊epoll的使用和一些优点，对于epoll的两种触犯机制ET和LT的探讨会放在下一节去聊聊，注意select和poll只是LT。

好了~言归正传

epoll的工作原理：

epoll的API：

epoll的特点：

用epoll实现tcp服务器的并发

epoll的工作原理：

1. 内核中保存一份文件描述符集合，无需用户每次都重新传入，只需告诉内核修改的部分即可。
2. 内核不再通过轮询的方式找到就绪的文件描述符，而是通过异步 IO 事件唤醒。
3. 内核仅会将有 IO 事件的文件描述符返回给用户，用户也无需遍历整个文件描述符集合。

用大白话去理解就是，比如你是老师，你给同学们布置了作业，你在班里要检查作业的时候不是你一个个去问，“啊，你写完了没有啊？”，而是你坐在讲台上，谁写完了，谁把作业拿上来给你，比方说有三个人写完了，这三个人就把作业交给你，你就会知道“哦，有三个人写完了”，至于剩下没交给你的那就是没写完的，你也不需要去问~

大概就是这样了，关键就是不用你去一个个问，而是谁完了，谁通知你

前面说了epoll提供了一组api，方便我们去使用，下来我们看看~

epoll的API：

epoll的核心是3个API，核心数据结构是：1个红黑树和1个链表组成。

【1. 创建内核事件表：】

函数原型为：

#include <sys/epoll.h>
int epoll_create(int size)
          //成功返回内核事件表的标识符，失败返回-1

功能：该函数创建内核事件表用于存放描述符和关注的事件。调用这个函数的时候，在内核cache里建立了红黑树struct rb_root用于存储以后epoll_ctl传来的socket，也就是内核事件表；还建立了一个双向链表struct list_headrdllidt用于存储就绪事件。当epoll_wait调用时，仅仅观察这个双向链表里有没有数据即可，有数据表示有就绪事件，直接返回。
size参数：表示创建的事件表需要多大，记住最后要close关闭，如果不关闭，那么就会导致fd被耗尽

注意：

size参数告诉内核这个epoll对象会处理的事件⼤致数量，⽽不是能够处理的事件的最⼤数(同时，size不要传0，会报invalid argument错误)。
在现在linux版本中，这个size参数已经没有意义了；
返回： epoll对象句柄；之后针对该epoll的操作需要通过该句柄来标识该epoll对象；

【2. 管理内核事件表：】

可以对要监听的事件进行操作：注册，删除，修改；

返回： 0表示成功， -1表示错误，根据errno错误码判断错误类型。

原型如下：

#include <sys/epoll.h>
int epoll_ctl(int epfd,int op,int fd,struct epoll_event *event)；
                 //成功返回0，失败返回-1.

参数：

epfd：内核事件表的标识符。
op：标识操作，有：添加，删除，修改。不用自己写了，根据第二个op参数来选择：

EPOLL_CTL_ADD //注册新的文件描述符到内核事件表epfd中
EPOLL_CTL_DEL //从内核事件表中删除文件描述符
EPOLL_CTL_MOD //修改文件描述符

fd：要操作的文件描述符。
events：保存事件类型，用户填充，告诉内核要对哪种事件进行操作。所以需要先定义event结构体，然后再进行操作，表示对何种事件类型进行何种操作

struct epoll_event
{
   short events;//事件类型：在每一个poll的事件类型标识前加个‘E’
   Union epoll_data_t data（联合体，用到其中的fd成员即文件描述符，其他的不用）
}
typedef union epoll_data {
    void *ptr; /* 指向用户自定义数据 */
    int fd; /* 注册的文件描述符 */
    uint32_t u32; /* 32-bit integer */
    uint64_t u64; /* 64-bit integer */
} epoll_data_t;

event.events 取值：

EPOLLIN 表示该连接上有数据可读（tcp连接远端主动关闭连接，也是可读事件，因为需要处理发送来的FIN包； FIN包就是read 返回 0）
EPOLLOUT 表示该连接上可写发送（主动向上游服务器发起⾮阻塞tcp连接，连接建⽴成功事件相当于可写事件）
EPOLLRDHUP 表示tcp连接的远端关闭或半关闭连接
EPOLLPRI 表示连接上有紧急数据需要读
EPOLLERR 表示连接发⽣错误
EPOLLHUP 表示连接被挂起
EPOLLET 将触发⽅式设置为边缘触发，系统默认为⽔平触发
EPOLLONESHOT 表示该事件只处理⼀次，下次需要处理时需重新加⼊epoll

假如现在我们将监听文件描述符添加到内核事件表中：

struct epoll_event event;
event.events=EPOLLIN;//监听读事件
event.data.fd=listenfd;//被监听的文件描述符
int res=epoll_ctl(epfd，EPOLL_CTL_ADD,listenfd,&event);//将event结构体中存储的事件类型添加到内核事件表中。

【3. 开始监听内核事件表的事件】

int epoll_wait(int epfd,struct epoll_event events[],int maxevents,int timeout)
              // 成功返回就绪个数，失败-1，超时0

参数：

epfd：内核事件表；
events[]：events的数据是 由内核在epoll_wait返回时填充的，有事件就绪的文件描述符和就绪的事件类型；
maxevents：数组的长度，表示一次epoll_wait最多返回多少个就绪的文件描述符。
timeout：监听时间。

收集 epoll 监控的事件中已经发⽣的事件，如果 epoll 中没有任何⼀个事件发⽣，则最多等待timeout 毫秒后返回。
返回：表示当前发⽣的事件个数
返回0表示本次没有事件发⽣；
返回-1表示出现错误，需要检查errno错误码判断错误类型。

epoll的特点：

【1. 速度快：】

select中为fd_set，poll 为 struct pollfd fds[]，它们都是用户创建的，用户态存在，每调用一次select或者poll，都会存在两次用户态->内核，内核->用户的数据拷贝，一次是在调用时，一次是在返回时。这样数据结构越大，则越慢。
epoll直接就在内核中记录，将其都记录在内核事件表上，在监听时不需要进行拷贝，所以速度比他俩快.

【 2. 查找时间复杂度低：】

select,poll返回就绪事件的个数，但不知道在哪，所以要轮询找，每次用户检索就绪事件的时间复杂度为O(N)。
epoll直接返回就绪事件链表，链表中有值就有就绪事件，所以每次都是就绪的不用找，每次用户检索就绪事件的时间复杂度为O(1)。

【3. 采取回调函数方式处理就绪事件】

select，poll采用轮询方式检测是否有事件发生，循环检测是否有事件就绪，直到找不到。适合关注的文件描述每次都有很大的机率就绪，1000个有900多个就绪，那么就很适合，但是1000个只有一个事件发生，还是要进行轮询1000多次，函数栈帧空间频繁，影响效果；
epoll的内核采用的是回调的方式检测文件描述符是否有事件发生。假设1000个，把文件描述符添加到事件表上，文件描述符在红黑树上挂载，除了值，事件类型，还带有一个回调函数，如果文件描述符有事件发生，它就调用回调函数，回调函数的作用是有事件就绪时就把文件描述符添加到双向链表中，返回时把链表的值拷贝到用户态。1000个一个事件发生只会触发一次回调，不用多次循环。适合很多文件描述符，就绪事件描述符少。

用epoll实现tcp服务器的并发

因为epoll封装了很多函数，所以操作起来比起selet和poll代码简洁了很多

服务器代码如下：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<assert.h>
//网络头文件
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<netinet/in.h>
#include<sys/epoll.h>
#define MAX 10//定义最大连接数为10个

int InitSocket()
{
    int sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    if(sockfd == -1) return -1;
    struct sockaddr_in ser;//指明地址信息，是一种通用的套接字地址
    memset(&ser,0,sizeof(ser));
    ser.sin_family = AF_INET;//设置地址家族
    ser.sin_port = htons(6000);//设置端口
    ser.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");//设置地址
    int res = bind(sockfd,(struct sockaddr*)&ser,sizeof(ser));//绑定端口号和地址
    if(res == -1)   return -1;
    res = listen(sockfd,5);
    if(res == -1) return -1;
    return sockfd;
}
void epoll_add(int epfd,int fd)
{
    struct epoll_event ev;
    ev.events=EPOLLIN;//读
    ev.data.fd=fd;
    if(epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,fd,&ev)==-1)
    {
        printf("epoll add failed\n");
    }
}
void epoll_del(int epfd,int fd)
{
    if(epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_DEL,fd,NULL)==-1)
    {
        printf("epoll del failed\n");
    }

}
void accept_client(int epfd,int sockfd)
{
    struct sockaddr_in caddr;
    int len=sizeof(caddr);
    int c=accept(sockfd,(struct sockaddr*)&caddr,&len);
    if(c<0)
    {
        return ;
    }
    printf("accpet c=%d ip=%s\n",c,inet_ntoa(caddr.sin_addr));
    epoll_add(epfd,c);
}
void recv_data(int epfd,int c)
{
    char buff[128]={0};
    int num=recv(c,buff,127,0);
    if(num<=0)//如果num==0说明客户端结束了描述符号
    {
        epoll_del(epfd,c);//移除改客户端对应的描述符
        close(c);
        printf("client close\n");
        
        return ;
    }
    printf("buff (%d)=%s\n",c,buff);
    send(c,"ok",2,0);

}

 int main()
{
    int sockfd = InitSocket();//监听套接字，有客户端链接时就会触发读事件。
    assert(sockfd != -1);
    //创建内核事件表
    int epfd=epoll_create(MAX);//底层，红黑树
    if(epfd==-1)
    {
        exit(1);
    }
    epoll_add(epfd,sockfd);//将监听套接子添加到内核事件表
    struct epoll_event evs[MAX];//用来接收就绪的文件描述符
    while(1)
    {
        int n=epoll_wait(epfd,evs,MAX,5000);
        if(n==-1)
        {
            printf("err\n");
        }
        else if(n==0)
        {
            printf("time out\n");
        }
        else
        {//前n个元素是数据就绪的
            for(int i=0;i<n;++i)
            {
                int fd=evs[i].data.fd;
                if(evs[i].events&EPOLLIN)//看读事件是不是就绪
                {
                    if(fd==sockfd)
                    {
                        accept_client(epfd,sockfd);
                    }
                    else
                    {
                        recv_data(epfd,fd);

                    }

                }
                //if(evs[i].events&EPOLLOUT)
            }

        }
    }
    close(sockfd);
}

客户端的代码都是一样的，这里我就不粘了