epoll是Linux特有的I/O复用函数,它在实现和使用上与select和poll有很大差异。epoll使用一组函数来完成任务,而不是单个函数。epoll把用户关心的文件描述符上的事件放在内核的一个事件表中,无需像select和poll那样每次调用都要重复传入文件描述符集或事件集,但epoll需要一个额外的文件描述符,来唯一标示内核中的这个事件表,这个文件描述符使用epoll_create函数来创建。
epoll是一种高效的管理socket的模型,相对于select和poll来说具有更高的效率和易用性。epoll的性能不会随socket数量的增加而下降。
下面我们来说说epoll的使用:
epoll所使用的数据结构如下:
结构体epoll_event被用于注册感兴趣的事件和回传所发生待处理的事件,epoll_data联合体用来保存触发事件的某个文件描述符相关的数据。例如一个client连接到服务器,服务器通过调用accept函数可以得到这个client对应的socket文件描述符,可以把这个文件描述符赋给epoll_data的fd字段,以便以后的读写操作在这个文件描述符上进行。epoll_data_t是一个联合体,其中4个成员最多用的就是fd,它指定事件所从属的目标文件描述符,ptr成员可用来指定与fd相关的用户数据。但由于epoll_data_t是一个联合体,我们不能同时使用其ptr成员和fd成员,因此我们要将文件描述符和用户数据关联起来,以实现快熟的数据访问,只能使用其他手段,我们在下面的程序中自定义了个结构体,里面有我们所关心的fd和保存用户数据的buf。
events字段是表示感兴趣的事件,被触发的事件的可能取值为:
EPOLLIN:表示对应的文件描述符可以读;
EPOLLOUT:表示对应的文件描述符可以写;
EPOLLPRI:表示对应的文件描述符有紧急的数据可读;
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:表示将EPOLL设置为边缘触发模式;
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的话,需要再次把这个socket加入到EPOLL队列里。
所用到的函数有如下三个:
1.epoll_create函数:
原型:int epoll_create(int size)
该函数生成一个epoll专用的文件描述符,size参数指定生成描述符的最大范围。size参数现在并不起作用,使用红黑树来管理所有的文件描述符,该函数返回的文件描述符将用作其他所有的epoll系统调用的第一个参数,
2.epoll_ctl函数:
原型:int epoll_ctl(int epfd,int op,int fd,struct epoll_event *event)
该函数用于控制某个文件描述符上的事件,可以注册事件,修改事件,删除事件。
参数:epfd:由epoll_create生成的epoll专用的文件描述符
op:要进行的操作,可能的取值有:
EPOLL_CTL_ADD 注册
EPOLL_CTL_MOD 修改
EPOLL_CTL_DEL 删除
fd:关联的文件描述符
event:指向epoll_event的指针
调用成功返回0,失败返回-1;
3.epoll_wait函数:
原型:int epoll_wait(int epfd,struct epoll_event *events,int maxevents,int timeout)
该函数用于轮询I/O事件的发生,调用成功时返回就绪的文件描述符的个数,失败时返回-1,并设置errno。该函数如果检测到事件,就将所有就绪的事件从内核表中(由epfd参数指定)复制到它的第二个参数events指向的数组中,这个数组只用于输出epoll_wait检测到的就绪事件。
参数:
epfd:由epoll_create生成的epoll专用的文件描述符
events:用于回传待处理的数组
maxevent:每次能处理的事件数
timeout:与poll接口的timeout参数相同,是超时时间,0会立即返回,-1是永久阻塞。
如果该函数调用成功,返回对应I/O上已准备好的文件描述符数目,如果返回0表示已超时。
接下来我们来说说epoll的工作原理:
epoll同样只告诉那些已就绪的文件描述符,而且当我们调用epoll_wait获得就绪文件描述符时,返回的不是实际的描述符,而是一个代表就绪描述符数量的值,我们只需去epoll指定的数组中依次取得相应数量的文件描述符即可,这里使用内存映射技术,节省了系统调用时的开销。两一个本质的改进在与epoll采用基于事件的就绪通知方式,在select/poll中,进程只有在调用一定的方法后,内核才对所有监视的文件描述符进行扫描,而epoll事先通过epoll_ctl来注册一个文件描述符,一旦某个文件描述符就绪时,内核会采用回调机制,循序激活这个文件描述符,当进程调用epoll_wait时便得到通知。
LT模式和ET模式:
epoll对于文件描述符的操作有两种模式,LT(水平触发)和ET(边缘触发)。LT模式是默认的工作模式,这种模式下epoll相当于一个效率较高的poll。当往epoll内核事件表中注册一个文件描述符上的EPOLLET事件时,epoll将以ET模式来操作该文件描述符。ET模式是epoll的高效工作模式。
对于采用LT工作模式的文件描述符,当epoll_wait检测到其上有事件发生并将此事件通知应用程序后,应用程序可以不立即处理该事件。这样,当应用程序下一次调用epoll_wait时,epoll_wait还会再次向应用程序告知该事件,直到该事件被处理。而采用ET模式的文件描述符,当epoll_wait检测到其上有事件发生并将此事件通知应用程序后,应用程序必须立即处理该事件,因为后续的epoll_wait调用将不再向应用程序通知这一事件,。这样,ET模式在很大程度上降低了同一个epoll事件被重复触发的次数,因此效率比LT模式要高。
我们在下面的编程中还用到了一个fcntl函数,该函数原型如下:
int fcntl(int fd,int cmd,...)
该函数可以执行各种描述符控制操作,它提供的与网络编程相关的特性如下:
1.非阻塞式I/O。通过使用F_SETFL命令设置O_NONBLOCK文件状态标志,我们可以把一个套接字设置为非阻塞。
2.信号驱动式I/O。通过使用F_SETFL命令设置O_ASYNC文件状态标志,我们可以把一个套接字设置成一旦其状态发生变化,内核就产生一个SIGIO信号。
3.F_SETOWN命令允许我们指定用于接收SIGIO和SIGURG信号的套接字属主。其中SIGIO信号时套接字被设置为信号驱动式I/O型后产生的,SIGURG信号时在新的带外数据到达套接字时产生的。F_GETOWN返回套接字的当前属主。
接下来我们看看基于epoll的socket编程代码:(基于LT模式下的阻塞模式)
客户端给服务端发送消息。服务端回显给客户端:
server端:
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> #include <assert.h> #include <string.h> #include <arpa/inet.h> #include <netinet/in.h> #include <sys/epoll.h> #include <sys/types.h> #include <sys/socket.h> #include<errno.h> #include<fcntl.h> #define _BACKLOG_ 5 #define _BUF_SIZE_ 10240 #define _MAX_ 64 typedef struct _data_buf { int fd; char buf[_BUF_SIZE_]; }data_buf_t,*data_buf_p; static void usage(const char* proc) { printf("usage:%s[ip][port]\n",proc); } static int start(int port,char *ip) { assert(ip); int sock=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0); if(sock<0) { perror("socket"); exit(1); } struct sockaddr_in local; local.sin_port=htons(port); local.sin_family=AF_INET; local.sin_addr.s_addr=inet_addr(ip); int opt=1; //设置为接口复用 setsockopt(sock,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&opt,sizeof(opt)); if(bind(sock,(struct sockaddr*)&local,sizeof(local))<0) { perror("bind"); exit(2); } if(listen(sock,_BACKLOG_)<0) { perror("listen"); exit(3); } return sock; } static int epoll_server(int listen_sock) { int epoll_fd=epoll_create(256);//生成一个专用的epoll文件描述符 if(epoll_fd<0) { perror("epoll_create"); exit(1); } struct epoll_event ev;//用于注册事件 struct epoll_event ret_ev[_MAX_];//数组用于回传要处理的事件 int ret_num=_MAX_; int read_num=-1; ev.events=EPOLLIN; ev.data.fd=listen_sock; if(epoll_ctl(epoll_fd,EPOLL_CTL_ADD,listen_sock,&ev)<0)//用于控制某个文件描述符上的事件(注册,修改,删除) { perror("epoll_ctl"); return -2; } int done=0; int i=0; int timeout=5000; struct sockaddr_in client; socklen_t len=sizeof(client); while(!done) { switch(read_num=epoll_wait(epoll_fd,ret_ev,ret_num,timeout))//用于轮寻I/O事件的发生 { case0: printf("time out\n"); break; case -1: perror("epoll"); exit(2); default: { for(i=0;i<read_num;++i) { if(ret_ev[i].data.fd==listen_sock&&(ret_ev[i].events&EPOLLIN)) { int fd=ret_ev[i].data.fd; int new_sock=accept(fd,(struct sockaddr*)&client,&len); if(new_sock<0) { perror("accept"); continue; } ev.events=EPOLLIN; ev.data.fd=new_sock; epoll_ctl(epoll_fd,EPOLL_CTL_ADD,new_sock,&ev); printf("get a new client...\n"); } else //normal sock { if(ret_ev[i].events&EPOLLIN) { int fd=ret_ev[i].data.fd; data_buf_p mem=(data_buf_p)malloc(sizeof(data_buf_t)); if(!mem) perror("malloc"); continue; } mem->fd=fd; memset(mem->buf,'\0',sizeof(mem->buf)); ssize_t _s=read(mem->fd,mem->buf,sizeof(mem -> buf)-1); if(_s>0) { mem->buf[_s-1]='\0'; printf("client: %s\n",mem->buf); ev.events=EPOLLOUT; ev.data.ptr=mem; epoll_ctl(epoll_fd,EPOLL_CTL_MOD,fd,&ev); } else if(_s==0) { printf("client close...\n"); epoll_ctl(epoll_fd,EPOLL_CTL_DEL,fd,NULL); close(fd); free(mem); } else { continue; } } else if(ret_ev[i].events&EPOLLOUT) //写事件准备就绪 { data_buf_p mem=(data_buf_p)ret_ev[i].data.ptr; int fd=mem->fd; char *buf=mem->buf; write(fd,buf,strlen(buf)); ev.events=EPOLLIN; //写完,下次关心读事件 ev.data.fd=fd; epoll_ctl(epoll_fd,EPOLL_CTL_MOD,fd,&ev); } else{ //.... } } } } break; } } } int main(int argc,char* argv[]) { if(argc!=3) { usage(argv[0]); return 1; } int port=atoi(argv[2]); char *ip=argv[1]; int listen_sock=start(port,ip); epoll_server(listen_sock); close(listen_sock); return 0; }
client端:
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <assert.h> #include <poll.h> #include <string.h> #include <unistd.h> #include <netinet/in.h> #include <sys/types.h> #include <sys/socket.h> #include <arpa/inet.h> static void usage(const char* arg) { printf("usage:%s [ip][port]",arg); } int main(int argc,char *argv[]) { if(argc!=3) { usage(argv[0]); exit(1); } int port=atoi(argv[2]); char *ip=argv[1]; int sock=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0); if(sock<0) { perror("socket"); exit(2); } struct sockaddr_in remote; remote.sin_family=AF_INET; remote.sin_port=htons(port); remote.sin_addr.s_addr=inet_addr(ip); int ret=connect(sock,(struct sockaddr*)&remote,sizeof(remote)); char buf[1024]; while(1) { printf("please enter: "); fflush(stdout); ssize_t _s=read(0,buf,sizeof(buf)-1); buf[_s]='\0'; write(sock,buf,sizeof(buf)-1); memset(buf,'\0',sizeof(buf)); read(sock,buf,sizeof(buf)-1); printf("echo:%s\n",buf); } return 0; }
运行结果:
我们可以看到,客户端发给服务端的数据,被服务端收到后,回显给客户端。
接下来我们把程序改为ET模式非阻塞模式:
主要改的地方有:
1.因为ET模式只通知一次,所以我们在读取数据的时候必须一次读完,我们写的read_data函数就是实现这个功能的;
2.把所有的描述符都改为非阻塞模式,调用我们的set_no_block函数;
3.注册事件的时候,要与上EPOLLET;
具体如下:
server端:
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> #include <assert.h> #include <string.h> #include <arpa/inet.h> #include <netinet/in.h> #include <sys/epoll.h> #include <sys/types.h> #include <sys/socket.h> #include<errno.h> #include<fcntl.h> #define _BACKLOG_ 5 #define _BUF_SIZE_ 10240 #define _MAX_ 64 typedef struct _data_buf { int fd; char buf[_BUF_SIZE_]; }data_buf_t,*data_buf_p; static void usage(const char* proc) { printf("usage:%s[ip][port]\n",proc); } static int set_no_block(int fd) //用来设置非阻塞 { int old_fl=fcntl(fd,F_GETFL); if(old_fl<0) { perror("perror"); return -1; } if(fcntl(fd,F_SETFL,old_fl|O_NONBLOCK)) { perror("fcntl"); return -1; } return 0; } int read_data(int fd,char* buf,int size)//ET模式下读取数据,必须一次读完 { assert(buf); int index=0; ssize_t _s=-1; while((_s=read(fd,buf+index,size-index))<size) { if(errno==EAGAIN) { break; } index += _s; } return index; } static int start(int port,char *ip) { assert(ip); int sock=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0); if(sock<0) { perror("socket"); exit(1); } struct sockaddr_in local; local.sin_port=htons(port); local.sin_family=AF_INET; local.sin_addr.s_addr=inet_addr(ip); int opt=1; //设置为接口复用 setsockopt(sock,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&opt,sizeof(opt)); if(bind(sock,(struct sockaddr*)&local,sizeof(local))<0) { perror("bind"); exit(2); } if(listen(sock,_BACKLOG_)<0) { perror("listen"); exit(3); } return sock; } static int epoll_server(int listen_sock) { int epoll_fd=epoll_create(256);//生成一个专用的epoll文件描述符 if(epoll_fd<0) { perror("epoll_create"); exit(1); } set_no_block(listen_sock);//设置监听套接字为非阻塞 struct epoll_event ev;//用于注册事件 struct epoll_event ret_ev[_MAX_];//数组用于回传要处理的事件 int ret_num=_MAX_; int read_num=-1; ev.events=EPOLLIN|EPOLLET; ev.data.fd=listen_sock; if(epoll_ctl(epoll_fd,EPOLL_CTL_ADD,listen_sock,&ev)<0)//用于控制某个文件描述符上的事件(注册,修改,删除) { perror("epoll_ctl"); return -2; } int done=0; int i=0; int timeout=5000; struct sockaddr_in client; socklen_t len=sizeof(client); while(!done) { switch(read_num=epoll_wait(epoll_fd,ret_ev,ret_num,timeout))//用于轮寻I/O事件的发生 { case0: printf("time out\n"); break; case -1: perror("epoll"); exit(2); default: { for(i=0;i<read_num;++i) { if(ret_ev[i].data.fd==listen_sock&&(ret_ev[i].events&EPOLLIN)) { int fd=ret_ev[i].data.fd; int new_sock=accept(fd,(struct sockaddr*)&client,&len); if(new_sock<0) { perror("accept"); continue; } set_no_block(new_sock);//设置套接字为非阻塞 ev.events=EPOLLIN|EPOLLET; ev.data.fd=new_sock; epoll_ctl(epoll_fd,EPOLL_CTL_ADD,new_sock,&ev); printf("get a new client...\n"); } else //normal sock { if(ret_ev[i].events&EPOLLIN) { int fd=ret_ev[i].data.fd; data_buf_p mem=(data_buf_p)malloc(sizeof(data_buf_t)); if(!mem) { perror("malloc"); continue; } mem->fd=fd; memset(mem->buf,'\0',sizeof(mem->buf)); ssize_t _s=read_data(mem->fd,mem->buf,sizeof(mem -> buf)-1);//一次读完 if(_s>0) { mem->buf[_s-1]='\0'; printf("client: %s\n",mem->buf); ev.events=EPOLLOUT|EPOLLET; ev.data.ptr=mem; epoll_ctl(epoll_fd,EPOLL_CTL_MOD,fd,&ev); } else if(_s==0) { printf("client close...\n"); epoll_ctl(epoll_fd,EPOLL_CTL_DEL,fd,NULL); close(fd); free(mem); } else { continue; } } else if(ret_ev[i].events&EPOLLOUT) //写事件准备就绪 { data_buf_p mem=(data_buf_p)ret_ev[i].data.ptr; char* msg="http/1.0 200 ok\r\n\r\nhello bit\r\n"; int fd=mem->fd; write(fd,msg,strlen(msg)); close(fd); epoll_ctl(epoll_fd,EPOLL_CTL_DEL,fd,&ev); //写完服务端直接退出 free(mem); } else{ //.... } } } } break; } } } int main(int argc,char* argv[]) { if(argc!=3) { usage(argv[0]); return 1; } int port=atoi(argv[2]); char *ip=argv[1]; int listen_sock=start(port,ip); epoll_server(listen_sock); close(listen_sock); return 0; }
我们在浏览器上访问我们的服务器程序,当服务器发送给浏览器数据后,服务端关闭连接关闭连接结果如下:
至此,完。
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