IO多路转接技术 | poll/epoll详解
1. poll详解
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函数原型
int poll(struct pollfd *fd, nfds_t nfds, int timeout);-
函数参数
-
fd：数组的地址，struct pollfd all[120]; 其中struct pollfd结构体如下
struct pollfd {
int fd; /* 文件描述符 */
short events; /* 等待的事件 */
short revents; /* 实际发生的事件 */
};结构体红各项含义如下：
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文件描述符fd：表示要坚持测的fd，通过 open("a.txt", O_wronly | O_append); 获得。
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events：要等待的事件
-
revents：实际发生的事件，它是内核给的反馈，在select的时候，会有一个备份来供内核修改并传出。
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nfds：数组的最大长度, 数组中最后一个使用的元素下标+1
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内核会轮询检测fd数组的每个文件描述符
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timeout:
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1：永久阻塞
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0：调用完成立即返回
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\>0：等待的时长毫秒
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函数返回值：IO发生变化的文件描述符的个数。
2. epoll详解
（1）API介绍
int epoll_create(int size);-
函数功能：生成一个epoll专用的文件描述符，实际上就是生成一个epoll树的根结点。
-
函数参数：size，epoll树上能挂的最大文件描述符数量。表示我想在这个树节点上挂size个节点，假如实际上的节点大于size的话epoll会自动扩展，所以这个大小可以随便传，不用太在意。但是这个扩展也是有上限的，如果电脑内存是1G，那么扩展的上限是10万（2G就是20万。。。通过加内存可以扩大上限）。
-
函数返回值：函数返回值是树的根节点，在后面用到epft参数的时候，都是指这个返回值，也就是树的根节点。
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);-
函数功能：用于控制某个epoll文件描述符事件，可以注册、修改、删除。
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函数参数：
-
epfd：epoll_create()函数生成的专用文件描述符。
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op：
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EPOLL_CTL_ADD —— 注册
-
EPOLL_CTL_MOD —— 修改
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EPOLL_CTL_DEL —— 删除
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fd：关联的文件描述符
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event：告诉内核要监听什么事件
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EPOLLIN —— 读
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EPOLLOUT —— 写
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EPOLLERR —— 异常
struct epoll_event { /* 该结构体主要存放和fd有关的信息 */
uint32_t events;
epoll_data_t data;
};
typedef union epoll_data {
void *ptr;
int fd;
uint32_t u32;
uint64_t u64;
} epoll_data_t;epoll_data_t是一个联合体union，四个成员共用同一块内存，也就是说四个成员我们只能用一个，一般情况下我们用fd，这个fd实际上就是epoll_ctl()函数的第三个参数fd。
如果我们想在epoll树上挂载更多信息，而不仅仅是fd文件描述符的话，我们可以把更多信息封装在结构体中，并把该结构体传给epoll_data_t结构体的ptr指针，这样就可以在epoll树上挂载和fd有关的更多信息。
struct sockInfo
{
int fd;
struct sockaddr_in addr;
};比如说，要获取发生变化的fd对应的client的IP和port，就可以利用指针ptr，这样的话联合epoll_data_t中的fd就不能用了，我们把文件描述符传给sockInfo的fd即可完成fd信息的挂载。
int epoll_wait(
int epfd,
struct epoll_event* events, /* 结构体数组 */
int maxevents,
int timeout
);-
函数功能：等待IO事件发生（可以设置阻塞），epoll_wait()函数相当于前面讲的select()或poll()函数，表示委托内核去进行检测。epoll_event通过返回值和传出参数events来实现把哪几个fd发生变化告诉server进程的目的。首先，每当有fd变化，就把这个fd对应的树节点拷贝到events数组中，最后，有几个fd变化，就返回几。这样只要根据返回值和参数events就可以遍历出所有变化的fd以及相关信息。
-
函数参数：
-
epfd：要检测的句柄
-
events：用于回传待处理事件的数组。它是一个传出参数，需要提前分配内存，哪个fd发生变化了，就把哪个fd的树节点(struct epoll_event)拷贝一份放到这个数组中。这样epoll就能返回是哪个fd发生了变化。
-
maxevents：告诉内核events的大小，因为内核要把发生变化的fd对应的树节点拷贝到数组中，所以要知道数组大小。
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timeout：为超时时间
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1：永久阻塞
-
0：立即返回
-
>0
-
函数返回值：有多少个fd发生了变化就返回几（变化的fd信息存在events数组中）。
（2）epoll树
（3）epoll模型
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <ctype.h>
#include <sys/epoll.h>
int main(int argc, const char* argv[])
{
if(argc < 2)
{
printf("eg: ./a.out port\n");
exit(1);
}
struct sockaddr_in serv_addr;
socklen_t serv_len = sizeof(serv_addr);
int port = atoi(argv[1]); //字符串转整形值
// 创建套接字
int lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
// 初始化服务器 sockaddr_in
memset(&serv_addr, 0, serv_len);
serv_addr.sin_family = AF_INET; // 地址族
serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 监听本机所有的IP
serv_addr.sin_port = htons(port); // 设置端口
// 绑定IP和端口
bind(lfd, (struct sockaddr*)&serv_addr, serv_len);
// 设置同时监听的最大个数
listen(lfd, 36);
printf("Start accept ......\n");
struct sockaddr_in client_addr;
socklen_t cli_len = sizeof(client_addr);
// 创建epoll树根节点
int epfd = epoll_create(2000);
// 初始化epoll树
struct epoll_event ev;
ev.events = EPOLLIN;
ev.data.fd = lfd;
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, lfd, &ev);
//存放发生变化的fd对应的树节点
struct epoll_event all[2000];
while(1)
{
// 使用epoll通知内核fd 文件IO检测
int ret = epoll_wait(epfd, all, sizeof(all)/sizeof(all[0]), -1);
// 遍历all数组中的前ret个元素 //ret表示有几个变化的fd，变化的fd都存在all数组中
for(int i=0; i<ret; ++i)
{
int fd = all[i].data.fd;
// 判断是否有新连接
if(fd == lfd)
{
// 接受连接请求 // accept不阻塞，因为已经有连接
int cfd = accept(lfd, (struct sockaddr*)&client_addr, &cli_len);
if(cfd == -1)
{
perror("accept error");
exit(1);
}
// 将新得到的cfd挂到树上
struct epoll_event temp;
temp.events = EPOLLIN; //检测cfd对应的读缓冲区，是否有数据传入
temp.data.fd = cfd;
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, cfd, &temp);
// 打印客户端信息
char ip[64] = {0};
printf("New Client IP: %s, Port: %d\n",
inet_ntop(AF_INET, &client_addr.sin_addr.s_addr, ip, sizeof(ip)),
ntohs(client_addr.sin_port));
}
else
{
// 处理已经连接的客户端发送过来的数据
if(!all[i].events & EPOLLIN) //只处理读事件
{
continue;
}
/*
假如说client发送过了100个数据，也就是serve的read缓冲区有100个数据，
但是调用recv函数的时候只能读50个数据，而本次循环只调用了一次recv，
那么只能下次循环再读剩余的50个数据，所以下次循环检测的时候，
epoll_wait还是会返回，因为缓冲区还是剩余数据。这就是水平触发模式。
这样的话虽然client只发了1次，但是epoll_wait会通知两次server去读数据。
*/
// 读数据
char buf[1024] = {0};
int len = recv(fd, buf, sizeof(buf), 0);
if(len == -1)
{
perror("recv error");
exit(1);
}
else if(len == 0)
{
printf("client disconnected ....\n");
//close(fd);
// fd从epoll树上删除
ret = epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, fd, NULL);
// 挂树的时候需要ev,把ev挂在树上删除写NULL就行了
if(ret == -1)
{
perror("epoll_ctl del error");
exit(1);
}
close(fd);
}
else
{
printf(" recv buf: %s\n", buf);
write(fd, buf, len);
}
}
}
}
close(lfd);
return 0;
}epoll维护的红黑树是存在一个共享内存中，内核和用户都可以通过操作这个共享内存来操作树，不需要内核态和用户态的切换，也不需要两种状态之间的数据拷贝，所以效率更高。
（4）epoll的三种工作模式
-
水平触发模式 - （根据读来解释）
-
只要fd对应的缓冲区有数据，epoll_wait就会返回
-
返回的次数与发送数据的次数没有关系
-
epoll默认的工作模式
-
边沿触发模式 - ET
-
fd - 默认阻塞属性
-
客户端给server发数据:
-
发一次数据server 的 epoll_wait就返回一次
-
不在乎数据是否读完
-
如果读不完，如何把数据全部读出来?
-
while(recv());
-
数据读完之后recv会阻塞
-
解决阻塞问题 —— 设置非阻塞fd
对于epoll_wait()来说，epoll_wait 调用次数越多, 系统的开销越大。
水平触发模式会多次返回，只要server的read缓冲区有数据，epoll_wait就返回，也就会通知server去读数据，那么在循环检测的时候，只要server的read缓冲区有数据，epoll_wait就会多次调用，多次返回，并通知server去读数据；假如说client发送过了100个数据，也就是serve的read缓冲区有100个数据，但是调用recv函数的时候只能读50个数据，而本次循环只调用了一次recv，那么只能下次循环再读剩余的50个数据，所以下次循环检测的时候，epoll_wait还是会返回，因为缓冲区还是剩余数据。这就是水平触发模式。这样的话虽然client只发了1次，但是epoll_wait会通知两次server去读数据。—— （printf函数是标准C库函数，C库函数都有一个默认缓冲区，printf的大小是8K。printf函数是行缓冲，使用printf函数的时候，如果不加 \n 会默认等到写满的时候才打印内容，加 \n 会强制把缓冲区的内容打印出来。另外 \0 表示结束，不加 \0 就会一直输出直到遇到 \0，用write(STDOUT_FILENO)替代printf函数就可以解决这些问题。）
边沿触发模式，client发一次数据epoll_wait只返回一次，也就只读一次，这样的话server的read缓冲区可能会有很多数据堆积，server读数据的时候可能读到的是上一次剩余的数据，并且只有client发的时候，epoll_wait才会通知server去读数据，边沿触发模式尽可能减少了epoll_wait的调用次数，缺点是数据有可能读不完导致堆积；
-
边沿非阻塞触发
-
效率最高
-
如何设置非阻塞
-
open()
-
设置flags
-
必须 O_WDRW | O_NONBLOCK
-
终端文件: /dev/tty
-
fcntl
-
int flag = fcntl(fd, F_GETFL);
-
flag |= O_NONBLOCK;
-
fcntl(fd, F_SETFL, flag);
-
如何将缓冲区的全部数据都读出？
while(recv() > 0)
{
printf();
}-
当缓冲区数据读完之后, 返回值是否为0?
-
阻塞状态
-
数据读完之后，recv阻塞
-
非阻塞状态
-
强行读了一个没有数据的缓冲区(fd)，数据已经被读完了，因为是非阻塞，所以在while循环中recv还要继续读，导致返回-1
-
判断 errno == EAGAIN
示例
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <ctype.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
int main(int argc, const char* argv[])
{
if(argc < 2)
{
printf("eg: ./a.out port\n");
exit(1);
}
struct sockaddr_in serv_addr;
socklen_t serv_len = sizeof(serv_addr);
int port = atoi(argv[1]);
// 创建套接字
int lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
// 初始化服务器 sockaddr_in
memset(&serv_addr, 0, serv_len);
serv_addr.sin_family = AF_INET; // 地址族
serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 监听本机所有的IP
serv_addr.sin_port = htons(port); // 设置端口
// 绑定IP和端口
bind(lfd, (struct sockaddr*)&serv_addr, serv_len);
// 设置同时监听的最大个数
listen(lfd, 36);
printf("Start accept ......\n");
struct sockaddr_in client_addr;
socklen_t cli_len = sizeof(client_addr);
// 创建epoll树根节点
int epfd = epoll_create(2000);
// 初始化epoll树
struct epoll_event ev;
// 设置边沿触发
ev.events = EPOLLIN; //监听的文件描述符没必要边沿触发，主要是通信的cfd
ev.data.fd = lfd;
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, lfd, &ev);
struct epoll_event all[2000];
while(1)
{
// 使用epoll通知内核fd 文件IO检测
int ret = epoll_wait(epfd, all, sizeof(all)/sizeof(all[0]), -1);
printf("================== epoll_wait =============\n");
// 遍历all数组中的前ret个元素
for(int i=0; i<ret; ++i)
{
int fd = all[i].data.fd;
// 判断是否有新连接
if(fd == lfd)
{
// 接受连接请求
int cfd = accept(lfd, (struct sockaddr*)&client_addr, &cli_len);
if(cfd == -1)
{
perror("accept error");
exit(1);
}
// 设置文件cfd为非阻塞模式
int flag = fcntl(cfd, F_GETFL);
flag |= O_NONBLOCK;
fcntl(cfd, F_SETFL, flag);
// 将新得到的cfd挂到树上
struct epoll_event temp;
// 设置边沿触发
temp.events = EPOLLIN | EPOLLET;
temp.data.fd = cfd;
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, cfd, &temp);
// 打印客户端信息
char ip[64] = {0};
printf("New Client IP: %s, Port: %d\n",
inet_ntop(AF_INET, &client_addr.sin_addr.s_addr, ip, sizeof(ip)),
ntohs(client_addr.sin_port));
}
else
{
// 处理已经连接的客户端发送过来的数据
if(!all[i].events & EPOLLIN)
{
continue;
}
// 读数据
char buf[5] = {0};
int len;
// 循环读数据
while( (len = recv(fd, buf, sizeof(buf), 0)) > 0 )
{
// 数据打印到终端
//不要用printf，因为printf如果找不到 \0 \n 字符会出现乱码，打印不出来等问题
write(STDOUT_FILENO, buf, len);
// 发送给客户端
send(fd, buf, len, 0);
}
if(len == 0)
{
printf("客户端断开了连接\n");
ret = epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, fd, NULL);
if(ret == -1)
{
perror("epoll_ctl - del error");
exit(1);
}
close(fd);
}
else if(len == -1)
{
//数据已经被读完了，因为是非阻塞，所以在while循环中recv还要继续读，导致返回-1
if(errno == EAGAIN)
{
printf("缓冲区数据已经读完\n");
}
else
{
//这才是真正的recv错误
printf("recv error----\n");
exit(1);
}
}
#if 0
if(len == -1)
{
perror("recv error");
exit(1);
}
else if(len == 0)
{
printf("client disconnected ....\n");
// fd从epoll树上删除
ret = epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, fd, NULL);
if(ret == -1)
{
perror("epoll_ctl - del error");
exit(1);
}
close(fd);
}
else
{
// printf(" recv buf: %s\n", buf);
write(STDOUT_FILENO, buf, len);
write(fd, buf, len);
}
#endif
}
}
}
close(lfd);
return 0;
}5）文件描述符1024限制
对于select来说，无法突破文件描述符1024上限，因为select是通过数组实现的。poll和epoll可以突破1024限制，poll是内部链表实现，而epoll是红黑树实现。
查看受计算机硬件限制的文件描述符上限可以通过下面命令
cat /proc/sys/fs/file-max同样，我们也可以通过修改配置文件来修改这个上限，但是，我们在程序中设置的时候不能超过硬件限制的上限
vim /etc/security/limits.conf- soft nofile 8000 —— 也可以通过命令ulimit -n 2000来修改为2000
- hard nofile 8000 —— 硬件资源限制
修改后重启系统即可起效。
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