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Linux下I/O多路转接之epoll(绝对经典)

epoll

关于Linux下I/O多路转接之epoll函数,什么返回值,什么参数,我不想再多的解释,您不想移驾,我给你移来:

http://blog.csdn.net/colder2008/article/details/5812487      返回值,参数说明等;

最后将一个用epoll设计的网络服务器贴上代码,以供借阅:

下面我们从流开始说起,再到select-->poll-->epoll:(原文来自:http://www.tuicool.com/articles/6NrMJn),文中这样说:

一个流可以是文件,socket,pipe等等可以进行I/O操作的内核对象。

不管是文件,还是套接字,还是管道,我们都可以把他们看作流。

  之后我们来讨论I/O的操作,通过read,我们可以从流中读入数据;通过write,我们可以往流写入数据。现在假定一个情形,我们需要从流中读数据,但是流中还没有数据,(典型的例子为,客户端要从socket读如数据,但是服务器还没有把数据传回来),这时候该怎么办?

  阻塞:阻塞是个什么概念呢?比如某个时候你在等快递,但是你不知道快递什么时候过来,而且你没有别的事可以干(或者说接下来的事要等快递来了才能做);那么你可以去睡觉了,因为你知道快递把货送来时一定会给你打个电话(假定一定能叫醒你)。

  非阻塞忙轮询:接着上面等快递的例子,如果用忙轮询的方法,那么你需要知道快递员的手机号,然后每分钟给他挂个电话:“你到了没?”

很明显一般人不会用第二种做法,不仅显很无脑,浪费话费不说,还占用了快递员大量的时间。

大部分程序也不会用第二种做法,因为第一种方法经济而简单,经济是指消耗很少的CPU时间,如果线程睡眠了,就掉出了系统的调度队列,暂时不会去瓜分CPU宝贵的时间片了。

为了了解阻塞是如何进行的,我们来讨论缓冲区,以及内核缓冲区,最终把I/O事件解释清楚。缓冲区的引入是为了减少频繁I/O操作而引起频繁的系统调用(你知道它很慢的),当你操作一个流时,更多的是以缓冲区为单位进行操作,这是相对于用户空间而言。对于内核来说,也需要缓冲区。

假设有一个管道,进程A为管道的写入方,B为管道的读出方。

假设一开始内核缓冲区是空的,B作为读出方,被阻塞着。然后首先A往管道写入,这时候内核缓冲区由空的状态变到非空状态,内核就会产生一个事件告诉B该醒来了,这个事件姑且称之为“缓冲区非空”。

但是“缓冲区非空”事件通知B后,B却还没有读出数据;且内核许诺了不能把写入管道中的数据丢掉这个时候,A写入的数据会滞留在内核缓冲区中,如果内核也缓冲区满了,B仍未开始读数据,最终内核缓冲区会被填满,这个时候会产生一个I/O事件,告诉进程A,你该等等(阻塞)了,我们把这个事件定义为“缓冲区满”。

假设后来B终于开始读数据了,于是内核的缓冲区空了出来,这时候内核会告诉A,内核缓冲区有空位了,你可以从长眠中醒来了,继续写数据了,我们把这个事件叫做“缓冲区非满”

也许事件Y1已经通知了A,但是A也没有数据写入了,而B继续读出数据,知道内核缓冲区空了。这个时候内核就告诉B,你需要阻塞了!,我们把这个时间定为“缓冲区空”。

这四个情形涵盖了四个I/O事件,缓冲区满,缓冲区空,缓冲区非空,缓冲区非满(注都是说的内核缓冲区,且这四个术语都是我生造的,仅为解释其原理而造)。这四个I/O事件是进行阻塞同步的根本。(如果不能理解“同步”是什么概念,请学习操作系统的锁,信号量,条件变量等任务同步方面的相关知识)。

然后我们来说说阻塞I/O的缺点。但是阻塞I/O模式下,一个线程只能处理一个流的I/O事件。如果想要同时处理多个流,要么多进程(fork),要么多线程(pthread_create),很不幸这两种方法效率都不高。

于是再来考虑非阻塞忙轮询的I/O方式,我们发现我们可以同时处理多个流了(把一个流从阻塞模式切换到非阻塞模式再此不予讨论):

while true {
    for i in stream[]; {
        if i has data
        read until unavailable
    }
}

 我们只要不停的把所有流从头到尾问一遍,又从头开始。这样就可以处理多个流了,但这样的做法显然不好,因为如果所有的流都没有数据,那么只会白白浪费CPU。这里要补充一点,阻塞模式下,内核对于I/O事件的处理是阻塞或者唤醒,而非阻塞模式下则把I/O事件交给其他对象(后文介绍的select以及epoll)处理甚至直接忽略。

为了避免CPU空转,可以引进了一个代理(一开始有一位叫做select的代理,后来又有一位叫做poll的代理,不过两者的本质是一样的)。这个代理比较厉害,可以同时观察许多流的I/O事件,在空闲的时候,会把当前线程阻塞掉,当有一个或多个流有I/O事件时,就从阻塞态中醒来,于是我们的程序就会轮询一遍所有的流(于是我们可以把“忙”字去掉了)。代码长这样:

while true {
    select(streams[])
    for i in streams[] {
        if i has data
        read until unavailable
    }
}

于是,如果没有I/O事件产生,我们的程序就会阻塞在select处。但是依然有个问题,我们从select那里仅仅知道了,有I/O事件发生了,但却并不知道是那几个流(可能有一个,多个,甚至全部),我们只能无差别轮询所有流,找出能读出数据,或者写入数据的流,对他们进行操作。

但是使用select,我们有O(n)的无差别轮询复杂度,同时处理的流越多,没一次无差别轮询时间就越长。再次

说了这么多,终于能好好解释epoll了

epoll可以理解为event poll,不同于忙轮询和无差别轮询,epoll之会把哪个流发生了怎样的I/O事件通知我们。此时我们对这些流的操作都是有意义的。(复杂度降低到了O(1))

在讨论epoll的实现细节之前,先把epoll的相关操作列出:

epoll_create 创建一个epoll对象,一般epollfd = epoll_create()

epoll_ctl (epoll_add/epoll_del的合体),往epoll对象中增加/删除某一个流的某一个事件
比如
epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, socket, EPOLLIN);//注册缓冲区非空事件,即有数据流入
epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_DEL, socket, EPOLLOUT);//注册缓冲区非满事件,即流可以被写入
epoll_wait(epollfd,...)等待直到注册的事件发生
(注:当对一个非阻塞流的读写发生缓冲区满或缓冲区空,write/read会返回-1,并设置errno=EAGAIN。而epoll只关心缓冲区非满和缓冲区非空事件)。

一个epoll模式的代码大概的样子是:

while true {
    active_stream[] = epoll_wait(epollfd)
    for i in active_stream[] {
        read or write till
    }
 }
以上不会有太多的实例,基本就是原理,并且略带的说了select、poll和epoll的比较,得出为什么要用epoll:下面是服务器代码:

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


void usage(const char* argv)
{ 
  printf("%s:[ip][port]\n",argv);
}

void set_nonblock(int fd)
{
    int fl = fcntl(fd,F_GETFL);
    fcntl(fd,F_SETFL,fl | O_NONBLOCK);
}

int startup(char* _ip,int _port)  //创建一个套接字,绑定,检测服务器
{
  //sock
  //1.创建套接字
  int sock=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);   
  if(sock<0)
  {
      perror("sock");
      exit(2);
  }
  
  int opt = 1;
  setsockopt(sock,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&opt,sizeof(opt));

  //2.填充本地 sockaddr_in 结构体(设置本地的IP地址和端口)
  struct sockaddr_in local;       
  local.sin_port=htons(_port);
  local.sin_family=AF_INET;
  local.sin_addr.s_addr=inet_addr(_ip);

  //3.bind()绑定
  if(bind(sock,(struct sockaddr*)&local,sizeof(local))<0) 
  {
      perror("bind");
      exit(3);
  }
  //4.listen()监听 检测服务器
  if(listen(sock,5)<0)
  {
      perror("listen");
      exit(4);
  }
  return sock;    //这样的套接字返回
}

int main(int argc,char *argv[])                         
{
    if(argc!=3)     //检测参数个数是否正确
    {
        usage(argv[0]);
        exit(1);
    }

    int listen_sock=startup(argv[1],atoi(argv[2]));      //创建一个绑定了本地 ip 和端口号的套接字描述符


    //1.创建epoll    
    int epfd = epoll_create(256);    //可处理的最大句柄数256个
    if(epfd < 0)
    {
	perror("epoll_create");
	exit(5);
    }

    struct epoll_event _ev;       //epoll结构填充 
    _ev.events = EPOLLIN;         //初始关心事件为读
    _ev.data.fd = listen_sock;   

    //2.托管
    epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,listen_sock,&_ev);  //将listen sock添加到epfd中,关心读事件

    struct epoll_event revs[64];

    int timeout = -1;
    int num = 0;
    int done = 0;

    while(!done)
    {
	//epoll_wait()相当于在检测事件
        switch((num = epoll_wait(epfd,revs,64,timeout)))  //返回需要处理的事件数目  64表示 事件有多大
        {
            case 0:                  //返回0 ,表示监听超时
                printf("timeout\n");
                break;
            case -1:                 //出错
                perror("epoll_wait");
                break;
            default:                 //大于零 即就是返回了需要处理事件的数目
              {
		struct sockaddr_in peer;
		socklen_t len = sizeof(peer);

		int i;
                for(i=0;i < num;i++)
                {
		    int rsock = revs[i].data.fd; //准确获取哪个事件的描述符
                    if(rsock == listen_sock && (revs[i].events) && EPOLLIN) //如果是初始的 就接受,建立链接
                    {
                        int new_fd = accept(listen_sock,(struct sockaddr*)&peer,&len);  

                    	if(new_fd > 0)
                    	{
                             printf("get a new client:%s:%d\n",inet_ntoa(peer.sin_addr),ntohs(peer.sin_port));

			     set_nonblock(new_fd);
			     _ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;
			     _ev.data.fd = new_fd;
			     epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,new_fd,&_ev);    //二次托管

                        }
		    }
		    else // 接下来对num - 1 个事件处理
		    {
			if(revs[i].events & EPOLLIN)
			{
			    char buf[1024];
			    ssize_t _s = read(rsock,buf,sizeof(buf)-1);
			    if(_s > 0)
			    {
				buf[_s] = '\0';
				printf("client:%s\n",buf);

			        _ev.events = EPOLLOUT | EPOLLET;
			        _ev.data.fd = rsock;
			        epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_DEL,rsock,&_ev);    //二次托管
			    }
			    else if(_s == 0)  //client:close
			    {
				printf("client:%d close\n",rsock);
				epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_DEL,rsock,NULL);

				close(rsock);
			    }
			    else
			    {
				perror("read");
			    }
			}
			else if(revs[i].events & EPOLLOUT)
			{
			    const char *msg = "HTTP/1.0.200 OK\r\n\r\n<html><h2>李宁爱张宁!</h2></html>\r\n";
			    write(rsock,msg,strlen(msg));
			    epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_DEL,rsock,NULL);
			    close(rsock);
			}
			else
			{}
		    }
		}
	      }
	      break;
	}
    }
    return 0;
}
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