IO多路復用之epoll總結


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IO多路復用之epoll總結
1、基本知識

  epoll是在2.6內核中提出的,是之前的select和poll的增強版本。相對於select和poll來說,epoll更加靈活,沒有描述符限制。epoll使用一個文件描述符管理多個描述符,將用戶關系的文件描述符的事件存放到內核的一個事件表中,這樣在用戶空間和內核空間的copy只需一次。

2、epoll接口

 epoll操作過程需要三個接口,分別如下:

#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);

(1) int epoll_create(int size);
  創建一個epoll的句柄,size用來告訴內核這個監聽的數目一共有多大。這個參數不同於select()中的第一個參數,給出最大監聽的fd+1的值。需要注意的是,當創建好epoll句柄后,它就是會占用一個fd值,在linux下如果查看/proc/進程id/fd/,是能夠看到這個fd的,所以在使用完epoll后,必須調用close()關閉,否則可能導致fd被耗盡。

(2)int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
  epoll的事件注冊函數,它不同與select()是在監聽事件時告訴內核要監聽什么類型的事件epoll的事件注冊函數,它不同與select()是在監聽事件時告訴內核要監聽什么類型的事件,而是在這里先注冊要監聽的事件類型。第一個參數是epoll_create()的返回值,第二個參數表示動作,用三個宏來表示:
EPOLL_CTL_ADD:注冊新的fd到epfd中;
EPOLL_CTL_MOD:修改已經注冊的fd的監聽事件;
EPOLL_CTL_DEL:從epfd中刪除一個fd;
第三個參數是需要監聽的fd,第四個參數是告訴內核需要監聽什么事,struct epoll_event結構如下:

struct epoll_event {
__uint32_t events; /* Epoll events */
epoll_data_t data; /* User data variable */
};

events可以是以下幾個宏的集合:
EPOLLIN :表示對應的文件描述符可以讀(包括對端SOCKET正常關閉);
EPOLLOUT:表示對應的文件描述符可以寫;
EPOLLPRI:表示對應的文件描述符有緊急的數據可讀(這里應該表示有帶外數據到來);
EPOLLERR:表示對應的文件描述符發生錯誤;
EPOLLHUP:表示對應的文件描述符被掛斷;
EPOLLET: 將EPOLL設為邊緣觸發(Edge Triggered)模式,這是相對於水平觸發(Level Triggered)來說的。
EPOLLONESHOT:只監聽一次事件,當監聽完這次事件之后,如果還需要繼續監聽這個socket的話,需要再次把這個socket加入到EPOLL隊列里

(3) int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);
  等待事件的產生,類似於select()調用。參數events用來從內核得到事件的集合,maxevents告之內核這個events有多大,這個maxevents的值不能大於創建epoll_create()時的size,參數timeout是超時時間(毫秒,0會立即返回,-1將不確定,也有說法說是永久阻塞)。該函數返回需要處理的事件數目,如返回0表示已超時。

3、工作模式

  epoll對文件描述符的操作有兩種模式:LT(level trigger)和ET(edge trigger)。LT模式是默認模式,LT模式與ET模式的區別如下:

  LT模式:當epoll_wait檢測到描述符事件發生並將此事件通知應用程序,應用程序可以不立即處理該事件。下次調用epoll_wait時,會再次響應應用程序並通知此事件。

  ET模式:當epoll_wait檢測到描述符事件發生並將此事件通知應用程序,應用程序必須立即處理該事件。如果不處理,下次調用epoll_wait時,不會再次響應應用程序並通知此事件。

  ET模式在很大程度上減少了epoll事件被重復觸發的次數,因此效率要比LT模式高。epoll工作在ET模式的時候,必須使用非阻塞套接口,以避免由於一個文件句柄的阻塞讀/阻塞寫操作把處理多個文件描述符的任務餓死。

4、測試程序

  編寫一個服務器回射程序echo,練習epoll過程。

服務器代碼如下所示:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>

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

#define IPADDRESS "127.0.0.1"
#define PORT 8787
#define MAXSIZE 1024
#define LISTENQ 5
#define FDSIZE 1000
#define EPOLLEVENTS 100

//函數聲明
//創建套接字並進行綁定
static int socket_bind(const char* ip,int port);
//IO多路復用epoll
static void do_epoll(int listenfd);
//事件處理函數
static void
handle_events(int epollfd,struct epoll_event *events,int num,int listenfd,char *buf);
//處理接收到的連接
static void handle_accpet(int epollfd,int listenfd);
//讀處理
static void do_read(int epollfd,int fd,char *buf);
//寫處理
static void do_write(int epollfd,int fd,char *buf);
//添加事件
static void add_event(int epollfd,int fd,int state);
//修改事件
static void modify_event(int epollfd,int fd,int state);
//刪除事件
static void delete_event(int epollfd,int fd,int state);

int main(int argc,char *argv[])
{
int listenfd;
listenfd = socket_bind(IPADDRESS,PORT);
listen(listenfd,LISTENQ);
do_epoll(listenfd);
return 0;
}

static int socket_bind(const char* ip,int port)
{
int listenfd;
struct sockaddr_in servaddr;
listenfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
if (listenfd == -1)
{
perror("socket error:");
exit(1);
}
bzero(&servaddr,sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
inet_pton(AF_INET,ip,&servaddr.sin_addr);
servaddr.sin_port = htons(port);
if (bind(listenfd,(struct sockaddr*)&servaddr,sizeof(servaddr)) == -1)
{
perror("bind error: ");
exit(1);
}
return listenfd;
}

static void do_epoll(int listenfd)
{
int epollfd;
struct epoll_event events[EPOLLEVENTS];
int ret;
char buf[MAXSIZE];
memset(buf,0,MAXSIZE);
//創建一個描述符
epollfd = epoll_create(FDSIZE);
//添加監聽描述符事件
add_event(epollfd,listenfd,EPOLLIN);
for ( ; ; )
{
//獲取已經准備好的描述符事件
ret = epoll_wait(epollfd,events,EPOLLEVENTS,-1);
handle_events(epollfd,events,ret,listenfd,buf);
}
close(epollfd);
}

static void
handle_events(int epollfd,struct epoll_event *events,int num,int listenfd,char *buf)
{
int i;
int fd;
//進行選好遍歷
for (i = 0;i < num;i++)
{
fd = events[i].data.fd;
//根據描述符的類型和事件類型進行處理
if ((fd == listenfd) &&(events[i].events & EPOLLIN))
handle_accpet(epollfd,listenfd);
else if (events[i].events & EPOLLIN)
do_read(epollfd,fd,buf);
else if (events[i].events & EPOLLOUT)
do_write(epollfd,fd,buf);
}
}
static void handle_accpet(int epollfd,int listenfd)
{
int clifd;
struct sockaddr_in cliaddr;
socklen_t cliaddrlen;
clifd = accept(listenfd,(struct sockaddr*)&cliaddr,&cliaddrlen);
if (clifd == -1)
perror("accpet error:");
else
{
printf("accept a new client: %s:%d\n",inet_ntoa(cliaddr.sin_addr),cliaddr.sin_port);
//添加一個客戶描述符和事件
add_event(epollfd,clifd,EPOLLIN);
}
}

static void do_read(int epollfd,int fd,char *buf)
{
int nread;
nread = read(fd,buf,MAXSIZE);
if (nread == -1)
{
perror("read error:");
close(fd);
delete_event(epollfd,fd,EPOLLIN);
}
else if (nread == 0)
{
fprintf(stderr,"client close.\n");
close(fd);
delete_event(epollfd,fd,EPOLLIN);
}
else
{
printf("read message is : %s",buf);
//修改描述符對應的事件,由讀改為寫
modify_event(epollfd,fd,EPOLLOUT);
}
}

static void do_write(int epollfd,int fd,char *buf)
{
int nwrite;
nwrite = write(fd,buf,strlen(buf));
if (nwrite == -1)
{
perror("write error:");
close(fd);
delete_event(epollfd,fd,EPOLLOUT);
}
else
modify_event(epollfd,fd,EPOLLIN);
memset(buf,0,MAXSIZE);
}

static void add_event(int epollfd,int fd,int state)
{
struct epoll_event ev;
ev.events = state;
ev.data.fd = fd;
epoll_ctl(epollfd,EPOLL_CTL_ADD,fd,&ev);
}

static void delete_event(int epollfd,int fd,int state)
{
struct epoll_event ev;
ev.events = state;
ev.data.fd = fd;
epoll_ctl(epollfd,EPOLL_CTL_DEL,fd,&ev);
}

static void modify_event(int epollfd,int fd,int state)
{
struct epoll_event ev;
ev.events = state;
ev.data.fd = fd;
epoll_ctl(epollfd,EPOLL_CTL_MOD,fd,&ev);
}

客戶端也用epoll實現,控制STDIN_FILENO、STDOUT_FILENO、和sockfd三個描述符,程序如下所示:

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

#define MAXSIZE 1024
#define IPADDRESS "127.0.0.1"
#define SERV_PORT 8787
#define FDSIZE 1024
#define EPOLLEVENTS 20

static void handle_connection(int sockfd);
static void
handle_events(int epollfd,struct epoll_event *events,int num,int sockfd,char *buf);
static void do_read(int epollfd,int fd,int sockfd,char *buf);
static void do_read(int epollfd,int fd,int sockfd,char *buf);
static void do_write(int epollfd,int fd,int sockfd,char *buf);
static void add_event(int epollfd,int fd,int state);
static void delete_event(int epollfd,int fd,int state);
static void modify_event(int epollfd,int fd,int state);

int main(int argc,char *argv[])
{
int sockfd;
struct sockaddr_in servaddr;
sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
bzero(&servaddr,sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
inet_pton(AF_INET,IPADDRESS,&servaddr.sin_addr);
connect(sockfd,(struct sockaddr*)&servaddr,sizeof(servaddr));
//處理連接
handle_connection(sockfd);
close(sockfd);
return 0;
}


static void handle_connection(int sockfd)
{
int epollfd;
struct epoll_event events[EPOLLEVENTS];
char buf[MAXSIZE];
int ret;
epollfd = epoll_create(FDSIZE);
add_event(epollfd,STDIN_FILENO,EPOLLIN);
for ( ; ; )
{
ret = epoll_wait(epollfd,events,EPOLLEVENTS,-1);
handle_events(epollfd,events,ret,sockfd,buf);
}
close(epollfd);
}

static void
handle_events(int epollfd,struct epoll_event *events,int num,int sockfd,char *buf)
{
int fd;
int i;
for (i = 0;i < num;i++)
{
fd = events[i].data.fd;
if (events[i].events & EPOLLIN)
do_read(epollfd,fd,sockfd,buf);
else if (events[i].events & EPOLLOUT)
do_write(epollfd,fd,sockfd,buf);
}
}

static void do_read(int epollfd,int fd,int sockfd,char *buf)
{
int nread;
nread = read(fd,buf,MAXSIZE);
if (nread == -1)
{
perror("read error:");
close(fd);
}
else if (nread == 0)
{
fprintf(stderr,"server close.\n");
close(fd);
}
else
{
if (fd == STDIN_FILENO)
add_event(epollfd,sockfd,EPOLLOUT);
else
{
delete_event(epollfd,sockfd,EPOLLIN);
add_event(epollfd,STDOUT_FILENO,EPOLLOUT);
}
}
}

static void do_write(int epollfd,int fd,int sockfd,char *buf)
{
int nwrite;
nwrite = write(fd,buf,strlen(buf));
if (nwrite == -1)
{
perror("write error:");
close(fd);
}
else
{
if (fd == STDOUT_FILENO)
delete_event(epollfd,fd,EPOLLOUT);
else
modify_event(epollfd,fd,EPOLLIN);
}
memset(buf,0,MAXSIZE);
}

static void add_event(int epollfd,int fd,int state)
{
struct epoll_event ev;
ev.events = state;
ev.data.fd = fd;
epoll_ctl(epollfd,EPOLL_CTL_ADD,fd,&ev);
}

static void delete_event(int epollfd,int fd,int state)
{
struct epoll_event ev;
ev.events = state;
ev.data.fd = fd;
epoll_ctl(epollfd,EPOLL_CTL_DEL,fd,&ev);
}

static void modify_event(int epollfd,int fd,int state)
{
struct epoll_event ev;
ev.events = state;
ev.data.fd = fd;
epoll_ctl(epollfd,EPOLL_CTL_MOD,fd,&ev);
}

5、測試結果
這里寫圖片描述
參考資料:

http://www.cnblogs.com/OnlyXP/archive/2007/08/10/851222.html

http://www.cnblogs.com/lexus/archive/2011/11/19/2254798.html

https://banu.com/blog/2/how-to-use-epoll-a-complete-example-in-c/


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