IO多路复用-epoll

IO多路复用-epoll

1. 概述

epoll 全称 eventpoll，是 linux 内核实现IO多路转接/复用（IO multiplexing）的一个实现。

epoll是select和poll的升级版，相较于这两个前辈，epoll改进了工作方式，因此它更加高效。

  • 对于待检测集合select和poll是基于线性方式处理的，epoll是基于红黑树来管理待检测集合的。
  • select和poll每次都会线性扫描整个待检测集合，集合越大速度越慢，epoll使用的是回调机制，效率高，处理效率也不会随着检测集合的变大而下降
  • 程序猿需要对select和poll返回的集合进行判断才能知道哪些文件描述符是就绪的，通过epoll可以直接得到已就绪的文件描述符集合，无需再次检测
  • 使用epoll没有最大文件描述符的限制，仅受系统中进程能打开的最大文件数目限制

当多路复用的文件数量庞大、IO流量频繁的时候，推荐使用epoll()。

2. 函数说明

在epoll中一共提供是三个API函数，分别处理不同的操作

#include <sys/epoll.h>
// 创建epoll实例，通过一棵红黑树管理待检测集合
int epoll_create(int size);
// 管理红黑树上的文件描述符(添加、修改、删除)
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
// 检测epoll树中是否有就绪的文件描述符
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);

select/poll低效的原因之一是将“添加/维护待检测任务”和“阻塞进程/线程”两个步骤合二为一。每次调用select都需要这两步操作，然而大多数应用场景中，需要监视的socket个数相对固定，并不需要每次都修改。epoll将这两个操作分开，先用epoll_ctl()维护等待队列，再调用epoll_wait()阻塞进程（解耦）。通过下图的对比显而易见，epoll的效率得到了提升。

在这里插入图片描述

epoll_create()函数的作用是创建一个红黑树模型的实例，用于管理待检测的文件描述符的集合。

int epoll_create(int size);

函数参数 size：指定一个大于0的数值就可以

函数返回值：

  • 失败：返回-1
  • 成功：返回一个有效的文件描述符，通过这个文件描述符就可以访问创建的epoll实例了

epoll_ctl()函数的作用是管理红黑树实例上的节点，可以进行添加、删除、修改操作。

// 联合体, 多个变量共用同一块内存        
typedef union epoll_data {void        *ptr;int          fd;	// 通常情况下使用这个成员, 和epoll_ctl的第三个参数相同即可uint32_t     u32;uint64_t     u64;
} epoll_data_t;struct epoll_event {uint32_t     events;      /* Epoll events */epoll_data_t data;        /* User data variable */
};
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

函数参数：

  • epfd：epoll_create() 函数的返回值，通过这个参数找到epoll实例
  • op：这是一个枚举值，控制通过该函数执行什么操作
    • EPOLL_CTL_ADD：往epoll模型中添加新的节点
    • EPOLL_CTL_MOD：修改epoll模型中已经存在的节点
    • EPOLL_CTL_DEL：删除epoll模型中的指定的节点
  • fd：文件描述符，即要添加/修改/删除的文件描述符
  • event：epoll事件，用来修饰第三个参数对应的文件描述符的，指定检测这个文件描述符的什么事件
    • events：委托epoll检测的事件
      • EPOLLIN：读事件, 接收数据, 检测读缓冲区，如果有数据该文件描述符就绪
      • EPOLLOUT：写事件, 发送数据, 检测写缓冲区，如果可写该文件描述符就绪
      • EPOLLERR：异常事件
    • data：用户数据变量，这是一个联合体类型，通常情况下使用里边的fd成员，用于存储待检测的文件描述符的值，在调用epoll_wait()函数的时候这个值会被传出。

函数返回值：

  • 失败：返回-1
  • 成功：返回0

epoll_wait()函数的作用是检测创建的epoll实例中有没有就绪的文件描述符。

int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);

函数参数：

  • epfd：epoll_create() 函数的返回值, 通过这个参数找到epoll实例
  • events：传出参数, 这是一个结构体数组的地址, 里边存储了已就绪的文件描述符的信息
  • maxevents：修饰第二个参数, 结构体数组的容量（元素个数）
  • timeout：如果检测的epoll实例中没有已就绪的文件描述符，该函数阻塞的时长, 单位ms 毫秒
    • 0：函数不阻塞，不管epoll实例中有没有就绪的文件描述符，函数被调用后都直接返回
    • 大于0：如果epoll实例中没有已就绪的文件描述符，函数阻塞对应的毫秒数再返回
    • -1：函数一直阻塞，直到epoll实例中有已就绪的文件描述符之后才解除阻塞

函数返回值：

  • 成功：
    • 等于0：函数是阻塞被强制解除了, 没有检测到满足条件的文件描述符
    • 大于0：检测到的已就绪的文件描述符的总个数
  • 失败：返回-1

3. epoll的使用

3.1 操作步骤

服务器端

  1. 创建监听的套接字
  2. 使用本地的IP与端口和监听的套接字进行绑定
  3. 给监听的套接字设置监听
  4. 创建epoll实例对象
  5. 将用于监听的套接字添加到epoll实例中
  6. 检测添加到epoll实例中的文件描述符是否已就绪，并将这些已就绪的文件描述符进行处理
  • 如果是监听的文件描述符，和新客户端建立连接，将得到的文件描述符添加到epoll实例中
  • 如果是通信的文件描述符，和对应的客户端通信，如果连接已断开，将该文件描述符从epoll实例中删除
  1. 重复第6步的操作
3.2 示例代码

服务器:

//
// Created by 47468 on 2024/1/26.
//
#include "arpa/inet.h"
#include "unistd.h"
#include <cstdio>
#include "cstdlib"
#include "iostream"
#include <sys/epoll.h>
#include <cstring>using namespace std;int main(){// 1.创建套接字int lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if(lfd == -1){perror("socket");exit(0);}// 2. 绑定 ip, portstruct sockaddr_in saddr{};saddr.sin_family = AF_INET;saddr.sin_port = htons(9999);saddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;int res = bind(lfd, (struct sockaddr*)&saddr, sizeof(saddr));if(res == -1){perror("bind");exit(0);}// 3. 监听res = listen(lfd, 128);if(res == -1){perror("listen");exit(0);}// 4. 创建epoll实例对象int epfd = epoll_create(1);// 5. 将用于监听的套接字添加到epoll实例中epoll_event ev{};ev.events = EPOLLIN;ev.data.fd = lfd;res = epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, lfd, &ev);if(res == -1){perror("epoll_ctl");exit(0);}// 6. 检测添加到epoll实例中的文件描述符是否已就绪// 并将这些已就绪的文件描述符进行处理epoll_event evs[1024];int size = sizeof(evs) / sizeof(evs[0]);while (true){int num = epoll_wait(epfd, evs, size, -1);for (int i = 0; i < num; ++i){// 取出当前的文件描述符int fd = evs[i].data.fd;if(fd == lfd){// 有新客户端建立连接sockaddr_in saddr{};int len = sizeof(saddr);int cfd = accept(lfd, (sockaddr *) &saddr, (socklen_t *) &len);// 打印客户端信息char ip[32];cout << "有客户端建立连接, ip: "<< inet_ntop(AF_INET, &saddr.sin_addr.s_addr, ip, sizeof(ip))<< ", port: "<< ntohs(saddr.sin_port)<< endl;// 把用于通信的套接字放到epoll实例中去ev.data.fd = cfd;ev.events = EPOLLIN;res = epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, cfd, &ev);if(res == -1){perror("epoll_ctl-accept");exit(0);}}else{// 是通信的文件描述符就绪// 通信char buf[1024];memset(buf, 0, sizeof(buf));ssize_t len = read(fd, buf, sizeof(buf));if(len == 0){cout << "客户端断开了连接" << endl;epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, fd, nullptr);close(fd);}else if(len > 0){cout << "client say: " << buf << endl;for(int i = 0; i < len; ++i){buf[i] = toupper(buf[i]);}write(fd, buf, len);}else{perror("recv");exit(0);}}}}close(lfd);return 0;
}

客户端代码不变

4. epoll的工作模式

4.1 水平模式

LT（level triggered）是缺省的工作方式，并且同时支持block和no-block socket。

特点:

  • 读事件：如果文件描述符对应的读缓冲区还有数据，读事件就会被触发，epoll_wait()解除阻塞

也就是说只要都缓冲区里面有数据, 即使没处理, 他会一直通知

写事件也是一样, 只要写缓冲区可写, 就会一直触发

4.2 边沿模式

ET（edge-triggered）是高速工作方式，只支持no-block socket

当文件描述符从未就绪变为就绪时，内核会通过epoll通知使用者。然后它会假设使用者知道文件描述符已经就绪，并且不会再为那个文件描述符发送更多的就绪通知（only once）

ET模式在很大程度上减少了epoll事件被重复触发的次数，因此效率要比LT模式高。

特点:

读事件：当读缓冲区有新的数据进入，读事件被触发一次，没有新数据不会触发该事件

  • 读事件被触发，可以通过调用read()/recv()函数将缓冲区数据读出
  • 如果数据没有被全部读走，并且没有新数据进入，读事件不会再次触发，只通知一次
  • 如果数据被全部读走或者只读走一部分，此时有新数据进入，读事件被触发，并且只通知一次

写事件：当写缓冲区状态可写，写事件只会触发一次

  • 写缓冲区从不满到被写满，期间写事件只会被触发一次
  • 写缓冲区从满到不满，状态变为可写，写事件只会被触发一次

综上所述：epoll的边沿模式下 epoll_wait()检测到文件描述符有新事件才会通知，如果不是新的事件就不通知，通知的次数比水平模式少，效率比水平模式要高。

4.3 边沿模式的设置

epoll管理的红黑树示例中每个节点都是struct epoll_event类型，只需要将EPOLLET添加到结构体的events成员中即可：

struct epoll_event ev;
ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;	// 设置边沿模式

在服务器端的代码改动:

// 把用于通信的套接字放到epoll实例中去ev.data.fd = cfd;ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;res = epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, cfd, &ev);if(res == -1){perror("epoll_ctl-accept");exit(0);}

这样的话, 把服务器端的buf该校一下, 每次只接受5个字节, 这样服务器就无法一次把数据全部接收完

客户端:

在这里插入图片描述

服务器:

在这里插入图片描述

也就是说每次有新的数据发送的时候, 服务器才能把原来缓冲区的数据读出来

4.4 边沿模式非阻塞设置

第一种方式是把read函数放到while循环中一直读取, 只有有数据就读取

int len = 0;
while((len = recv(curfd, buf, sizeof(buf), 0)) > 0)
{// 数据处理...
}

但这样的话有一个问题就是数据读取完了之后, 线程就阻塞在read函数中了, 无法继续向下运行, 所以我们需要把cfd这个文件描述符的状态设置为非阻塞

需要使用fcntl()函数进行处理：

// 设置完成之后, 读写都变成了非阻塞模式
int flag = fcntl(cfd, F_GETFL);
flag |= O_NONBLOCK;                                                        
fcntl(cfd, F_SETFL, flag);

就是这样:

// 有新客户端建立连接
sockaddr_in saddr{};
int len = sizeof(saddr);
int cfd = accept(lfd, (sockaddr *) &saddr, (socklen_t *) &len);
// 把cfd设置为非阻塞模式
auto flag = fcntl(cfd, F_GETFL);
flag |= O_NONBLOCK;
fcntl(cfd, F_SETFL, flag);
// 打印客户端信息
char ip[32];

也就是说把解说数据的代码部分都放到一个while循环中

在这里插入图片描述

这是还存在一个问题就是, 当循环读取完客户端发来的数据后, 没数据的话read也不会阻塞, 而是直接返回-1, 这样的话会直接打印错误信息recv, 并退出程序, 这并不是我们想要的, 我们想在接受完一部分数据后, 跳出while循环, 并继续走上一层for循环, 检测有没有新的文件描述符就绪

我们先来运行程序看是什么错误信息, 根据错误信息进行判断什么时候break

在这里插入图片描述

我们可以看出来, 客户端之发送了一个dsa, 服务器接收到之后, 报错并直接退出

我们查一下这个错误信息, 看一下read函数的error

在这里插入图片描述

能看出是这个原因导致的, 所以我们在len==-1里面判断一下错误号即可:

在这里插入图片描述

这样就ok了

运行:

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

最后的服务器端的代码:

//
// Created by 47468 on 2024/1/26.
//
#include "arpa/inet.h"
#include "unistd.h"
#include <cstdio>
#include "cstdlib"
#include "iostream"
#include <sys/epoll.h>
#include <cstring>
#include <fcntl.h>
#include <cerrno>using namespace std;int main(){// 1.创建套接字int lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if(lfd == -1){perror("socket");exit(0);}// 2. 绑定 ip, portstruct sockaddr_in saddr{};saddr.sin_family = AF_INET;saddr.sin_port = htons(9999);saddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;int res = bind(lfd, (struct sockaddr*)&saddr, sizeof(saddr));if(res == -1){perror("bind");exit(0);}// 3. 监听res = listen(lfd, 128);if(res == -1){perror("listen");exit(0);}// 4. 创建epoll实例对象int epfd = epoll_create(1);// 5. 将用于监听的套接字添加到epoll实例中epoll_event ev{};ev.events = EPOLLIN;ev.data.fd = lfd;res = epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, lfd, &ev);if(res == -1){perror("epoll_ctl");exit(0);}// 6. 检测添加到epoll实例中的文件描述符是否已就绪// 并将这些已就绪的文件描述符进行处理epoll_event evs[1024];int size = sizeof(evs) / sizeof(evs[0]);while (true){int num = epoll_wait(epfd, evs, size, -1);for (int i = 0; i < num; ++i){// 取出当前的文件描述符int fd = evs[i].data.fd;if(fd == lfd){// 有新客户端建立连接sockaddr_in saddr{};int len = sizeof(saddr);int cfd = accept(lfd, (sockaddr *) &saddr, (socklen_t *) &len);// 把cfd设置为非阻塞模式auto flag = fcntl(cfd, F_GETFL);flag |= O_NONBLOCK;fcntl(cfd, F_SETFL, flag);// 打印客户端信息char ip[32];cout << "有客户端建立连接, ip: "<< inet_ntop(AF_INET, &saddr.sin_addr.s_addr, ip, sizeof(ip))<< ", port: "<< ntohs(saddr.sin_port)<< endl;// 把用于通信的套接字放到epoll实例中去ev.data.fd = cfd;ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;res = epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, cfd, &ev);if(res == -1){perror("epoll_ctl-accept");exit(0);}}else{// 是通信的文件描述符就绪// 通信char buf[5];memset(buf, 0, sizeof(buf));while (true) {ssize_t len = read(fd, buf, sizeof(buf));if (len == 0) {cout << "客户端断开了连接" << endl;epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, fd, nullptr);close(fd);break;} else if (len > 0) {buf[len] = '\0';cout << "client say: " << buf << endl;for (int i = 0; i < len; ++i) {buf[i] = toupper(buf[i]);}write(fd, buf, len);} else {// len == -1if(errno == EAGAIN){cout << "数据接收完毕..." << endl;break;}perror("recv");exit(0);}}}}}close(lfd);return 0;}

5. 多线程+epoll边沿模式

大致思想跟select多线程通信其实是一样的

直接上代码

服务器端:

//
// Created by 47468 on 2024/1/26.
//
#include "arpa/inet.h"
#include "unistd.h"
#include <cstdio>
#include "cstdlib"
#include "iostream"
#include <sys/epoll.h>
#include <cstring>
#include <fcntl.h>
#include <cerrno>
#include <pthread.h>
using namespace std;struct socketInfo{int fd;int epfd;
};void* acceptConn(void* arg){// 打印一下线程idcout << "acceptConn id: " << pthread_self() << endl;auto* info = (socketInfo*)arg;int lfd = info->fd;int epfd = info->epfd;// 有新客户端建立连接sockaddr_in saddr{};int len = sizeof(saddr);int cfd = accept(lfd, (sockaddr *) &saddr, (socklen_t *) &len);// 把cfd设置为非阻塞模式auto flag = fcntl(cfd, F_GETFL);flag |= O_NONBLOCK;fcntl(cfd, F_SETFL, flag);// 打印客户端信息char ip[32];cout << "有客户端建立连接, ip: "<< inet_ntop(AF_INET, &saddr.sin_addr.s_addr, ip, sizeof(ip))<< ", port: "<< ntohs(saddr.sin_port)<< endl;// 把用于通信的套接字放到epoll实例中去epoll_event ev{};ev.data.fd = cfd;ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;int res = epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, cfd, &ev);if(res == -1){perror("epoll_ctl-accept");exit(0);}delete info;return nullptr;
}void* conmmunication(void* arg){// 打印一下线程idcout << "conmmunication id: " << pthread_self() << endl;auto* info = (socketInfo*)arg;int fd = info->fd;int epfd = info->epfd;// 是通信的文件描述符就绪// 通信char buf[1024];memset(buf, 0, sizeof(buf));while (true) {ssize_t len = read(fd, buf, sizeof(buf));if (len == 0) {cout << "客户端断开了连接" << endl;epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, fd, nullptr);close(fd);break;} else if (len > 0) {buf[len] = '\0';cout << "client say: " << buf << endl;for (int i = 0; i < len; ++i) {buf[i] = toupper(buf[i]);}write(fd, buf, sizeof(buf));} else {// len == -1if(errno == EAGAIN){cout << "数据接收完毕..." << endl;break;}perror("recv");break;}}delete info;return nullptr;
}int main(){// 1.创建套接字int lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if(lfd == -1){perror("socket");exit(0);}// 2. 绑定 ip, portstruct sockaddr_in saddr{};saddr.sin_family = AF_INET;saddr.sin_port = htons(9999);saddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;int res = bind(lfd, (struct sockaddr*)&saddr, sizeof(saddr));if(res == -1){perror("bind");exit(0);}// 3. 监听res = listen(lfd, 128);if(res == -1){perror("listen");exit(0);}// 4. 创建epoll实例对象int epfd = epoll_create(1);// 5. 将用于监听的套接字添加到epoll实例中epoll_event ev{};ev.events = EPOLLIN;ev.data.fd = lfd;res = epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, lfd, &ev);if(res == -1){perror("epoll_ctl");exit(0);}// 6. 检测添加到epoll实例中的文件描述符是否已就绪// 并将这些已就绪的文件描述符进行处理epoll_event evs[1024];int size = sizeof(evs) / sizeof(evs[0]);while (true){int num = epoll_wait(epfd, evs, size, -1);for (int i = 0; i < num; ++i){auto* info = new socketInfo;info->epfd = epfd;info->fd = evs[i].data.fd;pthread_t tid;// 取出当前的文件描述符int fd = evs[i].data.fd;if(fd == lfd){pthread_create(&tid, nullptr, acceptConn, info);pthread_detach(tid);}else{pthread_create(&tid, nullptr, conmmunication, info);pthread_detach(tid);}}}close(lfd);return 0;}

客户端

//
// Created by 47468 on 2024/1/26.
//
#include "arpa/inet.h"
#include "unistd.h"
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include "cstdlib"
#include "iostream"
using namespace std;int main(){// 1. 创建用于通信的套接字int fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if(fd == -1){perror("socket");exit(0);}// 2. 连接服务器sockaddr_in saddr{};saddr.sin_family = AF_INET;saddr.sin_port = htons(9999);inet_pton(AF_INET, "192.168.110.129", &saddr.sin_addr.s_addr);int res = connect(fd, (sockaddr *) &saddr, sizeof(saddr));if(res == -1){perror("connet");exit(0);}// 通信while(true){// 读数据char readBuf[1024];// 写数据cout << "请输入要发送的字符串: " << endl;cin.getline(readBuf, sizeof(readBuf));// 发送数据到客户端write(fd, readBuf, strlen(readBuf));// 接收服务器发送的数据ssize_t len = read(fd, readBuf, sizeof(readBuf));// readBuf[len] = '\0';cout << readBuf << endl;}close(fd);return 0;
}

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基于阿里云搭建幻兽帕鲁服务器方法&#xff0c;1到2分钟部署完成&#xff0c;稳定运行无卡顿&#xff0c;阿里云服务器网aliyunfuwuqi.com分享保姆级手把手教程&#xff0c;基于阿里云计算巢、云服务器或无影云桌面都可以&#xff1a; 基于阿里云幻兽帕鲁服务器创建教程 基于…
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svn和git的本质区别是什么

svn和git的本质区别是什么

参考&#xff1a; https://blog.csdn.net/feiying0canglang/article/details/126550676 上边图中&#xff0c;跨越了区的箭头&#xff0c;它中间的区数据都会同步。例如&#xff1a;git checkout &#xff0c;它是将本地仓库数据更新到暂存区和工作区的。\ 理解 gitlab和svn都…
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网工内推 | 网络安全工程师专场，CISP、HCIE安全认证优先

网工内推 | 网络安全工程师专场，CISP、HCIE安全认证优先

01 八马茶业 招聘岗位&#xff1a;网络安全工程师 职责描述&#xff1a; 1、负责公司信息安全项目实施及技术支持工作&#xff0c;主要包含信息安全风险检查评估、网络安全设备、服务器及网站日志审查等&#xff1b; 2、应用、服务器和网络架构进行安全检查测试&#xff0c;找…
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【MySQL源码】Seconds_Behind_Master是如何计算的

【MySQL源码】Seconds_Behind_Master是如何计算的

作为MySQL DBA&#xff0c;相信大家对参数 Seconds_Behind_Master 并不陌生&#xff0c;该字段的值可以通过 show slave status\G的输出&#xff0c;表示主从延迟的时间&#xff0c;单位为秒。监控主从延迟一般取这个值就足够了。0 表示无延迟&#xff0c;理想状态该值不要超…
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【数据分享】1992-2019年中国水土保持防治能力数据集

【数据分享】1992-2019年中国水土保持防治能力数据集

土壤数据是在环境、农业、生态等相关研究中都非常常用的数据&#xff01;我们之前发表过一篇介绍土壤数据来源的文章&#xff08;可查看之前发布的文章获悉详情&#xff09;&#xff01; 水土保持防治能力是土壤的重要属性。本次我们给大家带来的是1992-2019年中国水土保持防治…
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