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Linux-C網路程式設計之epoll函式

上文中說到如果從100的不同的地方取外賣,那麼epoll相當於一部手機,當外賣到達後,送貨員可以通知你,從而達到每去必得,少走很多路。
它是如何實現這些作用的呢?

epoll的功能

epoll是select/poll的強化版,同是多路複用的函式,epoll有了很大的改進。
  1. 支援監聽大數目的socket描述符*

一個程序內,select能開啟的fd是有限制的,由巨集FD_SETSIZE設定,預設值是1024.在某些時候,這個數值是遠遠不夠用的。解決辦法有兩種,一是修改巨集然後重新編譯核心,但與此同時會引起網路效率的下降;二是使用多程序來解決,但是建立多個程序是有代價的,而且程序間資料同步沒有多執行緒間方便。
而epoll沒有這個限制,它所支援的最大FD上限遠遠大於1024,在1GB記憶體的機器上是10萬左右(具體數目可以cat/proc/sys/fs/file-max檢視);

  1. 效率的提高

select函式每次都當監聽的套接組有事件產生時就會返回,但卻不能將有事件產生的套接字篩選出來,而是改變其在套接組的標誌量,所以每次監聽到事件,都需要將套接組整個遍歷一遍。時間複雜度是O(n)。當FD數目增加時,效率會線性下降。
而epoll,每次會將監聽套結字中產生事件的套接字加到一列表中,然後我們可以直接對此列表進行操作,而沒有產生事件的套接字會被過濾掉,極大的提高了IO效率。這一點尤其在套接字監聽數量巨大而活躍數量很少的時候很明顯。

epoll的用法

epoll的使用主要在於三個函式。

1. epoll_create(int size);

建立一個epoll的控制代碼,size用來告訴核心這個監聽的數目最大值。
注意!是數量的最大值,不是fd的最大值,切勿搞混。
當建立好epoll控制代碼後,它就是會佔用一個fd值,所以在使用完epoll後,必須呼叫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的事件註冊函式。
epfd是epoll的控制代碼,即epoll_create的返回值;
op表示動作:用三個巨集表示:
EPOLL_CTL_ADD:註冊新的fd到epfd中;
EPOLL_CTL_MOD:修改已經註冊的fd的監聽事件;
EPOLL_CTL_DEL:從epfd中刪除一個fd;
fd是需要監聽的套接字描述符;
event是設定監聽事件的結構體,資料結構如下:
typedef union epoll_data
{
    void
*ptr; int fd; __uint32_t u32; __uint64_t u64 }epoll_data_t; struct epoll_event { __uint32_t events; /* Epoll events */ epoll_data_t data; /* User data variable */ };
events可以是以下幾個巨集的集合:
EPOLLIN :表示對應的檔案描述符可以讀(包括對端SOCKET正常關閉);
EPOLLOUT:表示對應的檔案描述符可以寫;
EPOLLPRI:表示對應的檔案描述符有緊急的資料可讀(這裡應該表示有帶外資料到來);
EPOLLERR:表示對應的檔案描述符發生錯誤;
EPOLLHUP:表示對應的檔案描述符被結束通話;
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後,就會把這個fd從epoll的佇列中刪除。
如果還需要繼續監聽這個socket的話,需要再次把這個fd加入到EPOLL佇列裡

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

等待事件的產生,返回需要處理的事件的數量,並將需處理事件的套接字集合於引數events內,可以遍歷events來處理事件。
引數epfd為epoll控制代碼
events為事件集合
引數timeout是超時時間(毫秒,0會立即返回,-1是永久阻塞)。該函式返回需要處理的事件數目,如返回0表示已超時。      

函式使用小例子

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

#define MAXLINE 10   //最大長度
#define OPEN_MAX 100
#define LISTENQ 20
#define SERV_PORT 8000
#define INFTIM 1000
#define IP_ADDR "10.73.219.151"

int main()
{
    struct epoll_event ev, events[20];
    struct sockaddr_in clientaddr, serveraddr;
    int epfd;
    int listenfd;//監聽fd
    int maxi;
    int nfds;
    int i;
    int sock_fd, conn_fd;
    char buf[MAXLINE];

    epfd = epoll_create(256);//生成epoll控制代碼
    listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);//建立套接字
    ev.data.fd = listenfd;//設定與要處理事件相關的檔案描述符
    ev.events = EPOLLIN;//設定要處理的事件型別

    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, listenfd, &ev);//註冊epoll事件

    memset(&serveraddr, 0, sizeof(serveraddr));
    serveraddr.sin_family = AF_INET;
    serveraddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    serveraddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
    bind(listenfd,(struct sockaddr*)&serveraddr, sizeof(serveraddr));//繫結套介面
    socklen_t clilen;
    listen(listenfd, LISTENQ);//轉為監聽套接字
    int n;
    while(1)
    {
        nfds = epoll_wait(epfd,events,20,500);//等待事件發生
        //處理所發生的所有事件
        for(i=0;i<nfds;i++)
        {
            if(events[i].data.fd == listenfd)//有新的連線
            {
                clilen = sizeof(struct sockaddr_in);
                conn_fd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &clilen);
                printf("accept a new client : %s\n",inet_ntoa(clientaddr.sin_addr));
                ev.data.fd = conn_fd;
                ev.events = EPOLLIN;//設定監聽事件為可寫
                epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, conn_fd, &ev);//新增套接字
            }
            else if(events[i].events & EPOLLIN)//可讀事件
            {
                if((sock_fd = events[i].data.fd) < 0)
                    continue;
                if((n = recv(sock_fd, buf, MAXLINE, 0)) < 0)
                {
                    if(errno == ECONNRESET)
                    {
                        close(sock_fd);
                        events[i].data.fd = -1;
                    }
                    else
                    {
                        printf("readline error\n");
                    }
                }
                else if(n == 0)
                {
                    close(sock_fd);
                    printf("關閉\n");
                    events[i].data.fd = -1;
                }

                printf("%d -- > %s\n",sock_fd, buf);
                ev.data.fd = sock_fd;
                ev.events = EPOLLOUT;
                epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,sock_fd,&ev);//修改監聽事件為可讀
            }

            else if(events[i].events & EPOLLOUT)//可寫事件
            {
                sock_fd = events[i].data.fd;
                printf("OUT\n");
                scanf("%s",buf);
                send(sock_fd, buf, MAXLINE, 0);

                ev.data.fd = sock_fd;
                ev.events = EPOLLIN;
                epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_MOD,sock_fd, &ev);
            }
        }
    }

    return 0;   
}