I/O多路複用詳解（三）

阿新 • • 發佈：2019-01-31

在linux的網路程式設計中，很長的一段時間都在使用select來做事件觸發。然而select逐漸暴露出了一些缺陷，使得linux不得不在新的核心中尋找出替代方案，那就是epoll。其實，epoll與select原理類似，只不過，epoll作出了一些重大改進，即：
a、當它們所監聽的集合中有狀態發生改變時，select需要迴圈檢查整個集合，才能確定那個檔案描述符狀態發生改變，進而進行操作；而epoll在新增檔案描述符到集合時，已經綁定了該檔案描述符的對應函式，因此，當該檔案描述符狀態改變時，不需要迴圈查詢整個集合，因而將複雜度由0(n)將為o(1)，效能得到幾何量級的提高，尤其是在大量連線的情況下。
b、再有，select所監聽的描述字最大數目是有一定限制的，由FD_SETSIZE設定，通常是1024。對於那些需要支援的上萬連線數目的web伺服器來說顯然是太少了,儘管可以通過修改標頭檔案再重編譯核心來擴大這個數目，不過資料也同時指出這樣會帶來網路效率的下降。（詳細請參考：epoll 相對於poll的優點）
epoll的介面非常簡單，一共就三個函式：
（1）、int 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一共有多大。需要注意的是，當建立好epoll控制代碼後，epoll本身就佔用一個fd值，所以用完後必須呼叫close()關閉，以防止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，第一個引數是epoll_create()的返回值，第二個引數表示動作，用三個巨集來表示：
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;
第三個引數是需要監聽的fd,第四個引數是告訴核心需要監聽什麼事件，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，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佇列裡。
（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()呼叫。引數events用來從核心得到事件的集合，maxevents告之核心這個events有多大，這個maxevents的值不能大於建立epoll_create()時的size，引數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）。該函式返回需要處理的事件數目，如返回0表示已超時。
令人高興的是，2.6核心的epoll比其2.5開發版本的/dev/epoll簡潔了許多，所以，大部分情況下，強大的東西往往是簡單的。唯一有點麻煩是epoll有2種工作方式:LT和ET。
LT(level triggered)是預設的工作方式，並且同時支援block和no-block socket.在這種做法中，核心告訴你一個檔案描述符是否就緒了，然後你可以對這個就緒的fd進行IO操作。如果你不作任何操作，核心還是會繼續通知你的，所以，這種模式程式設計出錯誤可能性要小一點。傳統的select/poll都是這種模型的代表．
ET (edge-triggered)是高速工作方式，只支援no-block socket。在這種模式下，當描述符從未就緒變為就緒時，核心通過epoll告訴你。然後它會假設你知道檔案描述符已經就緒，並且不會再為那個檔案描述符傳送更多的就緒通知，直到你做了某些操作導致那個檔案描述符不再為就緒狀態了(比如，你在傳送，接收或者接收請求，或者傳送接收的資料少於一定量時導致了一個EWOULDBLOCK 錯誤）。但是請注意，如果一直不對這個fd作IO操作(從而導致它再次變成未就緒)，核心不會發送更多的通知(only once),不過在TCP協議中，ET模式的加速效用仍需要更多的benchmark確認。
注：以上參考epoll精髓一文。
一個epoll的例子：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <openssl/ssl.h>
#include <openssl/err.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/resource.h>
#define MAXBUF 1024
#define MAXEPOLLSIZE 10000
/*
setnonblocking - 設定控制代碼為非阻塞方式
*/
int setnonblocking(int sockfd)
{
if (fcntl(sockfd, F_SETFL, fcntl(sockfd, F_GETFD, 0)|O_NONBLOCK) == -1) {
return -1;
}
return 0;
}

/*
handle_message - 處理每個 socket 上的訊息收發
*/
int handle_message(int new_fd)
{
char buf[MAXBUF + 1];
int len;
/* 開始處理每個新連線上的資料收發 */
bzero(buf, MAXBUF + 1);
/* 接收客戶端的訊息 */
len = recv(new_fd, buf, MAXBUF, 0);
if (len > 0)
printf
("%d接收訊息成功:'%s'，共%d個位元組的資料\n",
new_fd, buf, len);
else {
if (len < 0)
printf
("訊息接收失敗！錯誤程式碼是%d，錯誤資訊是'%s'\n",
errno, strerror(errno));
close(new_fd);
return -1;
}
/* 處理每個新連線上的資料收發結束 */
return len;
}
/************關於本文件********************************************
*filename: epoll-server.c
*purpose: 演示epoll處理海量socket連線的方法
*wrote by: zhoulifa(

[email protected]) 周立發(http://zhoulifa.bokee.com)
Linux愛好者 Linux知識傳播者 SOHO族開發者最擅長C語言
*date time:2007-01-31 21:00
*Note: 任何人可以任意複製程式碼並運用這些文件，當然包括你的商業用途
* 但請遵循GPL
*Thanks to:Google
*Hope:希望越來越多的人貢獻自己的力量，為科學技術發展出力
* 科技站在巨人的肩膀上進步更快！感謝有開源前輩的貢獻！
*********************************************************************/
int main(int argc, char **argv)
{
int listener, new_fd, kdpfd, nfds, n, ret, curfds;
socklen_t len;
struct sockaddr_in my_addr, their_addr;
unsigned int myport, lisnum;
struct epoll_event ev;
struct epoll_event events[MAXEPOLLSIZE];
struct rlimit rt;

if (argv[1])
myport = atoi(argv[1]);
else
myport = 7838;

if (argv[2])
lisnum = atoi(argv[2]);
else
lisnum = 2;

/* 設定每個程序允許開啟的最大檔案數 */
rt.rlim_max = rt.rlim_cur = MAXEPOLLSIZE;
if (setrlimit(RLIMIT_NOFILE, &rt) == -1) {
perror("setrlimit");
exit(1);
}
else printf("設定系統資源引數成功！\n");

/* 開啟 socket 監聽 */
if ((listener = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1) {
perror("socket");
exit(1);
} else
printf("socket 建立成功！\n");

setnonblocking(listener);

bzero(&my_addr, sizeof(my_addr));
my_addr.sin_family = PF_INET;
my_addr.sin_port = htons(myport);
if (argv[3])
my_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[3]);
else
my_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

if (bind
(listener, (struct sockaddr *) &my_addr, sizeof(struct sockaddr))
== -1) {
perror("bind");
exit(1);
} else
printf("IP 地址和埠繫結成功\n");

if (listen(listener, lisnum) == -1) {
perror("listen");
exit(1);
} else
printf("開啟服務成功！\n");

/* 建立 epoll 控制代碼，把監聽 socket 加入到 epoll 集合裡 */
kdpfd = epoll_create(MAXEPOLLSIZE);
len = sizeof(struct sockaddr_in);
ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;
ev.data.fd = listener;
if (epoll_ctl(kdpfd, EPOLL_CTL_ADD, listener, &ev) < 0) {
fprintf(stderr, "epoll set insertion error: fd=%d\n", listener);
return -1;
} else
printf("監聽 socket 加入 epoll 成功！\n");
curfds = 1;
while (1) {
/* 等待有事件發生 */
nfds = epoll_wait(kdpfd, events, curfds, -1);
if (nfds == -1) {
perror("epoll_wait");
break;
}
/* 處理所有事件 */
for (n = 0; n < nfds; ++n) {
if (events[n].data.fd == listener) {
new_fd = accept(listener, (struct sockaddr *) &their_addr,
&len);
if (new_fd < 0) {
perror("accept");
continue;
} else
printf("有連線來自於： %s:%d，分配的 socket 為:%d\n",inet_ntoa(their_addr.sin_addr), ntohs(their_addr.sin_port), new_fd);

setnonblocking(new_fd);
ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;
ev.data.fd = new_fd;
if (epoll_ctl(kdpfd, EPOLL_CTL_ADD, new_fd, &ev) < 0) {
fprintf(stderr, "把 socket '%d' 加入 epoll 失敗！%s\n",
new_fd, strerror(errno));
return -1;
}
curfds++;
} else {
ret = handle_message(events[n].data.fd);
if (ret < 1 && errno != 11) {
epoll_ctl(kdpfd, EPOLL_CTL_DEL, events[n].data.fd,
&ev);
curfds--;
}
}
}
}
close(listener);
return 0;
}

編譯此程式用命令：
gcc -Wall epoll-server.c -o server
執行此程式需要具有管理員許可權！
sudo ./server 7838 1
通過測試這一個伺服器可能同時處理10000 -3 = 9997 個連線！
如果這是一個線上服務系統，那麼它可以支援9997人同時線上，比如遊戲、聊天等。

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