IO多路转接技术 | poll/epoll详解

1. poll详解

函数原型

intpoll(struct?pollfd *fd,?nfds_t?nfds,?int?timeout);

函数参数

fd：数组的地址，struct pollfd all[120]; 其中struct pollfd结构体如下

structpollfd {
int? ?fd; ? ? ? ??/* 文件描述符 */
short?events; ? ??/* 等待的事件 */
short?revents; ? ?/* 实际发生的事件 */
? ? };

结构体红各项含义如下：

文件描述符fd：表示要坚持测的fd，通过 open("a.txt", O_wronly | O_append); 获得。

events：要等待的事件

revents：实际发生的事件，它是内核给的反馈，在select的时候，会有一个备份来供内核修改并传出。

nfds：数组的最大长度, 数组中最后一个使用的元素下标+1

内核会轮询检测fd数组的每个文件描述符

timeout:

1：永久阻塞

0：调用完成立即返回

>0：等待的时长毫秒

函数返回值：IO发生变化的文件描述符的个数。

2. epoll详解

（1）API介绍

intepoll_create(int?size);

函数功能：生成一个epoll专用的文件描述符，实际上就是生成一个epoll树的根结点。

函数参数：size，epoll树上能挂的最大文件描述符数量。表示我想在这个树节点上挂size个节点，假如实际上的节点大于size的话epoll会自动扩展，所以这个大小可以随便传，不用太在意。但是这个扩展也是有上限的，如果电脑内存是1G，那么扩展的上限是10万（2G就是20万。。。通过加内存可以扩大上限）。

函数返回值：函数返回值是树的根节点，在后面用到epft参数的时候，都是指这个返回值，也就是树的根节点。

intepoll_ctl(int?epfd,?int?op,?int?fd,?struct?epoll_event *event);

函数功能：用于控制某个epoll文件描述符事件，可以注册、修改、删除。

函数参数：

epfd：epoll_create()函数生成的专用文件描述符。

op：

EPOLL_CTL_ADD ? ? ? —— ?注册

EPOLL_CTL_MOD ? ? ?—— ?修改

EPOLL_CTL_DEL ? ? ? ?—— ?删除

fd：关联的文件描述符

event：告诉内核要监听什么事件

EPOLLIN ? ? —— 读

EPOLLOUT —— 写

EPOLLERR ?—— 异常

structepoll_event {/* 该结构体主要存放和fd有关的信息 */uint32_t? ? ?events; ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?epoll_data_t?data;?? ? ? };
typedefunion epoll_data {void? ? ? ? ?*ptr;int? ? ? ? ? fd;uint32_t? ? ?u32;uint64_t? ? ?u64;? ? ? }?epoll_data_t;

epoll_data_t是一个联合体union，四个成员共用同一块内存，也就是说四个成员我们只能用一个，一般情况下我们用fd，这个fd实际上就是epoll_ctl()函数的第三个参数fd。

如果我们想在epoll树上挂载更多信息，而不仅仅是fd文件描述符的话，我们可以把更多信息封装在结构体中，并把该结构体传给epoll_data_t结构体的ptr指针，这样就可以在epoll树上挂载和fd有关的更多信息。

structsockInfo? ? ? ? {int? ? ? ? ?fd;structsockaddr_inaddr;? ? ? ? };

比如说，要获取发生变化的fd对应的client的IP和port，就可以利用指针ptr，这样的话联合epoll_data_t中的fd就不能用了，我们把文件描述符传给sockInfo的fd即可完成fd信息的挂载。

intepoll_wait(int?epfd,struct?epoll_event* events, ?/* 结构体数组 */int?maxevents,int?timeout);

函数功能：等待IO事件发生（可以设置阻塞），epoll_wait()函数相当于前面讲的select()或poll()函数，表示委托内核去进行检测。epoll_event通过返回值和传出参数events来实现把哪几个fd发生变化告诉server进程的目的。首先，每当有fd变化，就把这个fd对应的树节点拷贝到events数组中，最后，有几个fd变化，就返回几。这样只要根据返回值和参数events就可以遍历出所有变化的fd以及相关信息。

函数参数：

epfd：要检测的句柄

events：用于回传待处理事件的数组。它是一个传出参数，需要提前分配内存，哪个fd发生变化了，就把哪个fd的树节点(struct epoll_event)拷贝一份放到这个数组中。这样epoll就能返回是哪个fd发生了变化。

maxevents：告诉内核events的大小，因为内核要把发生变化的fd对应的树节点拷贝到数组中，所以要知道数组大小。

timeout：为超时时间

1：永久阻塞

0：立即返回

函数返回值：有多少个fd发生了变化就返回几（变化的fd信息存在events数组中）。

（2）epoll树

（3）epoll模型

#include<stdio.h>#include<unistd.h>#include<stdlib.h>#include<sys/types.h>#include<string.h>#include<sys/socket.h>#include<arpa/inet.h>#include<ctype.h>#include<sys/epoll.h>
intmain(int?argc, constchar* argv[]){if(argc <?2)? ? {printf("eg: ./a.out portn");exit(1);? ? }structsockaddr_inserv_addr;socklen_t?serv_len =?sizeof(serv_addr);int?port =?atoi(argv[1]);?//字符串转整形值
// 创建套接字int?lfd =?socket(AF_INET, SOCK_STREAM,?0);// 初始化服务器 sockaddr_in?memset(&serv_addr,?0, serv_len);? ? serv_addr.sin_family = AF_INET;?// 地址族?? ? serv_addr.sin_addr.s_addr =?htonl(INADDR_ANY);?// 监听本机所有的IP? ? serv_addr.sin_port =?htons(port);?// 设置端口?// 绑定IP和端口? ??bind(lfd, (struct?sockaddr*)&serv_addr, serv_len);
// 设置同时监听的最大个数? ??listen(lfd,?36);printf("Start accept ......n");
structsockaddr_inclient_addr;socklen_t?cli_len =?sizeof(client_addr);
// 创建epoll树根节点int?epfd =?epoll_create(2000);// 初始化epoll树structepoll_eventev;? ? ev.events = EPOLLIN;? ? ev.data.fd = lfd;? ??epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, lfd, &ev);//存放发生变化的fd对应的树节点structepoll_eventall[2000];while(1)? ? {// 使用epoll通知内核fd 文件IO检测int?ret =?epoll_wait(epfd, all,?sizeof(all)/sizeof(all[0]),?-1);
// 遍历all数组中的前ret个元素 //ret表示有几个变化的fd，变化的fd都存在all数组中for(int?i=0; i<ret; ++i)? ? ? ? {int?fd = all[i].data.fd;// 判断是否有新连接if(fd == lfd)? ? ? ? ? ? {// 接受连接请求 // accept不阻塞，因为已经有连接int?cfd =?accept(lfd, (struct?sockaddr*)&client_addr, &cli_len);if(cfd ==?-1)? ? ? ? ? ? ? ? {? ? ? ? ? ? ? ? ? ??perror("accept error");exit(1);? ? ? ? ? ? ? ? }// 将新得到的cfd挂到树上structepoll_eventtemp;? ? ? ? ? ? ? ? temp.events = EPOLLIN;?//检测cfd对应的读缓冲区，是否有数据传入? ? ? ? ? ? ? ? temp.data.fd = cfd;? ? ? ? ? ? ? ??epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, cfd, &temp);
// 打印客户端信息char?ip[64] = {0};printf("New Client IP: %s, Port: %dn",? ? ? ? ? ? ? ??inet_ntop(AF_INET, &client_addr.sin_addr.s_addr, ip,?sizeof(ip)),? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??ntohs(client_addr.sin_port));
? ? ? ? ? ? }else? ? ? ? ? ? {// 处理已经连接的客户端发送过来的数据if(!all[i].events & EPOLLIN)?//只处理读事件? ? ? ? ? ? ? ? {continue;? ? ? ? ? ? ? ? }/*? ? ? ? ? ? ? ? 假如说client发送过了100个数据，也就是serve的read缓冲区有100个数据，? ? ? ? ? ? ? ? 但是调用recv函数的时候只能读50个数据，而本次循环只调用了一次recv，? ? ? ? ? ? ? ? 那么只能下次循环再读剩余的50个数据，所以下次循环检测的时候，? ? ? ? ? ? ? ? epoll_wait还是会返回，因为缓冲区还是剩余数据。这就是水平触发模式。? ? ? ? ? ? ? ? 这样的话虽然client只发了1次，但是epoll_wait会通知两次server去读数据。? ? ? ? */
// 读数据char?buf[1024] = {0};int?len =?recv(fd, buf,?sizeof(buf),?0);if(len ==?-1)? ? ? ? ? ? ? ? {? ? ? ? ? ? ? ? ? ??perror("recv error");exit(1);? ? ? ? ? ? ? ? }elseif(len ==?0)? ? ? ? ? ? ? ? {printf("client disconnected ....n");//close(fd);// fd从epoll树上删除? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ret =?epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, fd,?NULL);// 挂树的时候需要ev,把ev挂在树上删除写NULL就行了if(ret ==?-1)? ? ? ? ? ? ? {? ? ? ? ? ? ? ? ? ??perror("epoll_ctl del error");exit(1);? ? ? ? ? ? ? }? ? ? ? ? ? ? ?close(fd);? ? ? ? ? ? ? ? }else? ? ? ? ? ? ? ? {printf(" recv buf: %sn", buf);? ? ? ? ? ? ? ? ? ??write(fd, buf, len);? ? ? ? ? ? ? ? }? ? ? ? ? ? }? ? ? ? }? ? }
? ??close(lfd);return0;}

epoll维护的红黑树是存在一个共享内存中，内核和用户都可以通过操作这个共享内存来操作树，不需要内核态和用户态的切换，也不需要两种状态之间的数据拷贝，所以效率更高。

（4）epoll的三种工作模式

水平触发模式 ? - （根据读来解释）

只要fd对应的缓冲区有数据，epoll_wait就会返回

返回的次数与发送数据的次数没有关系

epoll默认的工作模式

边沿触发模式 - ET

fd - 默认阻塞属性

客户端给server发数据:

发一次数据server 的 epoll_wait就返回一次

不在乎数据是否读完

如果读不完，如何把数据全部读出来?

while(recv());

数据读完之后recv会阻塞

解决阻塞问题 —— 设置非阻塞fd

对于epoll_wait()来说，epoll_wait 调用次数越多, 系统的开销越大。

水平触发模式会多次返回，只要server的read缓冲区有数据，epoll_wait就返回，也就会通知server去读数据，那么在循环检测的时候，只要server的read缓冲区有数据，epoll_wait就会多次调用，多次返回，并通知server去读数据；假如说client发送过了100个数据，也就是serve的read缓冲区有100个数据，但是调用recv函数的时候只能读50个数据，而本次循环只调用了一次recv，那么只能下次循环再读剩余的50个数据，所以下次循环检测的时候，epoll_wait还是会返回，因为缓冲区还是剩余数据。这就是水平触发模式。这样的话虽然client只发了1次，但是epoll_wait会通知两次server去读数据。

—— （printf函数是标准C库函数，C库函数都有一个默认缓冲区，printf的大小是8K。printf函数是行缓冲，使用printf函数的时候，如果不加 n 会默认等到写满的时候才打印内容，加 n 会强制把缓冲区的内容打印出来。另外表示结束，不加就会一直输出直到遇到，用write(STDOUT_FILENO)替代printf函数就可以解决这些问题。）

边沿触发模式，client发一次数据epoll_wait只返回一次，也就只读一次，这样的话server的read缓冲区可能会有很多数据堆积，server读数据的时候可能读到的是上一次剩余的数据，并且只有client发的时候，epoll_wait才会通知server去读数据，边沿触发模式尽可能减少了epoll_wait的调用次数，缺点是数据有可能读不完导致堆积；

边沿非阻塞触发

效率最高

如何设置非阻塞

open()

设置flags

必须 O_WDRW | O_NONBLOCK

终端文件: /dev/tty

fcntl

int flag = fcntl(fd, F_GETFL);

flag |= O_NONBLOCK;

fcntl(fd, F_SETFL, flag);

如何将缓冲区的全部数据都读出？

while(recv() >?0)? ? ?{? ? ??printf();? ? ?}

当缓冲区数据读完之后, 返回值是否为0?

阻塞状态

数据读完之后，recv阻塞

非阻塞状态

强行读了一个没有数据的缓冲区(fd)，数据已经被读完了，因为是非阻塞，所以在while循环中recv还要继续读，导致返回-1

判断 errno == EAGAIN

示例

#include<stdio.h>#include<unistd.h>#include<stdlib.h>#include<sys/types.h>#include<string.h>#include<sys/socket.h>#include<arpa/inet.h>#include<ctype.h>#include<sys/epoll.h>#include<fcntl.h>#include<errno.h>
intmain(int?argc, constchar* argv[]){if(argc <?2)? ? {printf("eg: ./a.out portn");exit(1);? ? }structsockaddr_inserv_addr;socklen_t?serv_len =?sizeof(serv_addr);int?port =?atoi(argv[1]);
// 创建套接字int?lfd =?socket(AF_INET, SOCK_STREAM,?0);// 初始化服务器 sockaddr_in?memset(&serv_addr,?0, serv_len);? ? serv_addr.sin_family = AF_INET; ? ? ? ? ? ? ? ? ??// 地址族?? ? serv_addr.sin_addr.s_addr =?htonl(INADDR_ANY); ? ?// 监听本机所有的IP? ? serv_addr.sin_port =?htons(port); ? ? ? ? ? ?// 设置端口?// 绑定IP和端口? ??bind(lfd, (struct?sockaddr*)&serv_addr, serv_len);
// 设置同时监听的最大个数? ??listen(lfd,?36);printf("Start accept ......n");
structsockaddr_inclient_addr;socklen_t?cli_len =?sizeof(client_addr);
// 创建epoll树根节点int?epfd =?epoll_create(2000);// 初始化epoll树structepoll_eventev;
// 设置边沿触发? ? ev.events = EPOLLIN;?//监听的文件描述符没必要边沿触发，主要是通信的cfd? ? ev.data.fd = lfd;? ??epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, lfd, &ev);
structepoll_eventall[2000];while(1)? ? {// 使用epoll通知内核fd 文件IO检测int?ret =?epoll_wait(epfd, all,?sizeof(all)/sizeof(all[0]),?-1);printf("================== epoll_wait =============n");
// 遍历all数组中的前ret个元素for(int?i=0; i<ret; ++i)? ? ? ? {int?fd = all[i].data.fd;// 判断是否有新连接if(fd == lfd)? ? ? ? ? ? {// 接受连接请求int?cfd =?accept(lfd, (struct?sockaddr*)&client_addr, &cli_len);if(cfd ==?-1)? ? ? ? ? ? ? ? {? ? ? ? ? ? ? ? ? ??perror("accept error");exit(1);? ? ? ? ? ? ? ? }// 设置文件cfd为非阻塞模式int?flag =?fcntl(cfd, F_GETFL);? ? ? ? ? ? ? ? flag |= O_NONBLOCK;? ? ? ? ? ? ? ??fcntl(cfd, F_SETFL, flag);
// 将新得到的cfd挂到树上structepoll_eventtemp;// 设置边沿触发? ? ? ? ? ? ? ? temp.events = EPOLLIN | EPOLLET;? ? ? ? ? ? ? ? temp.data.fd = cfd;? ? ? ? ? ? ? ??epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, cfd, &temp);
// 打印客户端信息char?ip[64] = {0};printf("New Client IP: %s, Port: %dn",? ? ? ? ? ? ? ??inet_ntop(AF_INET, &client_addr.sin_addr.s_addr, ip,?sizeof(ip)),? ? ? ? ? ? ? ??ntohs(client_addr.sin_port));
? ? ? ? ? ? }else? ? ? ? ? ? {// 处理已经连接的客户端发送过来的数据if(!all[i].events & EPOLLIN)?? ? ? ? ? ? ? ? {continue;? ? ? ? ? ? ? ? }
// 读数据char?buf[5] = {0};int?len;// 循环读数据while( (len =?recv(fd, buf,?sizeof(buf),?0)) >?0?)? ? ? ? ? ? ? ? {// 数据打印到终端//不要用printf，因为printf如果找不到  n 字符会出现乱码，打印不出来等问题? ? ? ? ? ? ? ? ? ??write(STDOUT_FILENO, buf, len);// 发送给客户端? ? ? ? ? ? ? ? ? ??send(fd, buf, len,?0);? ? ? ? ? ? ? ? }if(len ==?0)? ? ? ? ? ? ? ? {printf("客户端断开了连接n");? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ret =?epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, fd,?NULL);if(ret ==?-1)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? {? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??perror("epoll_ctl - del error");exit(1);? ? ? ? ? ? ? ? ? ? }? ? ? ? ? ? ? ? ? ??close(fd);? ? ? ? ? ? ? ? }elseif(len ==?-1)? ? ? ? ? ? ? ? {//数据已经被读完了，因为是非阻塞，所以在while循环中recv还要继续读，导致返回-1if(errno == EAGAIN)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? {printf("缓冲区数据已经读完n");? ? ? ? ? ? ? ? ? ? }else? ? ? ? ? ? ? ? ? ? {//这才是真正的recv错误printf("recv error----n");exit(1);? ? ? ? ? ? ? ? ? ? }? ? ? ? ? ? ? ? }#if?0if(len ==?-1)? ? ? ? ? ? ? ? {? ? ? ? ? ? ? ? ? ??perror("recv error");exit(1);? ? ? ? ? ? ? ? }elseif(len ==?0)? ? ? ? ? ? ? ? {printf("client disconnected ....n");// fd从epoll树上删除? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ret =?epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, fd,?NULL);if(ret ==?-1)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? {? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??perror("epoll_ctl - del error");exit(1);? ? ? ? ? ? ? ? ? ? }? ? ? ? ? ? ? ? ? ??close(fd);
? ? ? ? ? ? ? ? }else? ? ? ? ? ? ? ? {// printf(" recv buf: %sn", buf);? ? ? ? ? ? ? ? ? ??write(STDOUT_FILENO, buf, len);? ? ? ? ? ? ? ? ? ??write(fd, buf, len);? ? ? ? ? ? ? ? }#endif? ? ? ? ? ? }? ? ? ? }? ? }
? ??close(lfd);return0;}