io多路复用之epoll

简介: io多路复用之epoll

1.什么是 epoll?

epoll是 Linux 内核提供的一种事件通知机制,用于管理大量文件描述符的I/O事件。它是目前在Linux系统上广泛使用的高性能事件驱动编程的关键组件之一,与传统的select和poll相比,epoll在处理大量并发连接时表现更出色。

2.epoll 原理

`epoll` 基于内核的事件通知机制,它的核心思想是:将文件描述符的状态变化注册到内核中,并通过回调机制通知应用程序。以下是`epoll`的核心原理:

1. 事件注册:

应用程序通过`epoll_ctl`系统调用将感兴趣的文件描述符(套接字)注册到`epoll`实例中。可以注册三种类型的事件:读、写、异常。

2. 事件通知:

当文件描述符上发生了注册的事件时,内核会将事件通知到`epoll`实例中。

3. 事件等待:

应用程序通过`epoll_wait`系统调用等待事件的发生。`epoll_wait`会阻塞进程,直到有事件发生或超时。

4. 事件处理:

一旦有事件发生,`epoll_wait`会返回,并将就绪的文件描述符以及事件类型传递给应用程序。

5. 应用程序处理事件:

应用程序处理事件并采取适当的操作。这可以是读取数据、写入数据、关闭连接等。

3.epoll 使用方法

基本的`epoll`使用方法:

1. 创建 epoll 实例:首先,需要创建一个`epoll`实例,使用`epoll_create`系统调用来完成。

int epollfd = epoll_create(1);

注意:

在使用epoll_create函数创建epoll实例时,参数的值通常被忽略,因此传递任何非负整数都可以,但这个值会影响epoll实例的大小,因此通常传递1或一个较小的正整数

在早期的Linux内核版本中,这个参数是用来指定epoll实例的大小的,它表示你希望监视的文件描述符的数量。但是自从Linux 2.6.8内核版本之后,内核会忽略这个参数,并会动态地调整epoll实例的大小以适应需要。

2. 注册事件:使用`epoll_ctl`来注册感兴趣的文件描述符和事件。

struct epoll_event event;
   event.events = EPOLLIN | EPOLLET; // 读事件,边缘触发模式
   event.data.fd = sockfd; // 要监视的文件描述符
   epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, sockfd, &event);
  • EPOLL_CTL_ADD:用于向 epoll 实例中添加新的文件描述符并注册事件。
  • EPOLL_CTL_MOD:用于修改已经注册的文件描述符的事件。
  • EPOLL_CTL_DEL:用于删除已经注册的文件描述符。

3. 等待事件:使用`epoll_wait`来等待事件的发生。

struct epoll_event events[MAX_EVENTS];
   int num_events = epoll_wait(epollfd, events, MAX_EVENTS, timeout);

timeout参数:

阻塞模式:如果将 timeout 参数设置为负数,例如 -1,那么 epoll_wait 将会一直阻塞,直到有事件发生为止。

非阻塞模式:如果将 timeout 参数设置为 0,那么 epoll_wait 将会立即返回,不管文件描述符的状态如何。

超时模式:如果将 timeout 参数设置为一个正整数,例如 timeout 毫秒,那么 epoll_wait 将等待指定的毫秒数,然后返回。如果在超时前没有事件发生,它将返回 0 表示超时。

4. 处理事件:根据`epoll_wait`返回的事件,执行相应的操作。

for (int i = 0; i < num_events; i++) {
       if (events[i].events & EPOLLIN) {
           // 可读事件处理
       }
       if (events[i].events & EPOLLOUT) {
           // 可写事件处理
       }
       // 其他事件处理
   }

5. 关闭 epoll 实例:在程序结束时,不要忘记关闭`epoll`实例。

close(epollfd);

4.优点和适用场景

高性能:`epoll`适用于高并发的网络服务器,可以有效处理数千甚至数百万个连接。

效率:与`select`和`poll`相比,`epoll`在处理大量文件描述符时效率更高,因为它使用了事件通知机制,而不需要遍历整个文件描述符集合。

支持边缘触发(Edge Triggered)模式:`epoll`支持边缘触发模式,可以在事件发生时通知应用程序,而不是在文件描述符处于就绪状态时通知。

适用于非阻塞套接字:`epoll`特别适用于与非阻塞套接字一起使用,以避免阻塞操作。

5.结论

`epoll`是一个强大的事件驱动编程工具,对于构建高性能、高并发的网络应用程序非常有用。通过了解其原理和使用方法,开发者可以更好地利用`epoll`来处理大量的并发连接,提高应用程序的性能和可伸缩性。

边缘触发ET和水平触发LT的区别

边缘触发(Edge Triggered)和水平触发(Level Triggered)是两种不同的事件触发模式,用于描述在多路复用机制中文件描述符何时被认为是就绪的。

边缘触发(Edge Triggered):

1. 边缘触发模式仅在文件描述符的状态发生变化时通知应用程序,而不是在文件描述符处于就绪状态时持续通知。

2. 当文件描述符从未就绪变为就绪时,边缘触发模式触发事件通知。

3. 应用程序需要显式处理事件,确保不错过任何事件,因为一旦事件触发,它不会被持续触发,除非文件描述符的状态再次发生变化。

4. 边缘触发通常需要更高的处理复杂性,因为应用程序需要追踪文件描述符的状态变化。

5. 适用于高性能应用,可以减少事件通知的频率,从而减轻处理压力。

水平触发(Level Triggered):

1. 水平触发模式在文件描述符处于就绪状态时持续通知应用程序。

2. 只要文件描述符仍然就绪,就会持续触发事件通知。

3. 应用程序不需要主动处理事件,只要文件描述符仍然就绪,事件通知会持续发生。

4. 水平触发通常更容易使用,因为应用程序无需追踪状态变化,只需要处理已就绪的文件描述符。

5. 可能导致频繁的事件通知,需要谨慎处理以避免性能问题。

选择边缘触发还是水平触发取决于应用程序的需求和性能考虑。边缘触发适用于需要高性能且需要精确追踪状态变化的情况,而水平触发适用于更简单的应用程序,可以更容易地处理事件通知。

学习demo:

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<fcntl.h>
#include<sys/epoll.h>
#define PORT 8848
#define POLL_SIZE 1024
#define BUFLEN 128
#define EVENT_SIZE 1024
int main(){
    int sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    struct sockaddr_in serveraddr;
    memset(&serveraddr,0,sizeof(struct sockaddr_in));
    serveraddr.sin_family=AF_INET;
    serveraddr.sin_port=htons(PORT);
    serveraddr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
    if(-1==bind(sockfd,(struct sockaddr*)&serveraddr,sizeof(serveraddr))){
        printf("bind failed\n");
        exit(1);
    }
    listen(sockfd,10);
    int epfd=epoll_create(1);//历史原因,参数大于0即可
    struct epoll_event ev;
    ev.events=POLLIN;
    ev.data.fd=sockfd;
    epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,sockfd,&ev); 
    struct epoll_event events[EVENT_SIZE]={0};
    while(1){
        int nready=epoll_wait(epfd,events,EVENT_SIZE,-1);//-1:阻塞 0:非阻塞 >0:等待固定时间
        //printf("nready:%d\n",nready);
        int i=0;
        for(;i<nready;i++){
            int connfd=events[i].data.fd;
            //printf("connfd:%d\n",connfd);
            if(sockfd==connfd){
                struct sockaddr_in clientaddr;
                socklen_t len=sizeof(clientaddr);
                int clientfd=accept(sockfd,(struct sockaddr*)&clientaddr,&len);
                if(clientfd==-1){
                    printf("accept failed\n");
                    continue;
                }
                printf("new client:%d\n",clientfd);
                ev.events=EPOLLIN;
                ev.data.fd=clientfd;
                epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,clientfd,&ev);
            }
            else if(events[i].events&EPOLLIN){
                char buffer[BUFLEN]={0};
                int ret=recv(connfd,buffer,BUFLEN-1,0);
                if(ret==0){
                    printf("client:%d closed\n",connfd);
                    epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_DEL,connfd,NULL);
                    close(connfd);
                    continue;
                }
                else if(ret>0){
                    buffer[ret]='\0';
                    printf("recv from client:%d  %s\n",connfd,buffer);
                    send(connfd,buffer,strlen(buffer),0);
                }
            }
        }
    }
    exit(0);
}
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