IO多路转接二
一、poll函数：IO多路复用的方式之一
1、接口：
int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
第一个参数为一个结构体指针，也可以理解为一个结构体数组，fds表示结构体的起始位置；第二个参数为描述结构体的元素个数；第三个参数为一个超时时间。
结构体里面的内容：
struct pollfd {
int fd; /* file descriptor */ 关注哪个文件描述符
short events; /* requested events */ 位图；关注文件描述符的哪种状态（读就绪，写就绪……）【输入参数】
short revents; /* returned events */ 位图；对应的文件描述符是读就绪还是写就绪……写到这个位置上【输出参数】
};
2、基于poll实现一个监控标准输入就绪的代码：将输入的内容打印出来，等待的过程交给poll来等待，read直接进行读写。
# include<stdio.h>
# include<poll.h>
# include<unistd.h>
int main()
{
//如果使用poll一次监控多个文件描述符，将下述fds改为一个数组的形式，下述为只监控一个文件描述符
struct pollfd fds;
fds.fd=0;//监控标准输入0号文件描述符
fds.events=POLLIN;//关注当前的文件描述符是哪种就绪的状态
while(1){
int ret=poll(&fds,1,0);//1:表示超时天数；0：表示为阻塞状态
if(ret<0){
perror("poll");
break;
}
//如果返回了，说明0号文件描述符就绪了
char buf[1024]={0};
ssize_t read_size=read(0,buf,sizeof(buf)-1);
if(read_size<0){
perror("read");
return 1;
}
if(read_size==0){
printf("read done!\n");
return 0;
}
buf[read_size]='\0';
printf("%s\n",buf);
}
return 0;
}
poll与select的对比：
a、select每次使用前都得重新设置监控描述符，poll也得设置
b、poll每次调用都要将内容拷贝到内核之中，拷贝的频繁程度相同，拷贝的数据量更大啦！poll一次拷贝一个结构体，开销反而更大了。
c、select每次调用时都得遍历文件描述符表，了解哪个文件描述符就绪……poll也得遍历，但是遍历的不是位图而是数组
d、poll唯一解决了select中的上限问题，select文件描述符上限是有限制的，对于poll，只要数组足够大，就可以放更多的文件描述符。poll把输入与输出用两个字段分开，使用时，更方便。
二、epoll（windows上没有epoll，Linux上才有）【相当于一个改进版本的poll】【高效的处理大量的文件】
1、epoll的系统调用（epoll有三个函数）
（1）创建一个epoll的句柄【文件描述符】：.
int epoll_create(int size);参数中的size没有任何意义，可以传任何值，主要是为了保证向前兼容
（2）epoll的事件注册函数：把文件描述符添加到epoll中，或者把某个文件描述符从epoll中删除
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
第一个参数epfd：对哪个epoll对象进行操作
第二个参数int op存在三个取值
EPOLL_CTL_ADD ：注册新的fd到epfd中；
EPOLL_CTL_MOD ：修改已经注册的fd的监听事件； 指定关注读就绪、写就绪……
EPOLL_CTL_DEL ：从epfd中删除一个fd； 第三个参数int fd
对哪个文件描述符进行修改
第四个参数struct epoll_event *event 结构体指针
struct epoll_event
{
uint32_t events;//当前的文件描述符关注哪一个事件（读就绪、写就绪还是异常就绪用按位或的方式放到events里面）
epoll_data_t data;//用户自定义的数据，根据需要放任何你想要的数据
}_EPOLL_PACKED;
epoll_data_t中：//根据用户的需要决定放指针；文件描述符；uint32还是uint64
typedef union epoll_data
{
void *ptr;
int fd;
uint32_t u32;
uint32_t u64;
}epoll_data_t;
events可以是以下几个宏的集合：
EPOLLIN : 表示对应的文件描述符可以读 (包括对端SOCKET正常关闭);
EPOLLOUT : 表示对应的文件描述符可以写;
EPOLLPRI : 表示对应的文件描述符有紧急的数据可读 (这里应该表示有带外数据到来);
EPOLLERR : 表示对应的文件描述符发生错误;
EPOLLHUP : 表示对应的文件描述符被挂断;
EPOLLET : 将EPOLL设为边缘触发(Edge Triggered)模式, 这是相对于水平触发(Level Triggered) 来说的. EPOLLONESHOT：只监听一次事件, 当监听完这次事件之后, 如果还需要继续监听这个socket的 话, 需要再次把这个socket加入到EPOLL队列里.
（3）epoll_wait等待（注册的动作和等待的动作分开，不同于poll和select）：会一直等待直到某些文件描述符关闭
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);
第一个参数：对哪个epoll对象进行等待
第二个参数：epoll_event这样的结构体指针，可以理解为一个数组，表示数组的首地址
第三个 参数：数组的元素个数
第四个参数：超时的时间，若为0则为非阻塞，立即返回；若为-1，则会永久阻塞
2、epoll在内核中的表现形式（工作原理）：创建一个epoll之后，每次调用一个Add就是把epoll加到集合之中。这个集合是一颗红黑树。通过一棵红黑树描述文件描述符。创建epoll相当于创建一个结构体，该结构体（a、红黑树：管理所有文件描述符的集合，包括每个文件描述符包含的事件的状态 b、就绪队列：一旦有某些文件描述符就绪，就会通过一个回调函数，把我们对应的节点的文件描述符放到就绪队列里。）就绪队列用来放置所有已经就绪的文件描述符，有了就绪队列后，上层代码里调用epoll_wait直接返回的结果，相当于直接把就绪队列取出来、返回。通过就绪队列可以快速知道哪些文件描述符是就绪的。回调函数是指先把函数注册到系统中，在适当的时机，由系统自动调用，这个函数什么时候调用由系统或框架自动调用，不是程序员干涉得了的。epoll函数内部存在内置的回调函数机制，只要发现某个红黑树的文件描述符就绪，就会自动触发回调函数，进而把文件描述符，以及相关信息放到就绪队列。如果没有回调函数，无法得知谁就绪，就得遍历，遍历麻烦。文件描述符就绪，先把就绪信息给网卡，网卡驱动告诉内核数据进入，内核根据数据调用对应节点的回调函数，从而把内容放到红黑树里面。若是没有回调函数，反复遍历这颗树，由于树比较大，整体的效率就会比较低。
实现epoll版本的TCP服务器：1、调用epoll_create创建一个epoll句柄; 2、调用epoll_ctl, 将要监控的文件描述符进行注册; 3、调用epoll_wait, 等待文件描述符就绪;
# include<stdio.h>
# include<string.h>
# include<stdlib.h>
# include<unistd.h>
# include<sys/socket.h>
# include<sys/epoll.h>
# include<netinet/in.h>
# include<arpa/inet.h>
typedef struct sockaddr sockaddr;
typedef struct sockaddr_in sockaddr_in;
typedef struct epoll_event epoll_event;
//初始化服务器
int serverInit(char *ip,short port)
{
int fd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
if(fd<0){
perror("socket");
return -1;
}
sockaddr_in addr;
addr.sin_family=AF_INET;
addr.sin_addr.s_addr=inet_addr(ip);
addr.sin_port=htons(port);
int ret=bind(fd,(sockaddr*)&addr,sizeof(addr));
if(ret<0){
perror("bind");
return -1;
}
ret=listen(fd,5);
if(ret<0){
perror("listen");
return -1;
}
return fd;
}
void ProcessListensock(int epoll_fd,int listen_sock)
{
//1、调用accept获取到new_sock
sockaddr_in peer;
socklen_t len=sizeof(peer);
int new_sock=accept(listen_sock,(sockaddr*)&peer,&len);
if(new_sock<0){
perro("accept");
return ;
}
//2、把new_sock加入到epoll之中
epoll_event event;
event.events=EPOLLIN;
event.data.fd=new_sock;//把epoll字段填充成文件描述符
//调用epoll_ctl添加
int ret=epoll_ctl(epoll_fd,EPOLL_CTL_ADD,new_sock,&event);
if(ret<0){
perror("epoll_ctl");
return ;
}
printf("[client %d] connect\n",new_sock);
return;
}
ProcessNewsock(int epoll_fd,int new_sock)
{
//1、直接从new_sock中读取数据
char buf[1024]={0};
ssize_t read_size=read(new_sock,buf,sizeof(buf)-1);
if(read_size<0){
perror("read");
return ;
}
if(read_size==0){
printf("read done!");
//关闭对应的new_sock
close(new_sock);
//把这个文件描述符从epoll删除
epoll_ctl(epoll_fd,EPOLL_CTL_DEL,new_sock,NULL);
printf("[client %d]disconnect\n",new_sock);
return;
}
buf[read_size]='\0';
//2、对数据进行处理，并且写回到new_sock
printf("[client %d] say %s\n",new_sock,buf);
write(new_sock,buf,strlen(buf));
return;
}
//使用epoll实现一个TCP版本的多连接echo_server
int main(int argc,char *argv[])
{
if(argc!=3){
printf("Usage./server [ip] [port]\n");
return 1;
}
//1、初始化服务器，创造listen_sock
int listen_sock=serverInit(argv[1],atoi(argv[2]));
if(listen_sock<0){
printf("serverInit failed\n");
return 1;
}
printf("serverInit OK\n");
//2、创建epoll对象
int epoll_fd=epoll_create(10);
if(epoll_fd<0){
perror("epoll_create failed\n");
return 1;
}
//3、把listen_sock添加到epoll对象中
epoll_event event;
event.events=EPOLLIN;//表示关心的事件是关于文件的读就绪
//event.data这是用户自定义的数据
event.data.fd=listen_sock;
int ret=epoll_ctl(epoll_fd,EPOLL_CTL_ADD,listen_sock,&event);//通过epoll_ctl把listen_sock加入,相当于
往红黑树中添加了一个键值对。以文件描述符作为key找到节点。
if(ret<0){
perror("epoll_ctl");
return 1;
}
//4、进入循环，等待文件描述符就绪
while(1){
struct epoll_event output_event[100];//放置缓存数据的缓冲区
int nfds=epoll_wait(epoll_fd,output_event,100,-1);//-1表示阻塞式的等待
if(nfds<0){ //返回到缓冲区中放了几个元素,有几个文件描述符，放几个元素
perror("epoll_wait");
continue;
}
//数组中数据来源就是内核中的就绪队列，就是把就绪队列里的内容拷贝来
//遍历所有的文件描述符
int i=0;
for(;i<nfds;++i){
//data是用户自定制的数据，这个数据前面赋值了当前的文件描述符的值，所以此处才能直接进行比较判定
if(output_event[i].data.fd==listen_sock){
//a、就绪的文件描述符是listen_sock
ProcessListensock(epoll_fd,listen_sock);
}else{
//b、就绪的文件描述符是new_sock
ProcessNewsock(epoll_fd,output_event[i].data.fd);
}
}
}
return 0;
}
进程中默认打开了3个文件描述符，默认为0，1，2；创建一个listen_sock文件描述符为3，client却显示为5。4是epoll_create创建的，epoll_create创建的句柄也是文件描述符，也回占据文件描述符表的一个位置，所以后续客户端连上之后，都是从5开始排序的。发送一个字符串，服务器端可以返回一个字符串。重新打开一个客户端，文件描述符会增加（client后跟的数字），显示建立连接，关闭客户端，显示断开连接。
epoll的优缺点（与select横向对比）：
a、文件描述符数目无上限: 通过epoll_ctl()来注册一个文件描述符, 内核中使用红黑树的数据结构来管 理所有需要监控的文件描述符.select中由于文件大小的限制，最多只能有固定数目的文件描述符，epoll底层是一颗红黑树，没加一个文件描述符即加一个节点，红黑树的大小取决于内存的大小，没有明显的上限。
b、基于事件的就绪通知方式: 一旦被监听的某个文件描述符就绪, 内核会采用类似于callback的回调机制, 迅速激活这个文件描述符. 这样随着文件描述符数量的增加, 也不会影响判定就绪的性能；【回调函数和文件描述符的大小没有关系】
c、维护就绪队列: 当文件描述符就绪, 就会被放到内核中的一个就绪队列中. 这样调用epoll_wait获取就绪文件描述符的时候, 只要取队列中的元素即可, 操作的时间复杂度是O(1)【避免遍历，与上述b配合】
d、从接口使用得角度讲：不必每次都重新设置要监控得文件描述符，使接口使用更方便，也能够避免频繁的用户态和内核态之间大量拷贝文件描述符结构。【有三个函数：有客户端建立链接就添加，有客户端断开连接就减少。就不用每次调用一次epoll_wait就得重新设置一次文件描述符，避免频繁进行数据拷贝和设置。select函数由于每次调用都得设置一次文件描述符，导致代码不方便、频繁得进行用户态和内核态得拷贝。】
5、判断下面这句话说的对么：epoll中使用了内存映射机制。
内存映射机制: 内核直接将就绪队列通过mmap的方式映射到用户态. 避免了拷贝内存这样的额外性能开销 。这种说法是不正确的。a、用户态看到的结果可能定义在栈上、堆上……是一个什么样的内存是不确定的。b、拷贝过程是不可避免的，需要把内核中的数据拷贝到用户空间内存中。
6、epoll的工作方式：
（1）水平触发LT（Level Triggered）【默认】
客户端给服务器端发送数据，服务器端按照epoll的方式处理数据，假设客户端给服务器端发送10k数据，由于服务器端采用epoll的方式进行处理，epoll_wait返回，并且返回文件描述符读就绪，然后从文件描述符中读数据，此时只读取1k数据，还剩下9k数据还在缓冲区中。对于水平触发模式，如果只读取了1k数据，再次进入epoll_wait的循环，epoll_wait会立刻返回，并且返回的信息是未读完的文件描述符的就绪状态。epool，select，poll的默认情况下都是LT，水平触发。
（2）边缘触发ET（Edge Triggered）
再次进入epoll_wait的时候，此时epoll_wait就不会返回了。【一次没有把数据读完，下次就不能再读了】。ET更严格，要求程序员每次在ET返回的时候都要所有的数据都一次性处理完。按照LT的方式，代码简单。ET也有效率更高的优点，因为一次处理完毕的效率更高。（高速模式：不要分多次处理数据，一次处理完）
使用ET模式的epoll最好将文件描述符设置为非阻塞，可以在一定程度上避免出错。例如：假设服务器收到一个10k的请求，会向客户端返回一个应答数据，如果客户端收不到应答，不会发送第二个10k请求：
6、epoll的使用模式：
epoll的高性能只是相对于select的。
对于多连接, 且多连接中只有一部分连接比较活跃时, 比较适合使用epoll。 只有少数的几个连接（阻塞式IO或者异步思想更合适）, 这种情况下用epoll就并不合适. 具体要根据需求和场景特点来决定使用哪种IO模型.
7、epoll中的惊群问题：
浙公网安备 33010602011771号