Android Framework实战开发-跨进程通信之 epoll详细讲解

Posted 2021-10-23 Android高级知识分享官

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1、epoll出现的背景

首先了解2个基本概念：
阻塞IO（blocking IO）:
socket 的阻塞模式意味着必须要做完IO 操作（包括错误）才会返回。
非阻塞IO（blocking IO）:
非阻塞模式下无论操作是否完成都会立刻返回，需要通过其他方式来判断具体操作是否成功。
回想一下上节课我们的网络通信的demo：
针对Server端它做的事情如下：

 while(1) {
        cliun_len = sizeof(cliun);
        if ((connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&cliun, &cliun_len)) < 0){
            perror("accept error");
            continue;
        }
        printf("new client connect to server,client sockaddr === %s \\n",((struct sockaddr *)&cliun)->sa_data);
        while(1) {
            memset(buf,0,sizeof(buf));
            n = read(connfd, buf, sizeof(buf));
            if (n < 0) {
                perror("read error");
                break;
            } else if(n == 0) {
                printf("EOF\\n");
                break;
            }

            printf("received: %s\\n", buf);

            for(i = 0; i < n; i++) {
                buf[i] = toupper(buf[i]);
            }
            write(connfd, buf, n);
        }
        close(connfd);
    }

上面代码其实流程：
accept一直等待客户端连接
—>
客户端连接后，一直等待读取客户端发过来的数据
这里的accept和read默认一般都是一个阻塞的方法，即所谓的blocking IO，在调用read时候，会一直等到read到了数据才会进行返回。在没有数据这段时间那么程序就只能一直停留在read这个方法里面，不能继续执行下一步。
大家明显有没有发现一个问题，当前这个线程好像就只能服务一个客户端，但是真实的场景很可能有很多个客户端连接服务端，那这个时候服务端 是怎么做到和客户端同时通信的呢？你可以想到有哪些方法？
思路1、我们可以考虑针对一个客户端一个线程的方式，那样每个线程分别和一个客户端进行数据读取及回复，这种其实在客户端本身数量不会超过1-2个情况下是完全可以的，但是一旦客户端的数量一多呢？
假设有20个客户端与服务器进行通信，难道服务端还来20个线程，甚至更多20000个客户端呢？那不可能20000个线程吧

思路2、大家可能会想到read方法可以不可以做成那种 nonblocking IO 模式，在调用read时候，如果发现系统没有数据就立即返回，有数据就读取。这里告诉大家的是确实有这样的不阻塞模式。具体设置方法可以参考如下：
fcntl 函数可以将一个socket 句柄设置成非阻塞模式:

flags = fcntl(sockfd, F_GETFL, 0); //获取文件的flags值。 
fcntl(sockfd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK); 
//设置成非阻塞模式；
flags = fcntl(sockfd,F_GETFL,0);
fcntl(sockfd,F_SETFL,flags&~O_NONBLOCK); 
//设置成阻塞模式；

当read方法是非阻塞后，那么我们是不是可以一个线程里面不断的循环调用read各个客户端的数据，那么代码可能就变成这样：

while(1) {
	read(fd1...);//客户1
	read(fd2...);//客户2
	read(fd3...);//客户3
}

但以上方式也有一些严重问题：
如：当客户都没有数据时候，那么这个线程就一直在空跑，死循环的调用read数据，实际又还没有，白白浪费大量cpu，这里有同学会说那么while时候进行一个延时不就行了么？其实这种思路也是不行的，因为你没办法确认这个延时多少合适，如果小了一样耗费cpu，如果设置大了，那么就会造成接收数据的延时。

由于上述方案的种种缺点，引出了 I/O 多路复用技术（I/O multiplexing）。复用是指在同一个进程（线程）中，处理多路 I/O，多路指多个文件描述符。它核心思想收集进程感兴趣的全部描述符，然后调用一个函数，当这些描述符中的一个或多个准备好 I/O 时，函数返回并告知进程是哪些描述符准备好了。此时进程只需要去这些准备好的描述符上操作即可。这多路复用的在linux上具体实现方法目前使用最多的是select，poll，epoll。目前android系统中大部分都是epoll，所以这里就重点介绍epoll。

2、epoll主要方法

2、epoll接口

epoll操作过程需要三个接口，分别如下：

#include <sys/epoll.h>
int epoll_create(int size);
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);

（1） int epoll_create(int size);

创建一个epoll的句柄，size用来告诉内核这个监听的数目一共有多大。这个参数不同于select()中的第一个参数，给出最大监听的fd+1的值。需要注意的是，当创建好epoll句柄后，它就是会占用一个fd值，在linux下如果查看/proc/进程id/fd/，是能够看到这个fd的，所以在使用完epoll后，必须调用close()关闭，否则可能导致fd被耗尽。

（2）int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

epoll的事件注册函数，它不同与select()是在监听事件时告诉内核要监听什么类型的事件epoll的事件注册函数，它不同与select()是在监听事件时告诉内核要监听什么类型的事件，而是在这里先注册要监听的事件类型。第一个参数是epoll_create()的返回值，第二个参数表示动作，用三个宏来表示：
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；
EPOLL_CTL_DEL：从epfd中删除一个fd；
第三个参数是需要监听的fd，第四个参数是告诉内核需要监听什么事，struct epoll_event结构如下：

struct epoll_event {
  __uint32_t events;  /* Epoll events */
  epoll_data_t data;  /* User data variable */
};

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

等待事件的产生，类似于select()调用。参数events用来从内核得到事件的集合，maxevents告之内核这个events有多大，这个maxevents的值不能大于创建epoll_create()时的size，参数timeout是超时时间（毫秒，0会立即返回，-1将不确定，也有说法说是永久阻塞）。该函数返回需要处理的事件数目，如返回0表示已超时。

3、工作模式

epoll对文件描述符的操作有两种模式：LT（level trigger）和ET（edge trigger）。LT模式是默认模式，LT模式与ET模式的区别如下：

LT模式：当epoll_wait检测到描述符事件发生并将此事件通知应用程序，应用程序可以不立即处理该事件。下次调用epoll_wait时，会再次响应应用程序并通知此事件。

ET模式：当epoll_wait检测到描述符事件发生并将此事件通知应用程序，应用程序必须立即处理该事件。如果不处理，下次调用epoll_wait时，不会再次响应应用程序并通知此事件。

ET模式在很大程度上减少了epoll事件被重复触发的次数，因此效率要比LT模式高。epoll工作在ET模式的时候，必须使用非阻塞套接口，以避免由于一个文件句柄的阻塞读/阻塞写操作把处理多个文件描述符的任务饿死。

3、epoll的实战demo

服务端epoll：

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <stddef.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/un.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <ctype.h>
#include <sys/epoll.h>
#define MAXLINE 80

char *socket_path = "server-socket";

int main()
{
    struct sockaddr_un serun, cliun;
    socklen_t cliun_len;
    int listenfd, connfd, size;
    char buf[MAXLINE];
    int i, n;

    if ((listenfd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
        perror("socket error");
        exit(1);
    }

    memset(&serun, 0, sizeof(serun));
    serun.sun_family = AF_UNIX;
    strncpy(serun.sun_path,socket_path ,
                   sizeof(serun.sun_path) - 1);
    unlink(socket_path);
    if (bind(listenfd, (struct sockaddr *)&serun, sizeof(struct sockaddr_un)) < 0) {
        perror("bind error");
        exit(1);
    }
    printf("UNIX domain socket bound\\n");

    if (listen(listenfd, 20) < 0) {
        perror("listen error");
        exit(1);
    }
    printf("Accepting connections ...\\n");
     // 4. 创建epoll树
    int epfd = epoll_create(1000);
    if(epfd == -1)
    {
        perror("epoll_create");
        exit(-1);
    }
    //5、将用于监听的lfd挂的epoll树上（红黑树）
    struct epoll_event ev;//这个结构体记录了检测什么文件描述符的什么事件
    ev.events = EPOLLIN;
    ev.data.fd = listenfd;
    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, listenfd, &ev);//ev里面记录了检测lfd的什么事件
    // 循环检测 委托内核去处理
    struct epoll_event events[1024];//当内核检测到事件到来时会将事件写到这个结构体数组里


    while(1) {
        int num = epoll_wait(epfd, events, sizeof(events)/sizeof(events[0]), -1);//最后一个参数                                                                                                                                              表示阻塞
        for (int i = 0;i<num;i++) {
            if(events[i].data.fd == listenfd)//有连接请求到来
            {

                int len = sizeof(cliun);
                int connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&cliun, &len);
                if(connfd == -1)
                {
                    perror("accept");
                    exit(-1);
                }
                printf("a new client connected! \\n");
                //将用于通信的文件描述符挂到epoll树上
                ev.data.fd = connfd;
                ev.events = EPOLLIN;
                epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, connfd, &ev);
            } else {
                 //通信也有可能是写事件
                if(events[i].events & EPOLLOUT)
                {
                    //这里先忽略写事件
                    continue;
                }
                char buf[1024]={0};
                int count = read(events[i].data.fd, buf, sizeof(buf));
                if(count == 0)//客户端关闭了连接
                {
                    printf("客户端关闭了连接。。。。\\n");
                    //将对应的文件描述符从epoll树上取下
                    close(events->data.fd);
                    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, events->data.fd, NULL);
                }
                else
                {
                    if(count == -1)
                    {
                        perror("read");
                        exit(-1);
                    }
                    else
                    {
                        //正常通信
                        printf("client say: %s\\n" ,buf);
                        write(events[i].data.fd, buf, strlen(buf)+1);
                    }
                }

            }

        }
    }
    close(listenfd);
    return 0;
}

客户端的epoll实现：

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <stddef.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/un.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#define MAXLINE 80

char *client_path = "client-socket";
char *server_path = "server-socket";

int main() {
        struct  sockaddr_un cliun, serun;
        int len;
        char buf[100];
        int sockfd, n;

        if ((sockfd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0)) < 0){
                perror("client socket error");
                exit(1);
        }
//    signal(SIGPIPE, SIG_IGN);
    memset(&serun, 0, sizeof(serun));
    serun.sun_family = AF_UNIX;
    strncpy(serun.sun_path,server_path ,
                   sizeof(serun.sun_path) - 1);
    if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&serun, sizeof(struct sockaddr_un)) < 0){
        perror("connect error");
        exit(1);
    }
    printf("please input send char:");
    while(fgets(buf, MAXLINE, stdin) != NULL) {
         write(sockfd, buf, strlen(buf));
         n = read(sockfd, buf, MAXLINE);
         if ( n <= 0 ) {
            printf("the other side has been closed.\\n");
            break;
         }else {
            printf("received from server: %s \\n",buf);
         }
         printf("please input send char:");
    }
    printf("end server  date");
    close(sockfd);
    return 0;
}