linux服务器开发之epoll的封装类实现

Posted 2021-11-07 linux大本营

推荐视频：

 全网最详细epoll讲解，6种epoll的设计，让你吊打面试官

网络原理tcp/udp，网络编程epoll/reactor，面试中正经“八股文”

c/c++ linux服务器开发学习地址：C/C++Linux服务器开发/后台架构师

关于epoll的原理，以及和poll、select、IOCP之间的比较，网上的资料很多，这些都属于I/O复用的实现方法，即可以同时监听发生在多个I/O端口（socket套接字描述符或文件描述符）的事件，并将事件从内核通知到用户区，实现对特定事件的响应处理，而epoll可认为是poll的改进版，在多个方面大幅度提高了性能（当然也是在监听描述符多、活跃描述符少的条件下）。

epoll的主要特点有以下几点：

• 1.支持一个进程打开最大数目的socket描述符，通常数目只受限于系统内存；
• 2.IO效率不随FD数目的增加而下降，它只对“活跃”的socket进行操作；
• 3.使用内存映射加速内核与用户空间的消息传递。

这里只是简单介绍了epoll的几个重要特征，总之，epoll的高性能使其在服务器网络连接层开发中应用的很广泛，包括很多开源的服务器框架底层也采用了epoll。下面我们主要来设计实现一个epoll操作封装类。

首先说明一下，epoll主要三个操作函数：

1. int epoll_create(int size);

创建一个epoll的句柄。自从linux2.6.8之后，size参数是被忽略的。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，它不同于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件，struct epoll_event结构如下：

typedef union epoll_data
{
pointer ptr;
int fd;
uint u32;
uint64 u64;
} epoll_data_t;

struct epoll_event
{
uint 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。

epoll_data_t是一个联合结构，64位大小，可以存fd。这里具体实现中我们存一个CEpollObject对象的指针，以确保epoll_wait从网络中接收到的消息确实是我们通过一个CEpollObject对象监听到的。

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

收集在epoll监控的事件中已经发送的事件。参数events是分配好的epoll_event结构体数组，epoll将会把发生的事件赋值到events数组中（events不可以是空指针，内核只负责把数据复制到这个events数组中，不会去帮助我们在用户态中分配内存）。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）。如果函数调用成功，返回对应I/O上已准备好的文件描述符数目，如返回0表示已超时。

【文章福利】需要C/C++ Linux服务器架构师学习资料加群812855908（资料包括C/C++，Linux，golang技术，内核，nginx，ZeroMQ，mysql，Redis，fastdfs，MongoDB，ZK，流媒体，CDN，P2P，K8S，Docker，TCP/IP，协程，DPDK，ffmpeg等）

Epoll封装类实现

设计思想：通过一个模板类实现向Epoll注册、修改和删除事件等操作，需要使用epoll类都必须走这个模块类，类似一种委托的功能回调模板类实例化对象的epoll监听事件响应处理操作，主要实现类：CEpollObjectInf、CEpoll和CEpollObject模板类。

CEpollObjectInf类的实现

主要功能：表达epoll_data_t的存储内容，以及提供对epoll_wait监听到的事件提供响应处理接口

实现代码：

#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/epoll.h>
#define INVAILD_SOKET (~0)
class CEpoll;
class CEpollObjectInf
{
    friend class CEpoll;
    protected:
        //这两个变量为CEpoll的WaitAndEvent中做对象合法检验，
        //如果是64位系统，则不要SOCKET变量
        CEpoll *m_pstEpoll;
        SOCKET m_iSocket;
    public:
        CEpollObjectInf()
            :m_pstEpoll(NULL),
            m_iSocket(INVAILD_SOKET )
            {}
        virtual CEpollObjectInf(){}
    protected:
        virtual void OnEpollEvent(int iEvent) = 0;
}

CEpoll类的实现

主要功能：封装epoll的各项操作

代码实现：

#define UINT64_MAKE(high, low) ((uint64)(((unsigned int)((low) & 0xFFFFFFFF)) | ((uint64)((unsigned int)((high) & 0xFFFFFFFF))) << 32))
#define UINT64_LOW(i) ((unsigned int)((uint64)(i) & 0xFFFFFFFF))
#define UINT64_HIGH(i) ((unsigned int)((uint64)(i) >> 32))
class CEpoll
{
    public:
        CEpoll()
            :m_kdpfd(0),
             m_size(0),
             m_iWaitSize(0),
             m_astEvents(0)
        {}
        virtual ~CEpoll()
        {
            Exit();
        }
    public:
        //初始化
        int Init(int iEpollSize, int iWaitSize)
        {
            m_size = iEpollSize;
            m_iWaitSize = iWaitSize;
            m_astEvents = new epoll_event[m_iWaitSize];
            if(!m_astEvents)
                return -1;
            m_kdpfd = epoll_create(m_size);
            if(m_kdpfd < 0)
                return -2;
            return 0;
        }
        /**
        *等待时间发生或超时
        *iTimeout 等待的超时时限单位毫秒
        *return <0 表示出错 =0表示超过时间 >0 表示收到并处理的事件个数
        **/
        int Wait(int iTimeOut)
        {
            return epoll_wait(m_kdpfd,m_astEvents,m_iWaitSize,iTimeOut);
        }
        /**
        *等待事件发生或超时，并调用方法
        *iTimeOut 等待超时时限，单位毫秒
        *return <0 表示出错 =0 表示没有 >0 表示收到并处理的事件个数
        */
        int WaitAndEvent(int iTimeOut)
        {
            int iEventCount = Wait(iTimeOut);
            if(iEventCount <0)
            {
                return iEventCount;
            }
            else if(iEventCount == 0) // 超时
            {
                return 0;
            }
            
            //一次最多处理1000个事件
            for(int i = 0;i < iEventCount && i < 1000; ++i)
            {
                //在64位系统下uData只能存放一个指针
                uint64 uData = GetData(i);
            #ifdef BIT64
                CEpollObjectInf *pstObjectPos = (CEpollObjectInf *)uData;
            #else
                CEpollObjectInf *pstObjectPos = (CEpollObjectInf *)(UINT64_LOW(uData));
            #endif
                
                uint uiEvent = GetEvent(i); //  event
                //判断对象是否合法
                if(pstObjectPos == NULL || pstObjectPos->m_pstEpoll != this)
                {
                    //不处理本次事件，继续处理下一个事件
                    continue;
                }
                pstObjectPos->OnEpollEvent(uiEvent);
            }
            return iEventCount;
        }
        
        uint64 GetData(int i) const
        {
            ASSERT(i < m_iWaitSize)
            return m_astEvents[i].data.u64;
        }
        
        uint GetEvent(int i) const
        {
            ASSERT(i < m_iWaitSize)
            return m_astEvents[i].events;
        }
        
        static bool IsInputEvent(int iEvent)
        {
            return (iEvent & EPOLLIN) != 0;
        }
        static bool IsOutputEvent(int iEvent) 
        { 
            return (iEvent & EPOLLOUT) != 0; 
        }
        static bool IsCloseEvent(int iEvent) 
        { 
            return (iEvent & (EPOLLHUP|EPOLLERR)) != 0; 
        }
        
        int Add(SOCKET s, uint64 data, uint event)
        {
            m_stEvent.events = event|EPOLLERR|EPOLLHUP;
            m_stEvent.data.u64 = data;
            int iRet = epoll_ctl(m_kdpfd,EPOLL_CTL_ADD,s,&m_stEvent);
            return iRet;
        }
        int Del(SOCKET s, uint64 data = 0, uint event = EPOLLIN)
        {
            m_stEvent.events = 0;
            m_stEvent.data.u64 = data;
            int iRet = epoll_ctl(m_kdpfd,EPOLL_CTL_DEL,s,&m_stEvent);
            return iRet;
        }
        int Mod(SOCKET s, uint64 data, uint event)
        {
            m_stEvent.events   = event|EPOLLERR|EPOLLHUP;
            m_stEvent.data.u64 = data;
            int iRet = epoll_ctl(m_kdpfd,EPOLL_CTL_MOD,s,&m_stEvent);
            return iRet;
        }
        
     protected:
        void Exit()
        {
            if(m_astEvents)
            {
               delete []m_astEvents;
               m_astEvents = 0;
            }
            if(m_kdpfd > 0)
            {
               close(m_kdpfd);
               mkdpfd = 0;
            }
       }
    protected:
        int                m_kdpfd;
        int                m_size;
        int                 m_iWaitSize;
        struct epoll_event *m_astEvents;
        struct epoll_event m_stEvent;
    
};

CEpollObject模版类的实现

主要功能：托管CEpoll类的具体操作，注册事件到Epoll，必须实例化CEpollObject模版类，并覆盖实现具体的事件处理函数，以回调不同对象对事件的处理函数。

代码实现：

template<typename Owner>        
class CEpollObject: public CEpollObjectInf
{
    friend class CEpoll;
    public:
        typedef void (Owner::*PF_EPOLL_EVENT)(CEpollObject *pstObject,Socket iSocket, int iEvnet);
    protected:
        Owner                  *m_pstOwner;
        PF_EPOLL_EVENT         m_pfEvent;
        unsigned int        m_iRegEvent;
    public:
        CEpollObject()
            :m_pstOwner(NULL),
             m_pfEvent(NULL),
             m_iRegEvent(0)
        {}
        virtual ~CEpollObject() {Unregister();}
        
        /**
        *注册到Epoll中
        **/
        int Register(Owner &stOwner, PF_EPOLL_EVENT pfEvent,CEpoll &stEpoll,SOCKET iSocket, unsigned int iRegEvent)
        {
            ASSERT(iSocket != INVALID_SOCKET && iRegEvent > 0 && pfEvent != NULL);
            int iRet = Unregister();
            if(iRet)
                return iRet;
            m_pstOwner = &stOwner;
            m_pstEpoll = &stEpoll;
            m_pfEvent  = pfEvent;
            m_iRegEvent = iRegEvent;
            m_iSocket   = iSocket;
            
            uint64 uData = CreateData(m_iSocket);
            iRet = m_pstEpoll->Add(m_iSocket,uData,m_iRegEvent);
            return iRet;
        }
        
        /**
        *更改关注的事件
        **/
        int ModRegEvent(int iRegEvent)
        {
            m_iRegEvent = iRegEvent;
            if(m_pstEpoll)
            {
                uint64 uData = CreateData(m_iSocket);
                return m_pstEpoll->Mod(m_iSocket,uData,m_iRegEvent);
            }
            return 0;
        }
        
    protected:
        virtual void OnEpollEvent(int iEvent)
        {
            ASSERT(m_pstOwner != NULL && m_pfEvent != NULL);
            (m_pstOwner->*m_pfEvent)(this,m_iSocket,iEvent);
        }
        
        int Unregister()
        {
            int iRet = 0;
            if(m_pstEpoll)
            {
                iRet = m_pstEpoll->Del(m_iSocket);
                m_pstEpoll = NULL;
            }
            m_pstOwner = NULL;
            m_pfEvent = NULL;
            m_iRegEvent = 0;
            m_iSocket = INVALID_SOCKET;
            return iRet;
        }
        uint64 CreateData(SOCKET iSocket)
        {
        #ifdef BIT64
            return (uint64)this;
        #else
            return UINT64_MAKE(iSocket, (unsigned int)this);
        #endif
        }
};