epoll高度封装reactor,几乎所有可见服务器的底层框架

Posted 2022-04-06 小杰312

目录

前言

reactor是什么,如何理解?

reactor所需组件流程分析

组件

流程

如何将epoll的IO驱动封装成reactor事件反应堆驱动

reactor分块分析实现

注册事件处理器部分流程

多路复用器监视多路IO事件

事件分发器分发事件给对应的处理器

 各种具体的事件处理器的分析

accept_cb :  新连接到来事件处理器

recv_cb ： 处理读事件的处理器 

send_cb  写事件处理器​

reactor整体代码以及测试结果

总结本章

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前言

• 亲爱的各位友友们, 小杰从今天开始就自己网络服务器开发方向所学的东西，边学边写随笔，这个系列从epoll 封装  reactor 作为开始, 从0 到 1，小杰也是一样的从0 到 1，小杰之前学习网络高级IO的时候，学会了select poll 和 epoll 等支持IO多路复用的系统调用，但是都是处在很浅显的部分.   做过一部分练习，也是根据接口来封装出最简单的服务器，但是这些都没有借鉴过源码的精华
• 所写的东西几乎都是根据自己的理解来写，但是小杰发现封装性不强，而且感觉写的东西很散，没有框架性，然后小杰为了想要走服务器开发方向，于是在网上找了一家机构进行系统的学习。 之后小杰会将所学尽数写成博文随笔，跟各位博友们相互分享讨论技术。   如果您看完小杰的博文觉得有所问题，请在评论区中给出您宝贵的意见，小杰会万分的感谢，  如果您觉得系列对自己有所帮助，麻烦关注下小杰，让我们共同学习进步

reactor是什么,如何理解?

• reactor是一种设计模式, 是服务器的重要模型, 框架：   是一种事件驱动的反应堆模式, 高效的事件处理模型
• reactor 反应堆:  事件来了，执行，事件类型可能不尽相同，所以我们需要提前注册好不同的事件处理函数.           事件到来就由  epoll_wait  获取同时到来的多个事件，并且根据数据的不同类型将事件分发给事件处理机制 (事件处理器)， 也就是我们提前注册的哪些接口函数
• 思考reactor模型的设计思想和思维方式：    它需要的是事件驱动，相应的事件发生，我们需要根据事件自动的调用相应的函数，所以我们需要提前注册好处理函数的接口到reactor中, 函数是由reactor去调用的，而不是再主函数中直接进行调用的, 所以我需要使用回调函数.     --------   本质：函数指针
• reactor中的  IO  使用的是select poll  epoll 这种多路复用IO,    以便提高 IO 事件的处理能力，提高IO事件处理效率，支持更高的并发    

reactor所需组件流程分析

Reactor 模式是处理并发 I/O 比较常见的一种模式，用于同步 I/O，中心思想是将所有要处理的 I/O 事件注册到一个 I/O 多路复用器上，同时主线程/进程阻塞在多路复用器上； 一旦有 I/O 事件到来或是准备就绪(文件描述符或 socket 可读、写)，多路复用器返回并将事先注册的相应 I/O 事件分发到对应的处理器中。

组件

• 多路复用器 ：由操作系统提供，在 linux 上一般是 select, poll, epoll 等系统调用

• 事件分发器 ：将多路复用器中返回的就绪事件分到对应的处理函数中，分发给事件处理器

• 事件处理器 ：处理对应的IO事件 

流程

1. 注册事件 和 对应的事件处理器
2. 多路复用器等待事件到来
3. 事件到来，激发事件分发器分发事件到对应的处理器
4. 事件处理器处理事件，然后注册新的事件,   （比如处理读事件，处理完成之后需要将其设置为写事件再注册，因为读取之后我们需要针对业务需求进行数据处理，之后将其send 回去响应客户端结果，所以自然需要改成写事件,也就需要从新注册）

如何将epoll的IO驱动封装成reactor事件反应堆驱动

• 其实现在流程还有运作方式已经清楚了，然后关键在于这个封装上了，IO事件fd应该如何封装，reactor又应该如何封装
• 首先事件我们需要接口API, 为了后序可以使用reactor进行调用api函数, 然后 fd 肯定也是需要的，然后为了便于数据的临时存储我们需要用户态的recvbuffer 和 sendbuffer, 然后用户态的两个缓冲区中数据所占的大小我们也需要封装进去,  why？ 因为 我们 send 和 recv的时候都需要传入这两个参数.  于是这样一分析大体框架出来了

• 这个回调函数我们应该如何设置？ 才能符合我们后序的需求?

首先我们肯定需要传入的是  fd 作为参数,   然后我们需要传入事件类型events   还有我们需要传入sockitem 结构体指针,   因为如果是读IO事件我们需要将从客户端读取的数据写入到sockitem的处在用户空间的recvbuffer中去, 以及如果是写IO事件我们需要将sockitem的处在用户空间的sendbuffer中的数据写回客户端

然后针对返回值我们设置为int类型即可， 所以接口设计为了如下结果,

• 然后就是针对reactor的封装了

首先我们肯定需要一个epoll句柄，所以epfd肯定需要封装进去，其次我们需要一个容器存储触发的IO事件，至此我们应该设置一个 sruct epoll_event events[512];在其中存储触发的IO事件,也就是将所有需要的全局数据封装成reactor

reactor分块分析实现

• 注册事件处理器部分流程

• 多路复用器监视多路IO事件

• 事件分发器分发事件给对应的处理器

•  各种具体的事件处理器的分析

accept_cb :  新连接到来事件处理器

recv_cb ： 处理读事件的处理器 

send_cb  写事件处理器

reactor整体代码以及测试结果

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>

typedef struct sockaddr SA;

#define BUFFSIZE 1024

struct sockitem 
	int sockfd;
	//事件处理器，处理函数回调接口
	int (*callback)(int fd, int events, void* arg);

	//读写函数
	char recvbuffer[BUFFSIZE];
	char sendbuffer[BUFFSIZE];
	//读写字节数
	int rlen;
	int slen;
;

struct reactor 
	int epfd;
	struct epoll_event events[512];
;

//定义全局的eventloop --> 事件循环
struct reactor* eventloop = NULL;

//申明这些事件处理器函数
int recv_cb(int fd, int events, void *arg);
int accept_cb(int fd, int events, void* arg);
int send_cb(int fd, int evnts, void* arg);


int recv_cb(int fd, int events, void *arg) 
	struct sockitem* si = (struct sockitem*)arg;
	struct epoll_event ev;//后面需要 

	//处理IO读事件
	int ret = recv(fd, si->recvbuffer, BUFFSIZE, 0);
	if (ret < 0) 
		if (errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK)  //
			return -1;
		 else 
			
		

		//出错了，从监视IO事件红黑树中移除结点，避免僵尸结点
		ev.events = EPOLLIN;
		epoll_ctl(eventloop->epfd, EPOLL_CTL_DEL, fd, &ev);

		close(fd);
		free(si);		

	 else if (ret == 0) 
		//对端断开连接
		printf("fd %d disconnect\\n", fd);

		ev.events = EPOLLIN;
		epoll_ctl(eventloop->epfd, EPOLL_CTL_DEL, fd, &ev);
		//close同一断开连接，避免客户端大量的close_wait状态
		close(fd);
		free(si);	

	 else 
		//打印接收到的数据
		printf("recv: %s, %d Bytes\\n", si->recvbuffer, ret);
		//设置sendbuffer
		si->rlen = ret;
		memcpy(si->sendbuffer, si->recvbuffer, si->rlen);
		si->slen = si->rlen;
		//注册写事件处理器
		struct epoll_event ev;
		ev.events = EPOLLOUT | EPOLLET;
	
		si->sockfd = fd;
		si->callback = send_cb;
		ev.data.ptr = si;

		epoll_ctl(eventloop->epfd, EPOLL_CTL_MOD, fd, &ev);
	



int accept_cb(int fd, int events, void* arg) 
	//处理新的连接。 连接IO事件处理流程
	struct sockaddr_in cli_addr;
	memset(&cli_addr, 0, sizeof(cli_addr));
	socklen_t cli_len = sizeof(cli_addr);

	int cli_fd = accept(fd, (SA*)&cli_addr, &cli_len);
	if (cli_fd <= 0) return -1;

	char cli_ip[INET_ADDRSTRLEN] = 0;	//存储cli_ip

	printf("Recv from ip %s at port %d\\n", inet_ntop(AF_INET, &cli_addr.sin_addr, cli_ip, sizeof(cli_ip)),
		ntohs(cli_addr.sin_port));
	//注册接下来的读事件处理器
	struct epoll_event ev;
	ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;
	struct sockitem* si = (struct sockitem*)malloc(sizeof(struct sockitem));
	si->sockfd = cli_fd;
	si->callback = recv_cb;//设置事件处理器

	ev.data.ptr = si;
	epoll_ctl(eventloop->epfd, EPOLL_CTL_ADD, cli_fd, &ev);

	return cli_fd;



int send_cb(int fd, int events, void* arg) 
	//处理send IO事件
	struct sockitem *si = (struct sockitem*)arg;
	send(fd, si->sendbuffer, si->slen, 0); 

	//再次注册IO读事件处理器
	struct epoll_event ev;
	ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;

	si->sockfd = fd;
	si->callback = recv_cb;//设置事件处理器
	ev.data.ptr = si;

	epoll_ctl(eventloop->epfd, EPOLL_CTL_MOD, fd, &ev);





int main(int argc, char* argv[]) 
	if (argc != 2) 
		fprintf(stderr, "uasge: %s <port>", argv[0]);
		return 1;
	

	int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	struct sockaddr_in serv_addr;
	int port = atoi(argv[1]);

	//确定服务端协议地址簇
	memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));
	serv_addr.sin_family = AF_INET;
	serv_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
	serv_addr.sin_port = htons(port);

	//进行绑定
	if (-1 == bind(sockfd, (SA*)&serv_addr, sizeof(serv_addr))) 
		fprintf(stderr, "bind error");
		return 2;
	

	if (-1 == listen(sockfd, 5)) 
		fprintf(stderr, "listen error");
		return 3;
	

	//init eventloop
	eventloop = (struct reactor*)malloc(sizeof(struct reactor));
	//创建epoll句柄.
	eventloop->epfd = epoll_create(1);
	//注册建立连接IO事件处理函数
	struct epoll_event ev;
	ev.events = EPOLLIN;
	struct sockitem* si = (struct sockitem*)malloc(sizeof(struct sockitem));
	si->sockfd = sockfd;
	si->callback = accept_cb;//设置事件处理器

	ev.data.ptr = si;
	//将监视事件加入到reactor的epfd中
	epoll_ctl(eventloop->epfd, EPOLL_CTL_ADD, sockfd, &ev);

	while (1) 
		//多路复用器监视多个IO事件
		int nready = epoll_wait(eventloop->epfd, eventloop->events, 512, -1);
		if (nready < -1) 
			break;
		

		int i = 0;
		//循环分发所有的IO事件给处理器
		for (i = 0; i < nready; ++i) 
			if (eventloop->events[i].events & EPOLLIN) 
				struct sockitem* si = (struct sockitem*)eventloop->events[i].data.ptr;
				si->callback(si->sockfd, eventloop->events[i].events, si);
			 

			if (eventloop->events[i].events & EPOLLOUT) 
				struct sockitem* si = (struct sockitem*)eventloop->events[i].data.ptr;
				si->callback(si->sockfd, eventloop->events[i].events, si);
			
		


	

	return 0;

总结本章

• 本章的核心是实现了一个网络经典模型，设计模式reactor 事件循环，事件驱动的反应堆模式.
• 组件: 事件处理器 ：回调函数callback    事件分发器  (将事件分发给对应的事件处理器), 多路复用器 (select poll epoll 等操作系统提供的多路复用技术)
• 流程：

1. 注册事件处理器，和书写事件处理函数
2.  多路复用监视多路IO事件的来临
3. 将触发的IO事件分发到对应的事件处理器中进行处理