Epoll 反应堆模型核心原理及代码讲解

Posted 2022-06-11 狱典司

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Epoll 反应堆模型核心原理及代码讲解相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

Epoll 反应堆模型核心原理及代码讲解

[Ⅰ] Epoll 原理及应用 && ET模式与LT模式

第一部分文章链接： Epoll 原理及应用 && ET模式与LT模式

[Ⅱ] Epoll 反应堆模型核心原理及代码讲解

一、反应堆核心原理

epoll反应堆模型的三个要素：

epoll ET模式
非阻塞轮询处理

struct epoll_event结构体中epoll_data_t联合体中的void *ptr指针 – 实现回调机制

结构体回顾：

【重要理解】该struct epoll_event结构体是可以理解为可（通过epoll——ctl()）挂载到内核的epoll监听红黑树上的结构体（类似深拷贝的机制）：

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

typedef union epoll_data 
	void *ptr;
	int fd;				// 该fd就是传入epoll_ctl()的对应监听事件的fd
	uint32_t u32;
	uint64_t u64;
 epoll_data_t;

联合体又叫共用体，联合体内的变量共同使用一片地址空间。

最基本的使用中，放入联合体中的值是fd，如下例伪代码：

/* int connfd 是accpt()返回的socket连接句柄 */
struct epoll_event event = 0, 0;
event.events = EPOLLIN;
event.data.fd = connfd;
epoll_ctl(efd, EPOLL_CTL_ADD, connfd, &event);
    
......  // 业务逻辑
    
while (1) 
    /*监听红黑树efd, 将满足的事件的文件描述符加至events数组中, 阻塞wait*/
    int nfd = epoll_wait(efd, events, MAX_EVENTS+1, -1);

    for (i = 0; i < nfd; i++) 
		/* 使用int类型, 接收联合体data的fd成员 */
		int readyfd = events[i].data.fd;  
    
 		...... // 业务逻辑

但反应堆模型不直接放入fd，而是放入一个自定义的结构体指针（强制转换成了void *类型），这样epoll_wait()返回的时候就可以取出之前存入的自定义结构体。

/* 用户自定义结构体 */
/* 描述就绪文件描述符相关信息 */
struct myevent_s 
    int fd;                                                 //要监听的文件描述符
    int events;                                             //对应的监听事件
    void *arg;                                              //泛型参数
    void (*call_back)(int fd, int events, void *arg);       //回调函数

    int status;                                             //是否在监听:1->在红黑树上(监听), 0->不在(不监听)
    char buf[BUFLEN];
    int len;
    long last_active;                                       //记录每次加入红黑树 g_efd 的时间值
;

...... // 业务逻辑

/* struct myevent_s *ev 是用户自定义结构体 */
struct epoll_event epv = 0, 0;
epv.events = ev->events = EPOLLIN;   		//EPOLLIN 或 EPOLLOUT
epv.data.ptr = ev;							// 注意这里不是epv.data.fd = connfd
epoll_ctl(efd, EPOLL_CTL_ADD, ev->fd, &epv)
    
...... // 业务逻辑
    
while(1) 
    
/*监听红黑树g_efd, 将满足的事件的文件描述符加至events数组中, 1秒没有事件满足, 返回 0*/
	int nfd = epoll_wait(g_efd, events, MAX_EVENTS+1, 1000);

	...... //出错处理
    
	for (i = 0; i < nfd; i++) 
		/*使用自定义结构体myevent_s类型指针, 接收 联合体data的void *ptr成员*/
		struct myevent_s *ev = (struct myevent_s *)events[i].data.ptr;  
    
 		...... // 业务逻辑

回调机制的实现：

在自定义结构体中存储指针函数，epoll_wait返回后取出events[i].data.ptr指向的自定义结构体，然后调用结构体中存储的回调函数：

struct myevent_s *ev = (struct myevent_s *)events[i].data.ptr;
...... //判断
ev->call_back(ev->fd, events[i].events, ev->arg);

二、反应堆模型示例

2.1 整体逻辑

socket、bind、listen – epoll_create 创建监听红黑树 – 返回 epfd
epoll_ctl() 向红黑树上添加一个listenfd（监听socket）
while(1)
- 【可选】每轮迭代监测100个连接，若存在超时连接（沉积用户）则主动关闭；
- epoll_wait() 监听 --> 对应监听fd有事件产生 --> 返回监听满足结构集（即struct epoll_event结构体数组）；
- 判断返回数组元素 :
  - lfd满足EPOLLIN事件（读事件） --> 回调acceptconn()函数（主要完成accept()的任务）
  acceptconn()函数：
  - 调用accept()接受新的连接，开启 cfd socket，置为非阻塞；
  - 从全局的自定义结构体数组struct myevent_s g_events[MAX_EVENTS+1]中找一个空闲元素ev ;
  - 调用eventset()函数将 cfd 和回调函数 senddata 写入 ev 中；
  - 调用eventadd()将全局的&ev作为struct epoll_event结构体的data联合体的void *ptr指针，设置监听EPOLLIN（读事件），挂载到epoll的监听红黑树上。
  - cfd满足EPOLLIN事件（读事件） --> 回调recvdata()函数（主要完成读操作）
  recvdata()函数：
  1. 调用epoll_ctl()和宏EPOLL_CTL_DEL 将cfd从红黑树上摘下;
  2. 处理输入，并将处理结构保存到用户自定义的结构体的char buf[BUFLEN]成员变量中;
  3. 更改监听事件为EPOLLOUT，更改cfd对应的回调函数为senddata()
  4. 调用epoll_ctl()和宏EPOLL_CTL_ADD 将cfd重新挂载到红黑树上;
  注意：
  
  严谨的来说，write也要通过监听机制确认是否可写，因为在实际网络环境中，假如通信对端存在半关闭的情况，或者滑动窗口满的情况，就无法成功wtrite数据。
  - cfd满足EPOLLOUT事件（写事件）–> 回调senddata()函数（主要完成写操作）
  senddata()函数：
  1. 调用epoll_ctl()和宏EPOLL_CTL_DEL 将cfd从红黑树上摘下;
  2. 将保存到在用户自定义的结构体的char buf[BUFLEN]中数据拷贝到cfd的发送缓冲区（即write()/send()函数）;
  3. 更改监听事件为EPOLLIN，更改cfd对应的回调函数为recvdata()
  4. 调用epoll_ctl()和宏EPOLL_CTL_ADD 将cfd重新挂载到红黑树上;
// while(1) end

2.2 重要函数讲解

① eventset()函数

声明：void eventset(struct myevent_s *ev, int fd, void (*call_back)(int, int, void *), void *arg)

功能：将自定义结构体 myevent_s 成员变量初始化

调用示例：

eventset(&g_events[MAX_EVENTS], lfd, acceptconn, &g_events[MAX_EVENTS]);
eventset(ev, fd, recvdata, ev);
eventset(ev, fd, senddata, ev);

void eventset(struct myevent_s *ev, int fd, void (*call_back)(int, int, void *), void *arg)

    ev->fd = fd;				// 待监听fd
    ev->call_back = call_back;	// 设置回调函数
    ev->events = 0;				// 监听事件由函数 eventadd()函数指定
    ev->arg = arg;				// ev的arg即ev中回调函数的参数，是ev本身（比较难理解，但这是关键）
    ev->status = 0;				// 结构体状态标记为"已占用"
    memset(ev->buf, 0, sizeof(ev->buf));	//清空结构体的char *缓冲区
    ev->len = 0;				// 将缓冲区数据长度置0
    ev->last_active = time(NULL); //调用eventset函数的时间（可选，用于断开沉积连接）
    return;

② eventadd()函数

声明：void eventadd(int efd, int events, struct myevent_s *ev)

功能：向 epoll监听的红黑树添加一个监听节点

调用示例：

eventadd(g_efd, EPOLLIN, &g_events[i]);
eventadd(g_efd, EPOLLIN, ev);
eventadd(g_efd, EPOLLOUT, ev);

/* eventadd(efd, EPOLLIN, &g_events[MAX_EVENTS]); */
void eventadd(int efd, int events, struct myevent_s *ev)

	/* 从自定义的结构体指针struct myevent_s *的变量ev中 提取数据到一个可以挂在到epoll监听红黑树上的struct epoll_event变量 epv上 */ 
    struct epoll_event epv = 0, 0;
    int op;
    
    epv.data.ptr = ev;
    epv.events = ev->events = events;  //EPOLLIN 或 EPOLLOUT

    if (ev->status == 0)      //已经在红黑树 g_efd 里
        op = EPOLL_CTL_ADD;    //将其加入红黑树 g_efd, 并将status置1
        ev->status = 1;
    

    if (epoll_ctl(efd, op, ev->fd, &epv) < 0)  	//实际添加
        printf("event add failed [fd=%d], events[%d]\\n", ev->fd, events);
    else
        printf("event add OK [fd=%d], op=%d, events[%0X]\\n", ev->fd, op, events);

    return ;

③ eventdel()函数

声明：void eventadd(int efd, int events, struct myevent_s *ev)

功能：从epoll监听的红黑树上摘除一个监听节点

调用示例：eventdel(g_efd, ev);

void eventdel(int efd, struct myevent_s *ev)
    //不在红黑树上
    if (ev->status != 1) 	return;
    
	//修改状态
    ev->status = 0;       
    
    //从红黑树 efd 上将 ev->fd 摘除
    epoll_ctl(efd, EPOLL_CTL_DEL, ev->fd, NULL);                
    
    return ;

④ acceptconn()函数

声明：void acceptconn(int lfd, int events, void *arg)

架构：

调用accept()接受新的连接，开启 cfd socket，置为非阻塞；
从全局的自定义结构体数组struct myevent_s g_events[MAX_EVENTS+1]中找一个空闲元素ev ;
调用eventset()函数将 cfd 和回调函数 senddata 写入 ev 中；
调用eventadd()将全局的&ev作为struct epoll_event结构体的data联合体的void *ptr指针，设置监听EPOLLIN（读事件），挂载到epoll的监听红黑树上。

/*  当lfd的读事件就绪, epoll返回, 调用该函数 与客户端建立链接 */
/* 在acceptconn内部去做accept */ 
void acceptconn(int lfd, int events, void *arg)

    struct sockaddr_in cin;
    socklen_t len = sizeof(cin);
    int cfd, i;

    if ((cfd = accept(lfd, (struct sockaddr *)&cin, &len)) == -1) 
        if (errno != EAGAIN && errno != EINTR) 
            /* 暂时不做出错处理 */
        
        printf("%s: accept, %s\\n", __func__, strerror(errno));
        return ;
    

    do 
        for (i = 0; i < MAX_EVENTS; i++)                                //从全局数组g_events中找一个空闲元素
            if (g_events[i].status == 0)                                //类似于select中找值为-1的元素
                break;                                                  //跳出 for

        if (i == MAX_EVENTS) 
            printf("%s: max connect limit[%d]\\n", __func__, MAX_EVENTS);
            break;                                                      //跳出do while(0) 不执行后续代码
        

        int flag = 0;
        if ((flag = fcntl(cfd, F_SETFL, O_NONBLOCK)) < 0)              //将cfd也设置为非阻塞
            printf("%s: fcntl nonblocking failed, %s\\n", __func__, strerror(errno));
            break;
        

        /* 给cfd设置一个 myevent_s 结构体, 回调函数 设置为 recvdata */
        eventset(&g_events[i], cfd, recvdata, &g_events[i]);   
        //将cfd添加到红黑树g_efd中,监听读事件
        eventadd(g_efd, EPOLLIN, &g_events[i]);                      
     while(0);

    printf("new connect [%s:%d][time:%ld], pos[%d]\\n", 
            inet_ntoa(cin.sin_addr), ntohs(cin.sin_port), g_events[i].last_active, i);
    return ;

⑤ recvdata()函数

声明：void recvdata(int fd, int events, void *arg)

架构：

调用epoll_ctl()和宏EPOLL_CTL_DEL 将cfd从红黑树上摘下;
处理输入，并将处理结构保存到用户自定义的结构体的char buf[BUFLEN]成员变量中;
更改监听事件为EPOLLOUT，更改cfd对应的回调函数为senddata()
调用epoll_ctl()和宏EPOLL_CTL_ADD 将cfd重新挂载到红黑树上;

void recvdata(int fd, int events, void *arg)

    struct myevent_s *ev = (struct myevent_s *)arg;
    int len;
    
    //将该节点从红黑树上摘除
    eventdel(g_efd, ev);        
    
	 //读文件描述符, 数据存入myevent_s成员buf中
    len = recv(fd, ev->buf, sizeof(ev->buf), 0);           

    if (len > 0) 
        ev->len = len;
        //手动添加字符串结束标记避免缓冲区溢出
        ev->buf[len] = '\\0';                               
        printf("C[%d]:%s\\n", fd, ev->buf);
        
		//设置该 fd 对应的回调函数为 senddata
        eventset(ev, fd, senddata, ev); 
         //将fd加入红黑树g_efd中,监听其写事件
        eventadd(g_efd, EPOLLOUT, ev);                     

     else if (len == 0) 
        close(ev->fd);
        /* ev-g_events 地址相减得到偏移元素位置 */
        printf("[fd=%d] pos[%ld], closed\\n", fd, ev-g_events);
     else 
        close(ev->fd);
        printf("recv[fd=%d] error[%d]:%s\\n", fd, errno, strerror(errno));
    

    return; 
    /* 如果配合线程池使用，期望的是线程结束任务之后返回线程池，而不是被系统回收资源，所以这部分的线程不能够设置分离属性 */

⑥ senddata()函数

声明：void senddata(int fd, int events, void *arg)

架构：

调用epoll_ctl()和宏EPOLL_CTL_DEL 将cfd从红黑树上摘下;
将保存到在用户自定义的结构体的char buf[BUFLEN]中数据拷贝到cfd的发送缓冲区（即write()/send()函数）;
更改监听事件为EPOLLIN，更改cfd对应的回调函数为recvdata()
调用epoll_ctl()和宏EPOLL_CTL_ADD 将cfd重新挂载到红黑树上;

void senddata(int fd, int events, void *arg)

    struct myevent_s *ev = (struct myevent_s *)arg;
    int len;
    //从红黑树g_efd中移除
    eventdel(g_efd, ev); 
	//直接将数据 回写给客户端。未作处理
    len = send(fd, ev->buf, ev->len, 0);    
	   
    if (len > 0) 
        printf("send[fd=%d], [%d]%s\\n", fd, len, ev->buf);
        //将该fd的 回调函数改为 recvdata
        eventset(ev, fd, recvdata, ev);   
        //从新添加到红黑树上， 设为监听读事件
        eventadd(g_efd, EPOLLIN, ev);                       
     else 
        close(ev->fd);                                      //关闭链接
        printf("send[fd=%d] error %s\\n", fd, strerror(errno));
    

    return ;

2.3 示例源码（Server端）

/*
 *epoll基于非阻塞I/O事件驱动
 */
#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>

#define MAX_EVENTS  1024                                    //监听上限数
#define BUFLEN 4096
#define SERV_PORT   8080

void recvdata(int fd, int events, void *arg);
void senddata(int fd, int events, void *arg);

/* 描述就绪文件描述符相关信息 */

struct myevent_s 
    int fd;                                                 //要监听的文件描述符
    int events;                                             //对应的监听事件
    void *arg;                                              //泛型参数
    void (*call_back)(int fd, int events, void *arg);       //回调函数
    int status;                                             //是否在监听:1->在红黑树上(监听), 0->不在(不监听)
    char buf[BUFLEN];
    int len;
    long last_active;                                       //记录每次加入红黑树 g_efd 的时间值
;

int g_efd;                                                  //全局变量, 保存epoll_create返回的文件描述符
struct myevent_s g_events[MAX_EVENTS+1];                    //自定义结构体类型数组. +1-->listen fd


/*将结构体 myevent_s 成员变量 初始化*/
/* eventset(&g_events[MAX_EVENTS], lfd, acceptconn, &g_events[MAX_EVENTS]); */ 
void eventset(struct myevent_s *ev, int fd, void (*call_back)(int, int, void *), void *arg)

    ev->fd = fd;
    ev->call_back = call_back;
    ev->events = 0;
    ev->arg = arg;
    ev->status = 0;
    memset(ev->buf, 0, sizeof(ev->buf));
    ev->len = 0;
    ev->last_active = time(NULL);                       //调用eventset函数的时间

    return;


/* 向 epoll监听的红黑树 添加一个 文件描述符 */
/* eventadd(efd, EPOLLIN, &g_events[MAX_EVENTS]); */
void eventadd(int efd, int events, struct myevent_s *ev)

	/* 从自定义的结构体指针struct myevent_s *的变量ev中 提取数据到一个可以挂在到epoll监听红黑树上的struct epoll_event变量 epv上 */ 
    struct epoll_event epv = 0, 0;
    int op;
    epv.data.ptr = ev;
    epv.events = ev->events = events;       //EPOLLIN 或 EPOLLOUT

    if (ev->status == 0)                                           //已经在红黑树 g_efd 里
        op = EPOLL_CTL_ADD;                 //将其加入红黑树 g_efd, 并将status置1
        ev->status = 1;
    

    if (epoll_ctl(efd, op, ev->fd, &epv) < 0)                       //实际添加/修改
        printf("event add failed [fd=%d], events[%d]\\n", ev->fd, events);
    else
        printf("event add OK [fd=%d], op=%d, events[%0X]\\n", ev->fd, op, events);

    return ;


/* 从epoll 监听的 红黑树中删除一个 文件描述符*/

void eventdel(int efd, struct myevent_s *ev)

    struct epoll_event epv = 0, 0以上是关于Epoll 反应堆模型核心原理及代码讲解的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章 
 I/O多路复用之——epoll原理详解及epoll反应堆(Reactor)模型
 Epoll 原理及应用 && ET模式与LT模式
 Epoll 原理及应用 && ET模式与LT模式
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 epoll 反应堆
 epoll与selectpoll区别