TCP/IP 网络编程

Posted 2020-10-01 yfceshi

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优于 select 的 epoll (I/O 复用)

select 速度慢的原因

• 调用select后针对全部文件描写叙述符的循环
• 每次调用函数时都须要向该函数传递监视对象信息

select并非把发生变化的文件描写叙述符单独集中到一起。而是通过观察作为监视对象的fd_set函数的变化，因此不能避免对全部监视对象的循环语句。

并且，监视对象变量会发生变化，在调用select函数之前要复制并保存原有信息。并在每次调用时传递新的监视对象信息。

传递新的监视对象信息是资源消耗的主要原因，由于每次都是向操作系统传递监视对象信息。

对程序负担非常大。

“为何要向操作系统传递监视对象信息呢？”

select须要监视套接字变化，而套接字属于操作系统全部，因此陷入内核态运行会导致非常大的上下文切换负担。

“仅向操作系统传递1次监视对象，监视范围或内容发生变化时仅仅通知发生变化的事项”，是不是非常棒的想法？？？

Linux支持的方式是epoll，Windows支持的方式是IDCP。

select 的长处

• server端接入者少
• 程序应该具有兼容性

实现 epoll 必要的函数和结构体

epoll 长处

• 无需编写以监视状态变化为目的的针对全部文件描写叙述符的循环语句
• 调用对应于select函数的epoll_wait函数时无需每次传递监视对象

epoll server端实现须要的3个函数

1. epoll_create: 创建保存epoll文件描写叙述符的空间（在操作系统中申请）
2. epoll_ctl: 向空间注冊（注销）文件描写叙述符
3. epoll_wait: 等待文件描写叙述符发生变化

struct epoll_event
{
    __uint32_t events;
    epoll_data_t data;
}

typedef union epoll_data
{
    void * ptr;
    int fd;
    __uint32_t u32;
    __uint64_t u64;
} epoll_data_t;

声明足够大的epoll_event结构体数组后，传递给epoll_wait函数，发生变化的文件描写叙述符信息将被填入该数组。

#include <sys/epoll.h>

int epoll_create(int size); // 成功返回 epoll 文件描写叙述符，失败返回 -1

~ size: epoll 实例的大小

调用该函数时创建的文件描写叙述符保存空间称为“epoll例程”。函数返回的文件描写叙述符主要用于区分epoll例程。

生成epoll例程后。应在其内部注冊监视对象文件描写叙述符。

#include <sys/epoll.h>

int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event * event); // 成功返回0。 失败返回-1

~ epdf: 用于注冊监视对象的epoll例程的文件描写叙述符
~ op: 用于指定监视对象的加入、删除和更改等操作
~ fd: 须要注冊的监视对象文件描写叙述符
~ event: 监视对象的事件类型

调用形式例如以下：

epoll_ctl(A, EPOLL_CTL_ADD, B, C);

epoll 例程A中注冊文件描写叙述符B,主要目的是监视參数C中的事件

epoll_ctl(A, EPOLL_CTL_DEL, B, NULL);

从epoll例程A中删除文件描写叙述符B

EPOLL_CTL_MOD：更改注冊的文件描写叙述符的关注事件发生情况

epoll_event结构体用于保存发生事件的文件描写叙述符集合。但也能够在epoll例程中注冊文件描写叙述符时。用于注冊关注的事件。

struct epoll_event event;
...
event.events = EPOLLIN; // 发生须要读取数据的情况时
event.data.fd = sockfd;
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, sockfd, &event);
...

上述代码将sockfd注冊到epoll例程epfd中。并在须要读取数据的情况下产生响应事件。

• EPOLL_IN: 须要读取数据的情况
• EPOLL_OUT: 输出缓冲为空。能够马上发送数据的情况
• EPOLLPRI: 收到OOB数据的情况
• EPOLLRDHUP: 断开连接或半关闭的情况
• EPOLLERR:错误发生的情况
• EPOLLET: 以边缘触发的方式得到事件通知
• EPOLLONESHOT: 发生一次事件后，对应文件描写叙述符不再收到事件通知。

#incude <sys/epoll.h>

int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout); // 成功返回发生事件的文件描写叙述符数。失败返回 -1

~ epdf: epoll 例程文件描写叙述符
~ events: 保存发生事件的文件描写叙述符集合的结构体地址值
~ maxevents: 第二个參数中保存的最大事件数
~ timeout: 以毫秒为单位的等待时间。-1 表示一直等待

使用方式例如以下：

int event_cnt;
struct epoll_event * ep_events;
...
ep_events = malloc(sizeof(struct epoll_event)*EPOLL_SIZE);
...
enent_cnt = epoll_wait(epfd, ep_events, EPOLL_SIZE, -1);
...

调用函数后。返回发生事件的文件描写叙述符数，同一时候在第二个參数指向的缓冲中保存发生事件的文件描写叙述符集合。

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

#define BUF_SIZE 100
#define EPOLL_SIZE 50
void error_handling(char *bug);

int main(int argc, char *argv[])
{
    int serv_sock, clnt_sock; //server端的套接字和client套接字
    struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr; //用于保存client和server端的地址信息
    socklen_t adr_sz;
    int str_len, i;
    char buf[BUF_SIZE]; //输入输出的缓冲区

    struct epoll_event *ep_events; // 保存发生事件的文件描写叙述符集合的结构体地址值
    struct epoll_event event; // 用于注冊须要对应的事件
    int epfd, event_cnt;

    if(argc != 2)
    {
        printf("Usage : %s <port> \n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0); // server端套接字
    memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
    serv_adr.sin_family = AF_INET;
    serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));

    if(bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1) // 绑定
        error_handling("bind() error");
    if(listen(serv_sock, 5) == -1) // 监听
        error_handling("listen() error");

    epfd = epoll_create(EPOLL_SIZE); // 创建epoll例程空间， 返回例程空间的文件描写叙述符
    ep_events = malloc(sizeof(struct epoll_event) * EPOLL_SIZE); // 申请空间给epoll_wait函数，发生事件的文件描写叙述符将写入这个数组中。
数组大小（50）和之前创建例程空间的大小同样

    event.events = EPOLLIN;
    event.data.fd = serv_sock;
    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, serv_sock, &event); // 将文件描写叙述符serv_sock加入到epoll例程epfd中，监视serv_sock的EPOLLIN事件

    while(1)
    {
        event_cnt = epoll_wait(epfd, ep_events, EPOLL_SIZE, -1); // 返回值是发生事件的文件描写叙述符个数，操作系统将其依次填充在epoll_event数组中
        if(event_cnt == -1)
        {
            puts("epoll_wait() error");
            break;
        }

        for(i=0; i<event_cnt; i++) 
        {
            // 这里要区分是server端套接字还是client套接字发生事件
            // server端发生事件那么要调用 accept 函数生成新的client套接字
            // client发生事件那么会是发生了读写请求，后面还会再区分一次
            // epoll 例程监视全部的套接字。仅仅能循环一遍才干发现发生事件的
            // 套接字是不是server端套接字
            if(ep_events[i].data.fd == serv_sock) // 发生事件的是server端套接字
            {
                adr_sz = sizeof(clnt_adr);
                clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr*)&clnt_adr, &adr_sz);
                event.events = EPOLLIN;
                event.data.fd = clnt_sock;
                epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, clnt_sock, &event); //复用 event 将新的client套接字加入进epoll 例程
                printf("connected client : %d \n", clnt_sock);
            }
            else // 发生事件的是client套接字，可是还要区分是读还是写
            {
                str_len = read(ep_events[i].data.fd, buf, BUF_SIZE);
                if(str_len == 0) // 没有读到数据。由于client请求关闭 FIN
 epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, ep_events[i].data.fd, NULL);
                    close(ep_events[i].data.fd);
                    printf("closed client : %d \n", ep_events[i].data.fd);
                }
                else // 读取到了数据。将数据回显
                {
                    write(ep_events[i].data.fd, buf, str_len);
                }
            }
        } // end for
    } // end while

    close(serv_sock);
    close(epfd); // epoll 例程空间也是文件描写叙述符
    return 0;
}

void error_handling(char *buf)
{
    fputs(buf, stderr);
    fputc(‘\n‘, stderr);
    exit(1);
}