第 17 章 優(yōu)于 select 的 epoll

17.1 epoll 理解及應(yīng)用

????????select 復(fù)用方法由來已久，因此，利用該技術(shù)后，無論如何優(yōu)化程序性能也無法同時(shí)介入上百個(gè)客戶端。這種 select 方式并不適合以 web 服務(wù)器端開發(fā)為主流的現(xiàn)代開發(fā)環(huán)境，所以需要學(xué)習(xí) Linux 環(huán)境下的 epoll。

基于 select 的 I/O 復(fù)用技術(shù)速度慢的原因：

????????第 12 章實(shí)現(xiàn)了基于 select 的 I/O 復(fù)用技術(shù)服務(wù)端，其中有不合理的設(shè)計(jì)如下：

• 調(diào)用 select 函數(shù)后常見的針對(duì)所有文件描述符的循環(huán)語句。
• 每次調(diào)用 select 函數(shù)時(shí)都需要向該函數(shù)傳遞監(jiān)視對(duì)象信息。

????????調(diào)用 select 函數(shù)后，并不是把發(fā)生變化的文件描述符單獨(dú)集中在一起，而是通過作為監(jiān)視對(duì)象的 fd_set 變量的變化，找出發(fā)生變化的文件描述符。因此無法避免針對(duì)所有監(jiān)視對(duì)象的循環(huán)語句。而且，作為監(jiān)視對(duì)象的 fd_set 會(huì)發(fā)生變化，所以調(diào)用 select 函數(shù)前應(yīng)該復(fù)制并保存原有信息，并在每次調(diào)用 select 函數(shù)時(shí)傳遞新的監(jiān)視對(duì)象信息。

????????select 性能上最大的弱點(diǎn)是：每次傳遞監(jiān)視對(duì)象信息。準(zhǔn)確的說，select 是監(jiān)視套接字變化的函數(shù)。而套接字是操作系統(tǒng)管理的，所以 select 函數(shù)要借助操作系統(tǒng)才能完成功能。select 函數(shù)的這一缺點(diǎn)可以通過如下方式彌補(bǔ)：

????????僅向操作系統(tǒng)傳遞一次監(jiān)視對(duì)象，監(jiān)視范圍或內(nèi)容發(fā)生變化時(shí)只通知發(fā)生變化的事項(xiàng)。

????????這樣就無需每次調(diào)用 select 函數(shù)時(shí)都向操作系統(tǒng)傳遞監(jiān)視對(duì)象信息，但是前提操作系統(tǒng)支持這種處理方式。Linux 的支持方式是 epoll ，Windows 的支持方式是 IOCP。

select 也有優(yōu)點(diǎn)：

????????select 的兼容性比較高，這樣就可以支持很多的操作系統(tǒng)，不受平臺(tái)的限制，滿足以下兩個(gè)條件使可以使用 select 函數(shù)：

• 服務(wù)器接入者少
• 程序應(yīng)該具有兼容性

實(shí)現(xiàn) epoll 時(shí)必要的函數(shù)和結(jié)構(gòu)體：

????????能夠克服 select 函數(shù)缺點(diǎn)的 epoll 函數(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)正好與之前的 select 函數(shù)缺點(diǎn)相反。

• 無需編寫以監(jiān)視狀態(tài)變化為目的的針對(duì)所有文件描述符的循環(huán)語句
• 調(diào)用對(duì)應(yīng)于 select 函數(shù)的 epoll_wait 函數(shù)時(shí)無需每次傳遞監(jiān)視對(duì)象信息。

????????下面是 epoll 函數(shù)的功能：

• epoll_create：創(chuàng)建保存 epoll 文件描述符的空間
• epoll_ctl：向空間注冊(cè)并注銷文件描述符
• epoll_wait：與 select 函數(shù)類似，等待文件描述符發(fā)生變化

????????select 函數(shù)中為了保存監(jiān)視對(duì)象的文件描述符，直接聲明了 fd_set 變量，但 epoll 方式下的操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)保存監(jiān)視對(duì)象文件描述符，因此需要向操作系統(tǒng)請(qǐng)求創(chuàng)建保存文件描述符的空間，此時(shí)用的函數(shù)就是 epoll_create 。

????????此外，為了添加和刪除監(jiān)視對(duì)象文件描述符，select 方式中需要 FD_SET、FD_CLR 函數(shù)。但在 epoll 方式中，通過 epoll_ctl 函數(shù)請(qǐng)求操作系統(tǒng)完成。

????????最后，select 方式下調(diào)用 select 函數(shù)等待文件描述符的變化，而 epoll方式則調(diào)用 epoll_wait 函數(shù)。

????????select 方式中通過 fd_set 變量查看監(jiān)視對(duì)象的狀態(tài)變化，而 epoll 方式通過如下結(jié)構(gòu)體 epoll_event 將發(fā)生變化的文件描述符單獨(dú)集中在一起。下面為其結(jié)構(gòu)體：

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;

????????聲明足夠大的 epoll_event 結(jié)構(gòu)體數(shù)組候，傳遞給 epoll_wait 函數(shù)時(shí)，發(fā)生變化的文件描述符信息將被填入數(shù)組。因此，無需像 select 函數(shù)那樣針對(duì)所有文件描述符進(jìn)行循環(huán)。

epoll_create：

????????下面是 epoll_create 函數(shù)的原型：

#include <sys/epoll.h>
int epoll_create(int size);
/*
成功時(shí)返回 epoll 的文件描述符，失敗時(shí)返回 -1
size：epoll 實(shí)例的大小
*/

????????調(diào)用 epoll_create 函數(shù)時(shí)創(chuàng)建的文件描述符保存空間稱為「epoll 例程」，但有些情況下名稱不同，需要稍加注意。通過參數(shù) size 傳遞的值決定 epoll 例程的大小，但該值只是向操作系統(tǒng)提出的建議。換言之，size 并不用來決定 epoll 的大小，而僅供操作系統(tǒng)參考。

（Linux 2.6.8 之后的內(nèi)核將完全忽略傳入 epoll_create 函數(shù)的 size 函數(shù)，因此內(nèi)核會(huì)根據(jù)情況調(diào)整 epoll 例程大小。）

????????epoll_create 函數(shù)創(chuàng)建的資源與套接字相同，也由操作系統(tǒng)管理。因此，該函數(shù)和創(chuàng)建套接字的情況相同，也會(huì)返回文件描述符，也就是說返回的文件描述符主要用于區(qū)分 epoll 例程。需要終止時(shí)，與其他文件描述符相同，也要調(diào)用 close 函數(shù)。

epoll_ctl：

????????生成例程后，應(yīng)在其內(nèi)部注冊(cè)監(jiān)視對(duì)象文件描述符，此時(shí)使用 epoll_ctl 函數(shù)。

#include <sys/epoll.h>
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
/*
成功時(shí)返回 0 ，失敗時(shí)返回 -1
epfd：用于注冊(cè)監(jiān)視對(duì)象的 epoll 例程的文件描述符
op：用于指定監(jiān)視對(duì)象的添加、刪除或更改等操作
fd：需要注冊(cè)的監(jiān)視對(duì)象文件描述符
event：監(jiān)視對(duì)象的事件類型
*/

????????與其他 epoll 函數(shù)相比，該函數(shù)看起來有些復(fù)雜，但通過調(diào)用語句就很容易理解，假設(shè)按照如下形式調(diào)用 epoll_ctl 函數(shù)：

epoll_ctl(A,EPOLL_CTL_ADD,B,C);

????????第二個(gè)參數(shù) EPOLL_CTL_ADD 意味著「添加」，上述語句有如下意義：

epoll 例程 A 中注冊(cè)文件描述符 B ，主要目的是為了監(jiān)視參數(shù) C 中的事件。

????????再介紹一個(gè)調(diào)用語句：

epoll_ctl(A,EPOLL_CTL_DEL,B,NULL);

????????上述語句中第二個(gè)參數(shù)意味著「刪除」，有以下含義：

從 epoll 例程 A 中刪除文件描述符 B。

????????從上述示例中可以看出，從監(jiān)視對(duì)象中刪除時(shí)，不需要監(jiān)視類型，因此向第四個(gè)參數(shù)可以傳遞為 NULL。

????????下面是第二個(gè)參數(shù)的類型及其含義：

• EPOLL_CTL_ADD：將文件描述符注冊(cè)到 epoll 例程
• EPOLL_CTL_DEL：從 epoll 例程中刪除文件描述符
• EPOLL_CTL_MOD：更改注冊(cè)的文件描述符的關(guān)注事件發(fā)生情況

????????epoll_event 結(jié)構(gòu)體用于保存事件的文件描述符結(jié)合。但也可以在 epoll 例程中注冊(cè)文件描述符時(shí)，用于注冊(cè)關(guān)注的事件。該函數(shù)中 epoll_event 結(jié)構(gòu)體的定義并不顯眼，因此通過調(diào)用語句說明該結(jié)構(gòu)體在 epoll_ctl 函數(shù)中的應(yīng)用。

struct epoll_event event;
...
event.events=EPOLLIN;//發(fā)生需要讀取數(shù)據(jù)的情況時(shí)
event.data.fd=sockfd;
epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,sockfd,&event);
...

????????上述代碼將sockfd 注冊(cè)到 epoll 例程 epfd 中，并在需要讀取數(shù)據(jù)的情況下產(chǎn)生相應(yīng)事件。接下來給出 epoll_event 的成員 events 中可以保存的常量及所指的事件類型。

• EPOLLIN：需要讀取數(shù)據(jù)的情況
• EPOLLOUT：輸出緩沖為空，可以立即發(fā)送數(shù)據(jù)的情況
• EPOLLPRI：收到 OOB 數(shù)據(jù)的情況
• EPOLLRDHUP：斷開連接或半關(guān)閉的情況，這在邊緣觸發(fā)方式下非常有用
• EPOLLERR：發(fā)生錯(cuò)誤的情況
• EPOLLET：以邊緣觸發(fā)的方式得到事件通知
• EPOLLONESHOT：發(fā)生一次事件后，相應(yīng)文件描述符不再收到事件通知。因此需要向 epoll_ctl 函數(shù)的第二個(gè)參數(shù)傳遞 EPOLL_CTL_MOD ，再次設(shè)置事件。

????????可通過位或運(yùn)算同時(shí)傳遞多個(gè)上述參數(shù)。

epoll_wait：

????????下面是函數(shù)原型：

#include <sys/epoll.h>
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);
/*
成功時(shí)返回發(fā)生事件的文件描述符個(gè)數(shù)，失敗時(shí)返回 -1
epfd : 表示事件發(fā)生監(jiān)視范圍的 epoll 例程的文件描述符
events : 保存發(fā)生事件的文件描述符集合的結(jié)構(gòu)體地址值
maxevents : 第二個(gè)參數(shù)中可以保存的最大事件數(shù)
timeout : 以 1/1000 秒為單位的等待時(shí)間，傳遞 -1 時(shí)，一直等待直到發(fā)生事件
*/

????????該函數(shù)調(diào)用方式如下。需要注意的是，第二個(gè)參數(shù)所指緩沖需要?jiǎng)討B(tài)分配。

int event_cnt;
struct epoll_event *ep_events;
...
ep_events=malloc(sizeof(struct epoll_event)*EPOLL_SIZE);//EPOLL_SIZE是宏常量
...
event_cnt=epoll_wait(epfd,ep_events,EPOLL_SIZE,-1);
...

????????調(diào)用函數(shù)后，返回發(fā)生事件的文件描述符個(gè)數(shù)，同時(shí)在第二個(gè)參數(shù)指向的緩沖中保存發(fā)生事件的文件描述符集合。因此，無需像 select 一樣插入針對(duì)所有文件描述符的循環(huán)。

基于 epoll 的回聲服務(wù)器端：

????????下面是帶詳細(xì)注釋的回聲服務(wù)器端的代碼：

#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 *message);

int main(int argc, char *argv[])
{
    int serv_sock, clnt_sock;
    struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;
    socklen_t adr_sz;
    int str_len, i;
    char buf[BUF_SIZE];

    struct epoll_event *ep_events;
    struct epoll_event event;
    int epfd, event_cnt;

    if (argc != 2)
    {
        printf("Usage : %s <port> \n", argv[0]);
        exit(1);
    }
    // 創(chuàng)建服務(wù)器套接字
    serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    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]));
    // 綁定套接字到指定地址和端口
    if (bind(serv_sock, (struct sockaddr *)&serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1)
        error_handling("bind() error");
    // 監(jiān)聽套接字
    if (listen(serv_sock, 5) == -1)
        error_handling("listen() error");
    // 創(chuàng)建 epoll 實(shí)例
    epfd = epoll_create(EPOLL_SIZE); //可以忽略這個(gè)參數(shù)，填入的參數(shù)為操作系統(tǒng)參考
    ep_events = malloc(sizeof(struct epoll_event) * EPOLL_SIZE);
    // 將服務(wù)器套接字加入 epoll 監(jiān)聽
    event.events = EPOLLIN; //需要讀取數(shù)據(jù)的情況
    event.data.fd = serv_sock;
    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, serv_sock, &event); //例程epfd 中添加文件描述符 serv_sock，目的是監(jiān)聽 enevt 中的事件

    while (1)
    {
        event_cnt = epoll_wait(epfd, ep_events, EPOLL_SIZE, -1); //獲取改變了的文件描述符，返回?cái)?shù)量
        if (event_cnt == -1)
        {
            puts("epoll_wait() error");
            break;
        }

        for (i = 0; i < event_cnt; i++)
        {
            // 如果是服務(wù)器套接字的事件
            if (ep_events[i].data.fd == serv_sock) //客戶端請(qǐng)求連接時(shí)
            {
                adr_sz = sizeof(clnt_adr);
                // 接受客戶端連接
                clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr *)&clnt_adr, &adr_sz);
                event.events = EPOLLIN;
                event.data.fd = clnt_sock; //把客戶端套接字添加進(jìn)去
                epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, clnt_sock, &event);
                printf("connected client : %d \n", clnt_sock);
            }
            else //是客戶端套接字時(shí)
            {
                str_len = read(ep_events[i].data.fd, buf, BUF_SIZE);
                if (str_len == 0)
                {
                    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, ep_events[i].data.fd, NULL); //從epoll中刪除套接字
                    close(ep_events[i].data.fd);
                    printf("closed client : %d \n", ep_events[i].data.fd);
                }
                else // 讀取數(shù)據(jù)并回傳給客戶端
                {
                    write(ep_events[i].data.fd, buf, str_len);
                }
            }
        }
    }
    // 關(guān)閉套接字和 epoll 實(shí)例
    close(serv_sock);
    close(epfd);

    return 0;
}

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

? ? ? ? 實(shí)驗(yàn)略。運(yùn)行結(jié)果和以前 select 實(shí)現(xiàn)的和 fork 實(shí)現(xiàn)的結(jié)果一樣，都可以支持多客戶端同時(shí)運(yùn)行。但是運(yùn)用?epoll 效率高于 select。

? ? ? ? 下面總結(jié)一下epoll的流程：

1. 創(chuàng)建套接字：首先，創(chuàng)建一個(gè)套接字（一般是服務(wù)器套接字），用于監(jiān)聽連接請(qǐng)求或數(shù)據(jù)傳輸。

2. 創(chuàng)建 epoll 實(shí)例：通過調(diào)用 epoll_create() 函數(shù)創(chuàng)建一個(gè) epoll 實(shí)例，用于管理文件描述符的事件。

3. 注冊(cè)事件：將要監(jiān)聽的套接字（文件描述符）注冊(cè)到 epoll 實(shí)例中，通過調(diào)用 epoll_ctl() 函數(shù)，并設(shè)置感興趣的事件類型（如讀事件、寫事件等）以及相關(guān)的數(shù)據(jù)（如文件描述符本身）。

4. 進(jìn)入事件循環(huán)：進(jìn)入一個(gè)循環(huán)，在循環(huán)中調(diào)用 epoll_wait() 函數(shù)來等待事件的發(fā)生。epoll_wait() 會(huì)阻塞程序直到有事件發(fā)生或超時(shí)。

5. 處理事件：一旦有事件發(fā)生，epoll_wait() 函數(shù)會(huì)返回發(fā)生事件的文件描述符集合。在事件循環(huán)內(nèi)，遍歷這些事件，根據(jù)文件描述符的類型進(jìn)行不同的處理：

   • 如果是服務(wù)器套接字上的事件，表示有新的連接請(qǐng)求，使用 accept() 函數(shù)接受連接，然后將新的客戶端套接字注冊(cè)到 epoll 實(shí)例中。
   • 如果是客戶端套接字上的事件，表示有數(shù)據(jù)傳輸事件發(fā)生，可以使用 read() 函數(shù)讀取數(shù)據(jù)，并根據(jù)需要進(jìn)行處理，然后使用 write() 函數(shù)回傳數(shù)據(jù)。

6. 移除事件：如果需要，可以在事件處理后將文件描述符從 epoll 實(shí)例中移除，通過調(diào)用 epoll_ctl() 函數(shù)，通常是在客戶端關(guān)閉連接時(shí)執(zhí)行。

7. 關(guān)閉套接字和 epoll 實(shí)例：在程序結(jié)束時(shí)，確保關(guān)閉所有的套接字和釋放分配的內(nèi)存，包括關(guān)閉 epoll 實(shí)例。

????????select 和 epoll 的區(qū)別：?

• 每次調(diào)用 select 函數(shù)都會(huì)向操作系統(tǒng)傳遞監(jiān)視對(duì)象信息，浪費(fèi)大量時(shí)間。
• epoll 僅向操作系統(tǒng)傳遞一次監(jiān)視對(duì)象，監(jiān)視范圍或內(nèi)容發(fā)生變化時(shí)只通知發(fā)生變化的事項(xiàng)。

17.2 條件觸發(fā)和邊緣觸發(fā)

????????學(xué)習(xí) epoll 時(shí)要了解條件觸發(fā)（Level Trigger）和邊緣觸發(fā)（Edge Trigger）。

條件觸發(fā)和邊緣觸發(fā)的區(qū)別在于發(fā)生事件的時(shí)間點(diǎn)：

• 條件觸發(fā)的特性：條件觸發(fā)方式中，只要輸入緩沖有數(shù)據(jù)就會(huì)一直通知該事件

????????例如，服務(wù)器端輸入緩沖收到 50 字節(jié)數(shù)據(jù)時(shí)，服務(wù)器端操作系統(tǒng)將通知該事件（注冊(cè)到發(fā)生變化的文件描述符）。但是服務(wù)器端讀取 20 字節(jié)后還剩下 30 字節(jié)的情況下，仍會(huì)注冊(cè)事件。也就是說，條件觸發(fā)方式中，只要輸入緩沖中還剩有數(shù)據(jù)，就將以事件方式再次注冊(cè)。

• 邊緣觸發(fā)特性：邊緣觸發(fā)中輸入緩沖收到數(shù)據(jù)時(shí)僅注冊(cè) 1 次該事件。即使輸入緩沖中還留有數(shù)據(jù)，也不會(huì)再進(jìn)行注冊(cè)。

掌握條件觸發(fā)的事件特性：

????????epoll 默認(rèn)以條件觸發(fā)的方式工作，因此可以通過示例驗(yàn)證條件觸發(fā)的特性。

#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 2
#define EPOLL_SIZE 50
void error_handling(char *message);

int main(int argc, char *argv[])
{
    int serv_sock, clnt_sock;
    struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;
    socklen_t adr_sz;
    int str_len, i;
    char buf[BUF_SIZE];

    struct epoll_event *ep_events;
    struct epoll_event event;
    int epfd, event_cnt;

    if (argc != 2)
    {
        printf("Usage : %s <port> \n", argv[0]);
        exit(1);
    }
    serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    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)
        error_handling("bind() error");
    if (listen(serv_sock, 5) == -1)
        error_handling("listen() error");

    epfd = epoll_create(EPOLL_SIZE); //可以忽略這個(gè)參數(shù)，填入的參數(shù)為操作系統(tǒng)參考
    ep_events = malloc(sizeof(struct epoll_event) * EPOLL_SIZE);

    event.events = EPOLLIN; //需要讀取數(shù)據(jù)的情況
    event.data.fd = serv_sock;
    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, serv_sock, &event); //例程epfd 中添加文件描述符 serv_sock，目的是監(jiān)聽 enevt 中的事件

    while (1)
    {
        event_cnt = epoll_wait(epfd, ep_events, EPOLL_SIZE, -1); //獲取改變了的文件描述符，返回?cái)?shù)量
        if (event_cnt == -1)
        {
            puts("epoll_wait() error");
            break;
        }

        puts("return epoll_wait");
        for (i = 0; i < event_cnt; i++)
        {
            if (ep_events[i].data.fd == serv_sock) //客戶端請(qǐng)求連接時(shí)
            {
                adr_sz = sizeof(clnt_adr);
                clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr *)&clnt_adr, &adr_sz);
                event.events = EPOLLIN;
                event.data.fd = clnt_sock; //把客戶端套接字添加進(jìn)去
                epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, clnt_sock, &event);
                printf("connected client : %d \n", clnt_sock);
            }
            else //是客戶端套接字時(shí)
            {
                str_len = read(ep_events[i].data.fd, buf, BUF_SIZE);
                if (str_len == 0)
                {
                    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, ep_events[i].data.fd, NULL); //從epoll中刪除套接字
                    close(ep_events[i].data.fd);
                    printf("closed client : %d \n", ep_events[i].data.fd);
                }
                else
                {
                    write(ep_events[i].data.fd, buf, str_len);
                }
            }
        }
    }
    close(serv_sock);
    close(epfd);

    return 0;
}

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

????????上面的代碼把調(diào)用 read 函數(shù)時(shí)使用的緩沖大小縮小到了 4 個(gè)字節(jié)，插入了驗(yàn)證 epoll_wait 調(diào)用次數(shù)的驗(yàn)證函數(shù)。減少緩沖大小是為了阻止服務(wù)器端一次性讀取接收的數(shù)據(jù)。換言之，調(diào)用 read 函數(shù)后，輸入緩沖中仍有數(shù)據(jù)要讀取，而且會(huì)因此注冊(cè)新的事件并從 epoll_wait 函數(shù)返回時(shí)將循環(huán)輸出「return epoll_wait」字符串。

運(yùn)行結(jié)果：

????????從結(jié)果可以看出，每當(dāng)收到客戶端數(shù)據(jù)時(shí)，都會(huì)注冊(cè)該事件，并因此調(diào)用 epoll_wait 函數(shù)。

????????下面的代碼是修改后的邊緣觸發(fā)方式的代碼，僅僅是把上面的某一行代碼改為：

 event.events = EPOLLIN | EPOLLET;

? ? ? ? ?運(yùn)行結(jié)果：

????????從上面的例子看出，接收到客戶端的消息時(shí)，只輸出一次「return epoll_wait」字符串，這證明僅注冊(cè)了一次事件。?

????????select 模型是以條件觸發(fā)的方式工作的。

邊緣觸發(fā)的服務(wù)器端必知的兩點(diǎn)：

• 通過 errno 變量驗(yàn)證錯(cuò)誤原因
• 為了完成非阻塞（Non-blocking）I/O ，更改了套接字特性。

????????Linux 套接字相關(guān)函數(shù)一般通過 -1 通知發(fā)生了錯(cuò)誤。雖然知道發(fā)生了錯(cuò)誤，但僅憑這些內(nèi)容無法得知產(chǎn)生錯(cuò)誤的原因。因此，為了在發(fā)生錯(cuò)誤的時(shí)候提額外的信息，Linux 聲明了如下全局變量：

int errno;

????????為了訪問該變量，需要引入?error.h?頭文件，因此此頭文件有上述變量的 extern 聲明。另外，每種函數(shù)發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，保存在 errno 變量中的值都不同。

????????read 函數(shù)發(fā)現(xiàn)輸入緩沖中沒有數(shù)據(jù)可讀時(shí)返回 -1，同時(shí)在 errno 中保存 EAGAIN 常量。

????????下面是 Linux 中提供的改變和更改文件屬性的辦法：

#include <fcntl.h>
int fcntl(int fields, int cmd, ...);
/*
成功時(shí)返回 cmd 參數(shù)相關(guān)值，失敗時(shí)返回 -1
filedes : 屬性更改目標(biāo)的文件描述符
cmd : 表示函數(shù)調(diào)用目的
*/

????????從上述聲明可以看出 fcntl 有可變參數(shù)的形式。如果向第二個(gè)參數(shù)傳遞 F_GETFL ，可以獲得第一個(gè)參數(shù)所指的文件描述符屬性（int 型）。反之，如果傳遞 F_SETFL ，可以更改文件描述符屬性。若希望將文件（套接字）改為非阻塞模式，需要如下 2 條語句。

int flag = fcntl(fd,F_GETFL,0);
fcntl(fd, F_SETFL, flag | O_NONBLOCK);

????????通過第一條語句，獲取之前設(shè)置的屬性信息，通過第二條語句在此基礎(chǔ)上添加非阻塞 O_NONBLOCK 標(biāo)志。調(diào)用 read/write 函數(shù)時(shí)，無論是否存在數(shù)據(jù)，都會(huì)形成非阻塞文件（套接字）。fcntl 函數(shù)的適用范圍很廣。

實(shí)現(xiàn)邊緣觸發(fā)回聲服務(wù)器端：

????????通過 errno 確認(rèn)錯(cuò)誤的原因是：邊緣觸發(fā)方式中，接收數(shù)據(jù)僅注冊(cè)一次該事件。

????????因?yàn)檫@種特點(diǎn)，一旦發(fā)生輸入相關(guān)事件時(shí)，就應(yīng)該讀取輸入緩沖中的全部數(shù)據(jù)。因此需要驗(yàn)證輸入緩沖是否為空。

????????read 函數(shù)返回 -1，變量 errno 中的值變成 EAGAIN 時(shí)，說明沒有數(shù)據(jù)可讀。

????????既然如此，為什么要將套接字變成非阻塞模式？邊緣觸發(fā)條件下，以阻塞方式工作的 read & write 函數(shù)有可能引起服務(wù)端的長(zhǎng)時(shí)間停頓。因此，邊緣觸發(fā)方式中一定要采用非阻塞 read & write 函數(shù)。

????????下面是以邊緣觸發(fā)方式工作的回聲服務(wù)端代碼：

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

#define BUF_SIZE 4 //緩沖區(qū)設(shè)置為 4 字節(jié)
#define EPOLL_SIZE 50
void setnonblockingmode(int fd);
void error_handling(char *message);

int main(int argc, char *argv[])
{
    int serv_sock, clnt_sock;
    struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;
    socklen_t adr_sz;
    int str_len, i;
    char buf[BUF_SIZE];

    struct epoll_event *ep_events;
    struct epoll_event event;
    int epfd, event_cnt;

    if (argc != 2)
    {
        printf("Usage : %s <port> \n", argv[0]);
        exit(1);
    }
    serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    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)
        error_handling("bind() error");
    if (listen(serv_sock, 5) == -1)
        error_handling("listen() error");

    epfd = epoll_create(EPOLL_SIZE); //可以忽略這個(gè)參數(shù)，填入的參數(shù)為操作系統(tǒng)參考
    ep_events = malloc(sizeof(struct epoll_event) * EPOLL_SIZE);

    setnonblockingmode(serv_sock);
    event.events = EPOLLIN; //需要讀取數(shù)據(jù)的情況
    event.data.fd = serv_sock;
    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, serv_sock, &event); //例程epfd 中添加文件描述符 serv_sock，目的是監(jiān)聽 enevt 中的事件

    while (1)
    {
        event_cnt = epoll_wait(epfd, ep_events, EPOLL_SIZE, -1); //獲取改變了的文件描述符，返回?cái)?shù)量
        if (event_cnt == -1)
        {
            puts("epoll_wait() error");
            break;
        }

        puts("return epoll_wait");
        for (i = 0; i < event_cnt; i++)
        {
            if (ep_events[i].data.fd == serv_sock) //客戶端請(qǐng)求連接時(shí)
            {
                adr_sz = sizeof(clnt_adr);
                clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr *)&clnt_adr, &adr_sz);
                setnonblockingmode(clnt_sock);    //將 accept 創(chuàng)建的套接字改為非阻塞模式
                event.events = EPOLLIN | EPOLLET; //改成邊緣觸發(fā)
                event.data.fd = clnt_sock;        //把客戶端套接字添加進(jìn)去
                epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, clnt_sock, &event);
                printf("connected client : %d \n", clnt_sock);
            }
            else //是客戶端套接字時(shí)
            {
                while (1)
                {
                    str_len = read(ep_events[i].data.fd, buf, BUF_SIZE);
                    if (str_len == 0)
                    {
                        epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, ep_events[i].data.fd, NULL); //從epoll中刪除套接字
                        close(ep_events[i].data.fd);
                        printf("closed client : %d \n", ep_events[i].data.fd);
                        break;
                    }
                    else if (str_len < 0)
                    {
                        if (errno == EAGAIN) //read 返回-1 且 errno 值為 EAGAIN ，意味讀取了輸入緩沖的全部數(shù)據(jù)
                            break;
                    }
                    else
                    {
                        write(ep_events[i].data.fd, buf, str_len);
                    }
                }
            }
        }
    }
    close(serv_sock);
    close(epfd);

    return 0;
}

void error_handling(char *message)
{
    fputs(message, stderr);
    fputc('\n', stderr);
    exit(1);
}
void setnonblockingmode(int fd)
{
    int flag = fcntl(fd, F_GETFL, 0);
    fcntl(fd, F_SETFL, flag | O_NONBLOCK);
}

????????運(yùn)行結(jié)果：

? ? ? ? ?從上述結(jié)果可以看出：客戶端從請(qǐng)求連接到斷開連接一共發(fā)送5次數(shù)據(jù)，服務(wù)器端也相應(yīng)產(chǎn)生5個(gè)事件。

條件觸發(fā)和邊緣觸發(fā)孰優(yōu)孰劣：

????????邊緣觸發(fā)方式可以做到：分離接收數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)的時(shí)間點(diǎn)。如圖：

?

????????

運(yùn)行流程如下：

• 服務(wù)器端分別從 A B C 接收數(shù)據(jù)
• 服務(wù)器端按照 A B C 的順序重新組合接收到的數(shù)據(jù)
• 組合的數(shù)據(jù)將發(fā)送給任意主機(jī)。

為了完成這個(gè)過程，如果可以按照如下流程運(yùn)行，服務(wù)端的實(shí)現(xiàn)并不難：

• 客戶端按照 A B C 的順序連接服務(wù)器，并且按照次序向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)
• 需要接收數(shù)據(jù)的客戶端應(yīng)在客戶端 A B C 之前連接到服務(wù)器端并等待

但是實(shí)際情況中可能是下面這樣：

• 客戶端 C 和 B 正在向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，但是 A 并沒有連接到服務(wù)器
• 客戶端 A B C 亂序發(fā)送數(shù)據(jù)
• 服務(wù)端已經(jīng)接收到數(shù)據(jù)，但是要接收數(shù)據(jù)的目標(biāo)客戶端并沒有連接到服務(wù)器端。

????????因此，即使輸入緩沖收到數(shù)據(jù)，服務(wù)器端也能決定讀取和處理這些數(shù)據(jù)的時(shí)間點(diǎn)，這樣就給服務(wù)器端的實(shí)現(xiàn)帶來很大靈活性。

習(xí)題：

1、利用 select 函數(shù)實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端時(shí)，代碼層面存在的兩個(gè)缺點(diǎn)是？

????????使用 select 需要編寫復(fù)雜的邏輯來處理不同的文件描述符狀態(tài)，包括讀、寫、異常等情況。隨著連接數(shù)量增加，代碼的可讀性和維護(hù)難度也會(huì)增加，容易引入邏輯錯(cuò)誤。

????????select 是一種阻塞式的調(diào)用，會(huì)輪詢監(jiān)聽多個(gè)文件描述符，但在大量連接的情況下，輪詢耗費(fèi)大量 CPU 時(shí)間。此外，select 的時(shí)間復(fù)雜度是 O(n)，其中 n 是文件描述符的數(shù)量，這意味著隨著連接數(shù)增加，性能可能下降。

????????當(dāng)連接數(shù)非常大時(shí)，select 可能無法很好地?cái)U(kuò)展，因?yàn)樗谝粋€(gè)單線程內(nèi)處理所有連接，限制了并發(fā)處理能力。對(duì)于大規(guī)模連接的情況，更適合采用基于事件驅(qū)動(dòng)的庫(kù)或框架，如 epoll（Linux 下的高性能 I/O 多路復(fù)用機(jī)制）。

2、無論是 select 方式還是 epoll 方式，都需要將監(jiān)視對(duì)象文件描述符信息通過函數(shù)調(diào)用傳遞給操作系統(tǒng)。請(qǐng)解釋傳遞該信息的原因。

????????文件描述符是由操作系統(tǒng)管理的，所以必須要借助操作系統(tǒng)才能完成。

3、select 方式和 epoll 方式的最大差異在于監(jiān)視對(duì)象文件描述符傳遞給操作系統(tǒng)的方式。請(qǐng)說明具體差異，并解釋為何存在這種差異。

????????select 函數(shù)每次調(diào)用都要傳遞所有的監(jiān)視對(duì)象信息，而 epoll 函數(shù)僅向操作系統(tǒng)傳遞 1 次監(jiān)視對(duì)象，監(jiān)視范圍或內(nèi)容發(fā)生變化時(shí)只通知發(fā)生變化的事項(xiàng)。select 采用這種方法是為了保持兼容性。

4、雖然 epoll 是 select 的改進(jìn)方案，但 select 也有自己的優(yōu)點(diǎn)。在何種情況下使用 select 更加合理。

????????①服務(wù)器端接入者少②程序應(yīng)具有兼容性。

5、epoll 是以條件觸發(fā)和邊緣觸發(fā)方式工作。二者有何差別？從輸入緩沖的角度說明這兩種方式通知事件的時(shí)間點(diǎn)差異。

????????在條件觸發(fā)中，只要輸入緩沖有數(shù)據(jù)，就會(huì)一直通知該事件。邊緣觸發(fā)中輸入緩沖收到數(shù)據(jù)時(shí)僅注冊(cè) 1 次該事件，即使輸入緩沖中還留有數(shù)據(jù)，也不會(huì)再進(jìn)行注冊(cè)。

6、采用邊緣觸發(fā)時(shí)可以分離數(shù)據(jù)的接收和處理時(shí)間點(diǎn)。請(qǐng)說明其優(yōu)點(diǎn)和原因。

?????????分離接收數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)的時(shí)間點(diǎn)，給服務(wù)端的實(shí)現(xiàn)帶來很大靈活性。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-650774.html

到了這里，關(guān)于《TCP IP網(wǎng)絡(luò)編程》第十七章的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請(qǐng)?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！