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Linux Epoll介绍和程序实例

2014-05-16 10:55 232 查看
1. Epoll是何方神圣?
Epoll可是当前在Linux下开发大规模并发网络程序的热门人选,Epoll 在Linux2.6内核中正式引入,和select相似,其实都I/O多路复用技术而已,并没有什么神秘的。
其实在Linux下设计并发网络程序,向来不缺少方法,比如典型的Apache模型(Process Per Connection,简称PPC),TPC(Thread PerConnection)模型,以及select模型和poll模型,那为何还要再引入Epoll这个东东呢?那还是有得说说的…
2. 常用模型的缺点
如果不摆出来其他模型的缺点,怎么能对比出Epoll的优点呢。
2.1 PPC/TPC模型
这两种模型思想类似,就是让每一个到来的连接一边自己做事去,别再来烦我。只是PPC是为它开了一个进程,而TPC开了一个线程。可是别烦我是有代价的,它要时间和空间啊,连接多了之后,那么多的进程/线程切换,这开销就上来了;因此这类模型能接受的最大连接数都不会高,一般在几百个左右。
2.2 select模型
1. 最大并发数限制,因为一个进程所打开的FD(文件描述符)是有限制的,由FD_SETSIZE设置,默认值是1024/2048,因此Select模型的最大并发数就被相应限制了。自己改改这个FD_SETSIZE?想法虽好,可是先看看下面吧…
2. 效率问题,select每次调用都会线性扫描全部的FD集合,这样效率就会呈现线性下降,把FD_SETSIZE改大的后果就是,大家都慢慢来,什么?都超时了??!!
3. 内核/用户空间 内存拷贝问题,如何让内核把FD消息通知给用户空间呢?在这个问题上select采取了内存拷贝方法。
2.3 poll模型
基本上效率和select是相同的,select缺点的2和3它都没有改掉。
3. Epoll的提升
把其他模型逐个批判了一下,再来看看Epoll的改进之处吧,其实把select的缺点反过来那就是Epoll的优点了。
3.1. Epoll没有最大并发连接的限制,上限是最大可以打开文件的数目,这个数字一般远大于2048, 一般来说这个数目和系统内存关系很大,具体数目可以cat /proc/sys/fs/file-max察看。
3.2. 效率提升,Epoll最大的优点就在于它只管你“活跃”的连接,而跟连接总数无关,因此在实际的网络环境中,Epoll的效率就会远远高于select和poll。
3.3. 内存拷贝,Epoll在这点上使用了“共享内存”,这个内存拷贝也省略了。

 
4. Epoll为什么高效
Epoll的高效和其数据结构的设计是密不可分的,这个下面就会提到。
首先回忆一下select模型,当有I/O事件到来时,select通知应用程序有事件到了快去处理,而应用程序必须轮询所有的FD集合,测试每个FD是否有事件发生,并处理事件;代码像下面这样:

int res = select(maxfd+1, &readfds, NULL, NULL, 120);
if(res > 0)
{
    for(int i = 0; i < MAX_CONNECTION; i++)
    {
        if(FD_ISSET(allConnection[i],&readfds))
        {
            handleEvent(allConnection[i]);
        }
    }
}
// if(res == 0) handle timeout, res < 0 handle error
 
Epoll不仅会告诉应用程序有I/0事件到来,还会告诉应用程序相关的信息,这些信息是应用程序填充的,因此根据这些信息应用程序就能直接定位到事件,而不必遍历整个FD集合。
intres = epoll_wait(epfd, events, 20, 120);
for(int i = 0; i < res;i++)
{
    handleEvent(events
);
}
5. Epoll关键数据结构
前面提到Epoll速度快和其数据结构密不可分,其关键数据结构就是:
structepoll_event {
    __uint32_t events;      // Epoll events
    epoll_data_t data;      // User datavariable
};
typedef union epoll_data {
    void *ptr;
   int fd;
    __uint32_t u32;
    __uint64_t u64;
} epoll_data_t;
可见epoll_data是一个union结构体,借助于它应用程序可以保存很多类型的信息:fd、指针等等。有了它,应用程序就可以直接定位目标了。
6. 使用Epoll
既然Epoll相比select这么好,那么用起来如何呢?会不会很繁琐啊…先看看下面的三个函数吧,就知道Epoll的易用了。
 
intepoll_create(int size);
生成一个Epoll专用的文件描述符,其实是申请一个内核空间,用来存放你想关注的socket fd上是否发生以及发生了什么事件。size就是你在这个Epoll fd上能关注的最大socket fd数,大小自定,只要内存足够。
intepoll_ctl(int epfd, intop, int fd, structepoll_event
*event);
控制某个Epoll文件描述符上的事件:注册、修改、删除。其中参数epfd是epoll_create()创建Epoll专用的文件描述符。相对于select模型中的FD_SET和FD_CLR宏。
intepoll_wait(int epfd,structepoll_event * events,int maxevents,int timeout);
等待I/O事件的发生;参数说明:
epfd:由epoll_create() 生成的Epoll专用的文件描述符;
epoll_event:用于回传代处理事件的数组;
maxevents:每次能处理的事件数;
timeout:等待I/O事件发生的超时值;
返回发生事件数。
相对于select模型中的select函数。
7. 例子程序
下面是一个简单Echo Server的例子程序,麻雀虽小,五脏俱全,还包含了一个简单的超时检查机制,简洁起见没有做错误处理。

[cpp] view plaincopy

//     
// a simple echo server using epoll in linux    
//     
// 2009-11-05    
// 2013-03-22:修改了几个问题,1是/n格式问题,2是去掉了原代码不小心加上的ET模式;  
// 本来只是简单的示意程序,决定还是加上 recv/send时的buffer偏移  
// by sparkling    
//     
#include <sys/socket.h>    
#include <sys/epoll.h>    
#include <netinet/in.h>    
#include <arpa/inet.h>    
#include <fcntl.h>    
#include <unistd.h>    
#include <stdio.h>    
#include <errno.h>    
#include <iostream>    
using namespace std;    
#define MAX_EVENTS 500    
struct myevent_s    
{    
    int fd;    
    void (*call_back)(int fd, int events, void *arg);    
    int events;    
    void *arg;    
    int status; // 1: in epoll wait list, 0 not in    
    char buff[128]; // recv data buffer    
    int len, s_offset;    
    long last_active; // last active time    
};    
// set event    
void EventSet(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;  
    bzero(ev->buff, sizeof(ev->buff));  
    ev->s_offset = 0;    
    ev->len = 0;  
    ev->last_active = time(NULL);    
}    
// add/mod an event to epoll    
void EventAdd(int epollFd, int events, myevent_s *ev)    
{    
    struct epoll_event epv = {0, {0}};    
    int op;    
    epv.data.ptr = ev;    
    epv.events = ev->events = events;    
    if(ev->status == 1){    
        op = EPOLL_CTL_MOD;    
    }    
    else{    
        op = EPOLL_CTL_ADD;    
        ev->status = 1;    
    }    
    if(epoll_ctl(epollFd, op, ev->fd, &epv) < 0)    
        printf("Event Add failed[fd=%d], evnets[%d]\n", ev->fd, events);    
    else    
        printf("Event Add OK[fd=%d], op=%d, evnets[%0X]\n", ev->fd, op, events);    
}    
// delete an event from epoll    
void EventDel(int epollFd, myevent_s *ev)    
{    
    struct epoll_event epv = {0, {0}};    
    if(ev->status != 1) return;    
    epv.data.ptr = ev;    
    ev->status = 0;  
    epoll_ctl(epollFd, EPOLL_CTL_DEL, ev->fd, &epv);    
}    
int g_epollFd;    
myevent_s g_Events[MAX_EVENTS+1]; // g_Events[MAX_EVENTS] is used by listen fd    
void RecvData(int fd, int events, void *arg);    
void SendData(int fd, int events, void *arg);    
// accept new connections from clients    
void AcceptConn(int fd, int events, void *arg)    
{    
    struct sockaddr_in sin;    
    socklen_t len = sizeof(struct sockaddr_in);    
    int nfd, i;    
    // accept    
    if((nfd = accept(fd, (struct sockaddr*)&sin, &len)) == -1)    
    {    
        if(errno != EAGAIN && errno != EINTR)    
        {    
        }  
        printf("%s: accept, %d", __func__, errno);    
        return;    
    }    
    do    
    {    
        for(i = 0; i < MAX_EVENTS; i++)    
        {    
            if(g_Events[i].status == 0)    
            {    
                break;    
            }    
        }    
        if(i == MAX_EVENTS)    
        {    
            printf("%s:max connection limit[%d].", __func__, MAX_EVENTS);    
            break;    
        }    
        // set nonblocking  
        int iret = 0;  
        if((iret = fcntl(nfd, F_SETFL, O_NONBLOCK)) < 0)  
        {  
            printf("%s: fcntl nonblocking failed:%d", __func__, iret);  
            break;  
        }  
        // add a read event for receive data    
        EventSet(&g_Events[i], nfd, RecvData, &g_Events[i]);    
        EventAdd(g_epollFd, EPOLLIN, &g_Events[i]);    
    }while(0);    
    printf("new conn[%s:%d][time:%d], pos[%d]\n", inet_ntoa(sin.sin_addr),   
            ntohs(sin.sin_port), g_Events[i].last_active, i);    
}    
// receive data    
void RecvData(int fd, int events, void *arg)    
{    
    struct myevent_s *ev = (struct myevent_s*)arg;    
    int len;    
    // receive data  
    len = recv(fd, ev->buff+ev->len, sizeof(ev->buff)-1-ev->len, 0);      
    EventDel(g_epollFd, ev);  
    if(len > 0)  
    {  
        ev->len += len;  
        ev->buff[len] = '\0';    
        printf("C[%d]:%s\n", fd, ev->buff);    
        // change to send event    
        EventSet(ev, fd, SendData, ev);    
        EventAdd(g_epollFd, EPOLLOUT, ev);    
    }    
    else if(len == 0)    
    {    
        close(ev->fd);    
        printf("[fd=%d] pos[%d], closed gracefully.\n", fd, ev-g_Events);    
    }    
    else    
    {    
        close(ev->fd);    
        printf("recv[fd=%d] error[%d]:%s\n", fd, errno, strerror(errno));    
    }    
}    
// send data    
void SendData(int fd, int events, void *arg)    
{    
    struct myevent_s *ev = (struct myevent_s*)arg;    
    int len;    
    // send data    
    len = send(fd, ev->buff + ev->s_offset, ev->len - ev->s_offset, 0);  
    if(len > 0)    
    {  
        printf("send[fd=%d], [%d<->%d]%s\n", fd, len, ev->len, ev->buff);  
        ev->s_offset += len;  
        if(ev->s_offset == ev->len)  
        {  
            // change to receive event  
            EventDel(g_epollFd, ev);    
            EventSet(ev, fd, RecvData, ev);    
            EventAdd(g_epollFd, EPOLLIN, ev);    
        }  
    }    
    else    
    {    
        close(ev->fd);    
        EventDel(g_epollFd, ev);    
        printf("send[fd=%d] error[%d]\n", fd, errno);    
    }    
}    
void InitListenSocket(int epollFd, short port)    
{    
    int listenFd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);    
    fcntl(listenFd, F_SETFL, O_NONBLOCK); // set non-blocking    
    printf("server listen fd=%d\n", listenFd);    
    EventSet(&g_Events[MAX_EVENTS], listenFd, AcceptConn, &g_Events[MAX_EVENTS]);    
    // add listen socket    
    EventAdd(epollFd, EPOLLIN, &g_Events[MAX_EVENTS]);    
    // bind & listen    
    sockaddr_in sin;    
    bzero(&sin, sizeof(sin));    
    sin.sin_family = AF_INET;    
    sin.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;    
    sin.sin_port = htons(port);    
    bind(listenFd, (const sockaddr*)&sin, sizeof(sin));    
    listen(listenFd, 5);    
}    
int main(int argc, char **argv)    
{    
    unsigned short port = 12345; // default port    
    if(argc == 2){    
        port = atoi(argv[1]);    
    }    
    // create epoll    
    g_epollFd = epoll_create(MAX_EVENTS);    
    if(g_epollFd <= 0) printf("create epoll failed.%d\n", g_epollFd);    
    // create & bind listen socket, and add to epoll, set non-blocking    
    InitListenSocket(g_epollFd, port);    
    // event loop    
    struct epoll_event events[MAX_EVENTS];    
    printf("server running:port[%d]\n", port);    
    int checkPos = 0;    
    while(1){    
        // a simple timeout check here, every time 100, better to use a mini-heap, and add timer event    
        long now = time(NULL);    
        for(int i = 0; i < 100; i++, checkPos++) // doesn't check listen fd    
        {    
            if(checkPos == MAX_EVENTS) checkPos = 0; // recycle    
            if(g_Events[checkPos].status != 1) continue;    
            long duration = now - g_Events[checkPos].last_active;    
            if(duration >= 60) // 60s timeout    
            {    
                close(g_Events[checkPos].fd);    
                printf("[fd=%d] timeout[%d--%d].\n", g_Events[checkPos].fd, g_Events[checkPos].last_active, now);    
                EventDel(g_epollFd, &g_Events[checkPos]);    
            }    
        }    
        // wait for events to happen    
        int fds = epoll_wait(g_epollFd, events, MAX_EVENTS, 1000);    
        if(fds < 0){    
            printf("epoll_wait error, exit\n");    
            break;    
        }    
        for(int i = 0; i < fds; i++){    
            myevent_s *ev = (struct myevent_s*)events[i].data.ptr;    
            if((events[i].events&EPOLLIN)&&(ev->events&EPOLLIN)) // read event    
            {    
                ev->call_back(ev->fd, events[i].events, ev->arg);    
            }    
            if((events[i].events&EPOLLOUT)&&(ev->events&EPOLLOUT)) // write event    
            {    
                ev->call_back(ev->fd, events[i].events, ev->arg);    
            }    
        }    
    }    
    // free resource    
    return 0;    
}   
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