epoll实现socket通信

epoll是Linux特有的I/O复用函数，它在实现和使用上与select和poll有很大差异。epoll使用一组函数来完成任务，而不是单个函数。epoll把用户关心的文件描述符上的事件放在内核的一个事件表中，无需像select和poll那样每次调用都要重复传入文件描述符集或事件集，但epoll需要一个额外的文件描述符，来唯一标示内核中的这个事件表，这个文件描述符使用epoll_create函数来创建。 epoll是一种高效的管理socket的模型，相对于select和poll来说具有更高的效率和易用性。epoll的性能不会随socket数量的增加而下降。下面我们来说说epoll的使用： epoll所使用的数据结构如下：


结构体epoll_event被用于注册感兴趣的事件和回传所发生待处理的事件，epoll_data联合体用来保存触发事件的某个文件描述符相关的数据。例如一个client连接到服务器，服务器通过调用accept函数可以得到这个client对应的socket文件描述符，可以把这个文件描述符赋给epoll_data的fd字段，以便以后的读写操作在这个文件描述符上进行。epoll_data_t是一个联合体，其中4个成员最多用的就是fd，它指定事件所从属的目标文件描述符，ptr成员可用来指定与fd相关的用户数据。但由于epoll_data_t是一个联合体，我们不能同时使用其ptr成员和fd成员，因此我们要将文件描述符和用户数据关联起来，以实现快熟的数据访问，只能使用其他手段，我们在下面的程序中自定义了个结构体，里面有我们所关心的fd和保存用户数据的buf。 events字段是表示感兴趣的事件，被触发的事件的可能取值为： EPOLLIN：表示对应的文件描述符可以读； EPOLLOUT:表示对应的文件描述符可以写； EPOLLPRI:表示对应的文件描述符有紧急的数据可读； EPOLLERR:表示对应的文件描述符发生错误； EPOLLHUP:表示对应的文件描述符被挂断； EPOLLET:表示将EPOLL设置为边缘触发模式； EPOLLONESHOT:只监听一次事件，当监听完这次事件之后，如果还需要继续监听这个socket的话，需要再次把这个socket加入到EPOLL队列里。所用到的函数有如下三个： 1.epoll_create函数： 原型：int epoll_create(int size) 该函数生成一个epoll专用的文件描述符，size参数指定生成描述符的最大范围。size参数现在并不起作用，使用红黑树来管理所有的文件描述符，该函数返回的文件描述符将用作其他所有的epoll系统调用的第一个参数， 2.epoll_ctl函数： 原型：int epoll_ctl(int epfd,int op,int fd,struct epoll_event *event) 该函数用于控制某个文件描述符上的事件，可以注册事件，修改事件，删除事件。 参数：epfd：由epoll_create生成的epoll专用的文件描述符 op：要进行的操作，可能的取值有： EPOLL_CTL_ADD 注册 EPOLL_CTL_MOD 修改 EPOLL_CTL_DEL 删除 fd：关联的文件描述符 event：指向epoll_event的指针 调用成功返回0，失败返回-1； 3.epoll_wait函数： 原型：int epoll_wait(int epfd,struct epoll_event *events,int maxevents,int timeout) 该函数用于轮询I/O事件的发生，调用成功时返回就绪的文件描述符的个数，失败时返回-1，并设置errno。该函数如果检测到事件，就将所有就绪的事件从内核表中（由epfd参数指定）复制到它的第二个参数events指向的数组中，这个数组只用于输出epoll_wait检测到的就绪事件。 参数： epfd：由epoll_create生成的epoll专用的文件描述符 events：用于回传待处理的数组 maxevent：每次能处理的事件数 timeout：与poll接口的timeout参数相同，是超时时间，0会立即返回，-1是永久阻塞。 如果该函数调用成功，返回对应I/O上已准备好的文件描述符数目，如果返回0表示已超时。 接下来我们来说说epoll的工作原理： epoll同样只告诉那些已就绪的文件描述符，而且当我们调用epoll_wait获得就绪文件描述符时，返回的不是实际的描述符，而是一个代表就绪描述符数量的值，我们只需去epoll指定的数组中依次取得相应数量的文件描述符即可，这里使用内存映射技术，节省了系统调用时的开销。两一个本质的改进在与epoll采用基于事件的就绪通知方式，在select/poll中，进程只有在调用一定的方法后，内核才对所有监视的文件描述符进行扫描，而epoll事先通过epoll_ctl来注册一个文件描述符，一旦某个文件描述符就绪时，内核会采用回调机制，循序激活这个文件描述符，当进程调用epoll_wait时便得到通知。 LT模式和ET模式： epoll对于文件描述符的操作有两种模式，LT(水平触发）和ET（边缘触发）。LT模式是默认的工作模式，这种模式下epoll相当于一个效率较高的poll。当往epoll内核事件表中注册一个文件描述符上的EPOLLET事件时，epoll将以ET模式来操作该文件描述符。ET模式是epoll的高效工作模式。 对于采用LT工作模式的文件描述符，当epoll_wait检测到其上有事件发生并将此事件通知应用程序后，应用程序可以不立即处理该事件。这样，当应用程序下一次调用epoll_wait时，epoll_wait还会再次向应用程序告知该事件，直到该事件被处理。而采用ET模式的文件描述符，当epoll_wait检测到其上有事件发生并将此事件通知应用程序后，应用程序必须立即处理该事件，因为后续的epoll_wait调用将不再向应用程序通知这一事件，。这样，ET模式在很大程度上降低了同一个epoll事件被重复触发的次数，因此效率比LT模式要高。 我们在下面的编程中还用到了一个fcntl函数，该函数原型如下： int fcntl（int fd，int cmd，...） 该函数可以执行各种描述符控制操作，它提供的与网络编程相关的特性如下： 1.非阻塞式I/O。通过使用F_SETFL命令设置O_NONBLOCK文件状态标志，我们可以把一个套接字设置为非阻塞。 2.信号驱动式I/O。通过使用F_SETFL命令设置O_ASYNC文件状态标志，我们可以把一个套接字设置成一旦其状态发生变化，内核就产生一个SIGIO信号。 3.F_SETOWN命令允许我们指定用于接收SIGIO和SIGURG信号的套接字属主。其中SIGIO信号时套接字被设置为信号驱动式I/O型后产生的，SIGURG信号时在新的带外数据到达套接字时产生的。F_GETOWN返回套接字的当前属主。
接下来我们看看基于epoll的socket编程代码：（基于LT模式下的阻塞模式）客户端给服务端发送消息。服务端回显给客户端：
server端：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <assert.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include<errno.h>
#include<fcntl.h>
#define _BACKLOG_ 5
#define _BUF_SIZE_ 10240
#define _MAX_ 64

typedef struct _data_buf
{
int fd;
char buf[_BUF_SIZE_];
}data_buf_t,*data_buf_p;
static void usage(const char* proc)
{
printf("usage:%s[ip][port]\n",proc);
}

static int start(int port,char *ip)
{
assert(ip);
int sock=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
if(sock<0)
{
perror("socket");
exit(1);
}

struct sockaddr_in local;
local.sin_port=htons(port);
local.sin_family=AF_INET;
local.sin_addr.s_addr=inet_addr(ip);

int opt=1;  //设置为接口复用
setsockopt(sock,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&opt,sizeof(opt));

if(bind(sock,(struct sockaddr*)&local,sizeof(local))<0)
{
perror("bind");
exit(2);
}

if(listen(sock,_BACKLOG_)<0)
{
perror("listen");
exit(3);
}
return sock;
}

static int epoll_server(int listen_sock)
{
int epoll_fd=epoll_create(256);//生成一个专用的epoll文件描述符
if(epoll_fd<0)
{
perror("epoll_create");
exit(1);
}

struct epoll_event ev;//用于注册事件
struct epoll_event ret_ev[_MAX_];//数组用于回传要处理的事件
int ret_num=_MAX_;
int read_num=-1;
ev.events=EPOLLIN;
ev.data.fd=listen_sock;
if(epoll_ctl(epoll_fd,EPOLL_CTL_ADD,listen_sock,&ev)<0)//用于控制某个文件描述符上的事件（注册，修改，删除）
{
perror("epoll_ctl");
return -2;
}

int done=0;
int i=0;
int timeout=5000;
struct sockaddr_in client;
socklen_t len=sizeof(client);
while(!done)
{
switch(read_num=epoll_wait(epoll_fd,ret_ev,ret_num,timeout))//用于轮寻I/O事件的发生
{
case0：
printf("time out\n");
break;
case -1:
perror("epoll");
exit(2);
default:
{
for(i=0;i<read_num;++i)
{
if(ret_ev[i].data.fd==listen_sock&&(ret_ev[i].events&EPOLLIN))
{

int fd=ret_ev[i].data.fd;
int new_sock=accept(fd,(struct sockaddr*)&client,&len);
if(new_sock<0)
{
perror("accept")；
continue;
}

ev.events=EPOLLIN;
ev.data.fd=new_sock;
epoll_ctl(epoll_fd,EPOLL_CTL_ADD,new_sock,&ev);
printf("get a new client...\n");
}
else  //normal sock
{
if(ret_ev[i].events&EPOLLIN)
{
int fd=ret_ev[i].data.fd;
data_buf_p mem=(data_buf_p)malloc(sizeof(data_buf_t));
if(!mem)
perror("malloc");
continue;
}
mem->fd=fd;
memset(mem->buf,'\0',sizeof(mem->buf));
ssize_t _s=read(mem->fd,mem->buf,sizeof(mem -> buf)-1);
if(_s>0)
{
mem->buf[_s-1]='\0';
printf("client: %s\n",mem->buf);
ev.events=EPOLLOUT;
ev.data.ptr=mem;
epoll_ctl(epoll_fd,EPOLL_CTL_MOD,fd,&ev);
}
else if(_s==0)
{
printf("client close...\n");
epoll_ctl(epoll_fd,EPOLL_CTL_DEL,fd,NULL);
close(fd);
free(mem);
}
else
{
continue;
}
}
else if(ret_ev[i].events&EPOLLOUT)  //写事件准备就绪
{
data_buf_p mem=(data_buf_p)ret_ev[i].data.ptr;
int fd=mem->fd;
char *buf=mem->buf;
write(fd,buf,strlen(buf));
ev.events=EPOLLIN;    //写完，下次关心读事件
ev.data.fd=fd;
epoll_ctl(epoll_fd,EPOLL_CTL_MOD,fd,&ev);
}
else{
//....
}
}
}
}
break;
}
}

}

int main(int argc,char* argv[])
{
if(argc!=3)
{
usage(argv[0]);
return 1;
}

int port=atoi(argv[2]);
char *ip=argv[1];

int listen_sock=start(port,ip);
epoll_server(listen_sock);
close(listen_sock);
return 0;
}

client端：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
#include <poll.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>

static void usage(const char* arg)
{
printf("usage:%s [ip][port]",arg);
}

int main(int argc,char *argv[])
{
if(argc!=3)
{
usage(argv[0]);
exit(1);
}

int port=atoi(argv[2]);
char *ip=argv[1];

int sock=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
if(sock<0)
{
perror("socket");
exit(2);
}

struct sockaddr_in remote;
remote.sin_family=AF_INET;
remote.sin_port=htons(port);
remote.sin_addr.s_addr=inet_addr(ip);

int ret=connect(sock,(struct sockaddr*)&remote,sizeof(remote));

char buf[1024];
while(1)
{
printf("please enter: ");
fflush(stdout);
ssize_t _s=read(0,buf,sizeof(buf)-1);
buf[_s]='\0';
write(sock,buf,sizeof(buf)-1);
memset(buf,'\0',sizeof(buf));
read(sock,buf,sizeof(buf)-1);
printf("echo:%s\n",buf);
}
return 0;
}

运行结果：



我们可以看到，客户端发给服务端的数据，被服务端收到后，回显给客户端。

接下来我们把程序改为ET模式非阻塞模式：
主要改的地方有：
1.因为ET模式只通知一次，所以我们在读取数据的时候必须一次读完，我们写的read_data函数就是实现这个功能的；
2.把所有的描述符都改为非阻塞模式，调用我们的set_no_block函数；
3.注册事件的时候，要与上EPOLLET；
具体如下：
server端：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <assert.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include<errno.h>
#include<fcntl.h>
#define _BACKLOG_ 5
#define _BUF_SIZE_ 10240
#define _MAX_ 64

typedef struct _data_buf
{
int fd;
char buf[_BUF_SIZE_];
}data_buf_t,*data_buf_p;
static void usage(const char* proc)
{
printf("usage:%s[ip][port]\n",proc);
}

static int set_no_block(int fd) //用来设置非阻塞
{
int old_fl=fcntl(fd,F_GETFL);
if(old_fl<0)
{
perror("perror");
return -1;
}
if(fcntl(fd,F_SETFL,old_fl|O_NONBLOCK))
{
perror("fcntl");
return -1;
}

return 0;
}

int read_data(int fd,char* buf,int size)//ET模式下读取数据，必须一次读完
{
assert(buf);
int index=0;
ssize_t _s=-1;
while((_s=read(fd,buf+index,size-index))<size)
{
if(errno==EAGAIN)
{
break;
}
index += _s;
}
return index;
}

static int start(int port,char *ip)
{
assert(ip);
int sock=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
if(sock<0)
{
perror("socket");
exit(1);
}

struct sockaddr_in local;
local.sin_port=htons(port);
local.sin_family=AF_INET;
local.sin_addr.s_addr=inet_addr(ip);

int opt=1;  //设置为接口复用
setsockopt(sock,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&opt,sizeof(opt));

if(bind(sock,(struct sockaddr*)&local,sizeof(local))<0)
{
perror("bind");
exit(2);
}

if(listen(sock,_BACKLOG_)<0)
{
perror("listen");
exit(3);
}
return sock;
}

static int epoll_server(int listen_sock)
{
int epoll_fd=epoll_create(256);//生成一个专用的epoll文件描述符
if(epoll_fd<0)
{
perror("epoll_create");
exit(1);
}
set_no_block（listen_sock）；//设置监听套接字为非阻塞
struct epoll_event ev;//用于注册事件
struct epoll_event ret_ev[_MAX_];//数组用于回传要处理的事件
int ret_num=_MAX_;
int read_num=-1;
ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;
ev.data.fd=listen_sock;
if(epoll_ctl(epoll_fd,EPOLL_CTL_ADD,listen_sock,&ev)<0)//用于控制某个文件描述符上的事件（注册，修改，删除）
{
perror("epoll_ctl");
return -2;
}

int done=0;
int i=0;
int timeout=5000;
struct sockaddr_in client;
socklen_t len=sizeof(client);
while(!done)
{
switch(read_num=epoll_wait(epoll_fd,ret_ev,ret_num,timeout))//用于轮寻I/O事件的发生
{
case0：
printf("time out\n");
break;
case -1:
perror("epoll");
exit(2);
default:
{
for(i=0;i<read_num;++i)
{
if(ret_ev[i].data.fd==listen_sock&&(ret_ev[i].events&EPOLLIN))
{

int fd=ret_ev[i].data.fd;
int new_sock=accept(fd,(struct sockaddr*)&client,&len);
if(new_sock<0)
{
perror("accept")；
continue;
}
set_no_block（new_sock）；//设置套接字为非阻塞
ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;
ev.data.fd=new_sock;
epoll_ctl(epoll_fd,EPOLL_CTL_ADD,new_sock,&ev);
printf("get a new client...\n");
}
else  //normal sock
{
if(ret_ev[i].events&EPOLLIN)
{
int fd=ret_ev[i].data.fd;
data_buf_p mem=(data_buf_p)malloc(sizeof(data_buf_t));
if(!mem)
{
perror("malloc");
continue;
}
mem->fd=fd;
memset(mem->buf,'\0',sizeof(mem->buf));
ssize_t _s=read_data(mem->fd,mem->buf,sizeof(mem -> buf)-1);//一次读完
if(_s>0)
{
mem->buf[_s-1]='\0';
printf("client: %s\n",mem->buf);
ev.events=EPOLLOUT|EPOLLET;
ev.data.ptr=mem;
epoll_ctl(epoll_fd,EPOLL_CTL_MOD,fd,&ev);
}
else if(_s==0)
{
printf("client close...\n");
epoll_ctl(epoll_fd,EPOLL_CTL_DEL,fd,NULL);
close(fd);
free(mem);
}
else
{
continue;
}
}
else if(ret_ev[i].events&EPOLLOUT)  //写事件准备就绪
{
data_buf_p mem=(data_buf_p)ret_ev[i].data.ptr;
char* msg="http/1.0 200 ok\r\n\r\nhello bit\r\n";
int fd=mem->fd;

write(fd,msg,strlen(msg));
close(fd);
epoll_ctl(epoll_fd,EPOLL_CTL_DEL,fd,&ev);  //写完服务端直接退出
free(mem);
}
else{
//....
}
}
}
}
break;
}
}

}

int main(int argc,char* argv[])
{
if(argc!=3)
{
usage(argv[0]);
return 1;
}

int port=atoi(argv[2]);
char *ip=argv[1];

int listen_sock=start(port,ip);
epoll_server(listen_sock);
close(listen_sock);
return 0;
}

我们在浏览器上访问我们的服务器程序，当服务器发送给浏览器数据后，服务端关闭连接关闭连接结果如下：




至此，完。