网营中国网站建设,网站美工设计收费,资阳网页设计怎么做版式,企业logo标志设计免费epoll 是一种高效的 I/O 多路复用机制#xff0c;广泛用于 Linux 系统中#xff0c;用于处理大量并发的文件描述符。它比传统的 select 和 poll 方法具有更好的性能#xff0c;特别是在处理大量并发连接时。
1.epoll的设计思路
epoll是在select 出现 N 多年后才被发明的广泛用于 Linux 系统中用于处理大量并发的文件描述符。它比传统的 select 和 poll 方法具有更好的性能特别是在处理大量并发连接时。
1.epoll的设计思路
epoll是在select 出现 N 多年后才被发明的是select 和 pollpoll 和 select 基本一样有少量改进的增强版本。epoll通过以下一些措施来改进效率 措施一功能分离 select 低效的原因之一是将“维护等待队列”和“阻塞进程”两个步骤合二为一。 如上图所示每次调用select都需要这两步操作然而大多数应用场景中需要监视的socket相对固定并不需要每次都修改。 epoll将这两个操作分开先用epoll_ctl 维护等待队列再调用epoll_wait 阻塞进程。显而易见效率就能得到提升。 为方便理解后续的内容我们先了解一下epoll的用法。如下的代码中先用epoll_create 创建一个epoll对象 epfd再通过epoll_ctl 将需要监视的socket添加到 epfd 中最后调用epoll_wait 等待数据
int s socketAF_INET SOCK_STREAM 0;
binds ...
listens ... int epfd epoll_create...;
epoll_ctlepfd ...; //将所有需要监听的socket添加到epfd中 while1{ int n epoll_wait... for接收到数据的socket{ //处理 }
}
功能分离使得epoll有了优化的可能。
措施二就绪列表 select低效的另一个原因在于程序不知道哪些socket收到数据只能一个个遍历。如果内核维护一个“就绪列表”引用收到数据的socket就能避免遍历。 如上图所示计算机共有三个socket收到数据的sock2和sock3 被就绪列表rdlist 所引用。当进程被唤醒后只要获取rdlist 的内容就能够知道哪些socket收到数据。
2.epoll底层使用的数据结构
2.1索引的数据结构 既然epoll将“维护监视队列”和“进程阻塞”分离也意味着需要有个数据结构来保存监视的socket至少要方便地添加和移除还要便于搜索以避免重复添加。 epoll 在内核里使用红黑树来跟踪进程所有待检测的文件描述字把需要监控的 socket 通过epoll_ctl() 函数加入内核中的红黑树里红黑树是个高效的数据结构增删改一般时间复杂度是0(logn)。而 select/poll 内核里没有类似 epoll 红黑树这种保存所有待检测的 socket 的数据结构所以select/poll 每次操作时都传入整个 socket 集合给内核而 epoll 因为在内核维护了红黑树可以保存所有待检测的 socket 所以只需要传入一个待检测的 socket减少了内核和用户空间大量的数据拷贝和内存分配。 2.2就绪列表的数据结构 就绪列表引用着就绪的socket所以它应能够快速的插入数据。程序可能随时调用epoll_ctl 添加监视socket也可能随时删除。当删除时若该socket已经存放在就绪列表中它也应该被移除。所以就绪列表应是一种能够快速插入和删除的数据结构。双向链表就是这样一种数据结构epoll使用双向链表来实现就绪队列对应上图的rdlist。 第二点 epoll使用事件驱动的机制内核里维护了一个双向链表来记录就绪事件当某个socket 有事件发生时通过回调函数内核会将其加入到这个就绪事件列表中当用户调用 epoll_wait()函数时只会返回有事件发生的文件描述符的个数不需要像 select/poll 那样轮询扫描整个socket 集合大大提高了检测的效率。 epoll 的方式即使监听的 Socket 数量越多的时候效率不会大幅度降低能够同时监听的 Socket 的数目也非常的多了上限就为系统定义的进程打开的最大文件描述符个数。因而epoll 被称为解决 C10K 问题的利器。插个题外话网上文章不少说 epoll_wait 返回时对于就绪的事件epoll 使用的是共享内存的方式即用户态和内核态都指向了就绪链表所以就避免了内存拷贝消耗。 这是错的!看过 epoll 内核源码的都知道,压根就没有使用共享内存这个玩意。你可以从下面这份代码看到epoll_wait 实现的内核代码中调用了put_user 函数这个函数就是将数据从内核拷贝到用户空间。
3.epoll的工作流程
3.1.创建epoll对象 如下图所示当某个进程调用epoll_create 方法时内核会创建一个 eventpoll 对象也就是程序中 epfd 所代表的对象。 eventpoll 对象也是文件系统中的一员和socket一样它也会有等待队列。创建一个代表该epoll的 eventpoll 对象是必须的因为内核要维护“就绪列表”等数据“就绪列表”可以作为 eventpoll 的成员。
3.2.维护监视列表 创建epoll对象后可以用epoll_ctl 添加或删除所要监听的socket。以添加socket为例。 如上图如果通过epoll_ctl 添加sock1、sock2 和sock3 的监视内核会将 eventpoll 添加到这三个socket的等待队列中。当socket收到数据后中断程序会操作 eventpoll 对象而不是直接操作进程。
3.3.接收数据 当socket收到数据后中断程序会给 eventpoll 的“就绪列表”添加socket引用。 如上图展示的是sock2 和sock3 收到数据后中断程序让rdlist 引用这两个socket。
eventpoll 对象相当于socket和进程之间的中介socket的数据接收并不直接影响进程而是通过改变 eventpoll 的就绪列表来改变进程状态。
当程序执行到epoll_wait 时如果rdlist 已经引用了socket那么epoll_wait 直接返回如果 rdlist 为空阻塞进程。
3.4.阻塞和唤醒进程
假设计算机中正在运行进程 A 和进程 B在某时刻进程 A 运行到了epoll_wait 语句。 如上图所示内核会将进程 A 放入 eventpoll 的等待队列中阻塞进程。
当socket接收到数据中断程序一方面修改rdlist另一方面唤醒 eventpoll 等待队列中的进程进程 A 再次进入运行状态如下图。 也因为rdlist 的存在进程 A 可以知道哪些socket发生了变化。
4.实例代码
下面是一个使用 epoll 的示例代码演示了如何创建 epoll 实例、注册文件描述符、等待事件和处理事件。此示例是一个简单的 TCP 服务器能够接受客户端连接并处理数据。
#include stdio.h
#include ctype.h
#include unistd.h
#include stdlib.h
#include sys/types.h
#include sys/stat.h
#include string.h
#include arpa/inet.h
#include sys/socket.h
#include sys/epoll.h
#include fcntl.h
#include errno.h// 设置文件描述符为非阻塞
void set_nonblocking(int fd) {int flags fcntl(fd, F_GETFL, 0);if (flags -1) {perror(fcntl F_GETFL 错误);exit(1);}if (fcntl(fd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK) -1) {perror(fcntl F_SETFL 错误);exit(1);}
}// 服务器主函数
int main(int argc, const char* argv[])
{// 创建监听套接字int lfd socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if(lfd -1){perror(socket 错误);exit(1);}// 设置监听套接字为非阻塞set_nonblocking(lfd);// 绑定服务器地址和端口struct sockaddr_in serv_addr;memset(serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));serv_addr.sin_family AF_INET;serv_addr.sin_port htons(9999); // 监听端口9999serv_addr.sin_addr.s_addr htonl(INADDR_ANY); // 绑定所有网络接口的IP地址// 设置端口复用int opt 1;setsockopt(lfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, opt, sizeof(opt));// 将套接字绑定到指定地址int ret bind(lfd, (struct sockaddr*)serv_addr, sizeof(serv_addr));if(ret -1){perror(绑定错误);exit(1);}// 开始监听连接请求ret listen(lfd, 64);if(ret -1){perror(监听错误);exit(1);}// 创建一个 epoll 实例int epfd epoll_create(100);if(epfd -1){perror(epoll_create 错误);exit(1);}// 将监听套接字 lfd 加入 epoll 实例监听读事件使用ET模式struct epoll_event ev;ev.events EPOLLIN | EPOLLET; // 监听读事件ET模式ev.data.fd lfd; // 数据是监听套接字 lfdret epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, lfd, ev);if(ret -1){perror(epoll_ctl 错误);exit(1);}// 用于存放触发事件的数组struct epoll_event evs[1024];int size sizeof(evs) / sizeof(struct epoll_event);// 进入事件处理循环while(1){// 等待事件触发int num epoll_wait(epfd, evs, size, -1);if(num -1){perror(epoll_wait 错误);exit(1);}// 处理所有触发的事件for(int i 0; i num; i){int curfd evs[i].data.fd; // 获取当前事件对应的文件描述符// 如果是监听套接字 lfd 有事件发生表示有新连接if(curfd lfd){// 接受所有新连接while (1) {int cfd accept(lfd, NULL, NULL);if(cfd -1){if (errno EAGAIN || errno EWOULDBLOCK) {// 所有连接都已处理break;} else {perror(accept 错误);continue;}}// 设置新连接为非阻塞set_nonblocking(cfd);// 将新连接 cfd 添加到 epoll 实例中监听其读事件使用ET模式ev.events EPOLLIN | EPOLLET;ev.data.fd cfd;ret epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, cfd, ev);if(ret -1){perror(epoll_ctl-accept 错误);exit(1);}printf(新连接 %d 加入\n, cfd);}}else{// 处理已连接套接字的数据收发char buf[1024];int len;// 使用循环确保将缓冲区中所有数据读取完毕while ((len recv(curfd, buf, sizeof(buf), 0)) 0) {printf(客户端 %d 说: %s, curfd, buf);send(curfd, buf, len, 0);memset(buf, 0, sizeof(buf));}if(len -1 (errno ! EAGAIN errno ! EWOULDBLOCK)){perror(recv 错误);// 出错时关闭连接并从 epoll 实例中删除epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, curfd, NULL);close(curfd);}else if(len 0){// 客户端断开连接printf(客户端 %d 已断开连接\n, curfd);epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, curfd, NULL);close(curfd);}}}}close(lfd);return 0;
}
