Linux高级IO——多路转接之epoll

本章代码Gitee地址：EpollServer

文章目录

    • 1. epoll接口
      • 1.1 epoll_create
      • 1.2 epoll_wait
      • 1.3 epoll_ctl
    • 2. epoll原理
    • 3. epoll_server
    • 4. epoll两种工作模式

1. epoll接口

1.1 epoll_create

#include <sys/epoll.h>
int epoll_create(int size);

参数int size理论上可以随便写（已废弃）

返回值：

  • 成功返回一个文件描述符
  • 失败返回-1

1.2 epoll_wait

#include <sys/epoll.h>
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);

参数：

  • int epfd：epoll_create的返回值

  • struct epoll_event *events, int maxevents：用户及缓冲区，返回已经就绪的文件描述符和事件

    typedef union epoll_data {void    *ptr;int      fd;uint32_t u32;uint64_t u64;
} epoll_data_t;struct epoll_event {uint32_t     events;    //位图传递epoll_data_t data;      //
};

  • int timeout：超时时间，单位是毫秒，0为非阻塞，-1为阻塞式

返回值：已经就绪的文件描述符的个数

1.3 epoll_ctl

#include <sys/epoll.h>
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

参数：

  • int epfd：epoll_create的返回值

  • int op：

    EPOLL_CTL_ADD	//增添
EPOLL_CTL_MOD	//修改
EPOLL_CTL_DEL	//删除

  • int fd, struct epoll_event *event：哪个文件描述符上的哪个事件

select和poll都是用数组维护的，需要用户进行管理

2. epoll原理

网卡是外设，当硬件就绪之后，会以硬件中断的方式来告诉操作系统，将网卡的数据读到网卡驱动上，而操作系统读数据是从文件缓冲区读取数据。

所以为了支持epoll，操作系统支持三种机制：

  1. 内核会维护一颗红黑树，红黑树节点里面包含：

    struct rb_node
{int fd;	//内核要关系的文件描述符uint32_t event;	//要关系的事件	位图形式//...
}

  2. 此外还会维护一个就绪队列，一旦红黑树上有节点就绪，此时就会将该节点链入到队列当中

struct list_node
{int fd;	//已就绪的文件描述符uint32_t event;	//已就绪的事件//...
}

  1. 操作系统的底层网卡，是允许操作系统注册一些回调机制。

    操作系统内部提供一个回调函数，网卡以中断的方式将数据搬到了网卡驱动层，驱动层当中有数据就绪了，那么数据链路层就会自动调用对应的回调函数。
    这个回调函数要做的就是：

    • 向上交付
    • 数据到来解包交到tcp接收队列
    • 查找rb_tree->fd
    • 构建就绪节点，插入就绪队列

以上三套机制，就叫做epoll模型

Linux一切接文件，strcut file指针指向这个epoll模型，然后将struct file对象添加到进程文件描述符表里面，所以epoll的返回值是一个文件描述符。

image-20240412232048177

epoll优势：

  1. 检测就绪时间复杂度为O(1)，判断队列是否为空

    获取就绪队列时间复杂度O(n)

  2. fd、event没有上限，所以的文件描述符和关系的事件都是由红黑树管理的，这颗红黑树多大，操作系统决定

如何看待这颗红黑树？

select和poll都需要辅助数组，数组用户维护，而这颗红黑树就相当于之前我们自己维护的数组，只不过在epoll里面是由系统管理

  1. epoll_wait返回值表示有多少事件就绪，将就绪的节点一个一个弹出，依次放入数组，就绪事件是连续的

3. epoll_server

#include<iostream>
#include<memory>
#include<string>
#include"Socket.hpp"
#include"Log.hpp"
#include"Epoller.hpp"
#include"Nocopy.hpp"uint32_t EVENT_IN = (EPOLLIN);
uint32_t EVENT_OUT = (EPOLLOUT);class EpollServer : public Nocopy
{static const int defaultnum = 64;   //默认一次性最多获取64个事件
public:EpollServer(uint16_t port):_port(port),_listensock_ptr(new MySocket()),_epoller_ptr(new Epoller()){}void Init(){//创建套接字_listensock_ptr->Socket();//绑定套接字_listensock_ptr->Bind(_port);//监听套接字_listensock_ptr->Listen();log(Info, "create listen socket success: %d", _listensock_ptr->Getfd());}void Accepter(){// 获取新链接std::string clientip;uint16_t clientport;int sock = _listensock_ptr->Accept(&clientip, &clientport);if (sock > 0){// 不能直接读取,获取连接不代表发送了数据// 让epoll去关心_epoller_ptr->EpollerCtl(EPOLL_CTL_ADD, sock, EVENT_IN);log(Info, "get a new link, clientip: %s, clientport: %d", clientip.c_str(), clientport);}}void Recver(int fd){// 读事件就绪char buffer[1024];ssize_t n = read(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);   //BUGif (n > 0){buffer[n] = 0;std::cout << "get a message: " << buffer << std::endl;//返回std::string echo_str = "server echo $";echo_str += buffer;write(fd, echo_str.c_str(), echo_str.size());}else if (n == 0){log(Info, "client quit, me too, close fd:%d", fd);//从epoll当中移除   删除红黑树节点_epoller_ptr->EpollerCtl(EPOLL_CTL_DEL, fd, 0);close(fd);  //细节  先移除再关闭}else{log(Warning, " read error, close fd:%d", fd);}}void Dispatcher(struct epoll_event revs[], int num){for(int i = 0; i < num; i++){uint32_t events = revs[i].events;int fd = revs[i].data.fd;if(events & EVENT_IN){//读事件就绪if(fd == _listensock_ptr->Getfd()){Accepter();}else{//其他事件就绪Recver(fd);}}else if(events & EVENT_OUT){//写事件就绪}}}void Start(){//listensock套接字添加进epoll当中//listensock和它关心的事件    本质上添加到内核epoll模型的rb_tree里面_epoller_ptr->EpollerCtl(EPOLL_CTL_ADD, _listensock_ptr->Getfd(), EVENT_IN);    //关心读事件struct epoll_event revs[defaultnum];    //存放就绪的事件for(; ;){//epoll只负责等待int n = _epoller_ptr->EpollerWait(revs, defaultnum);if(n > 0){//有事件就绪log(Debug, "event happend, fd is : %d", revs[0].data.fd);//提取就绪事件   epoll_wait返回值会返回就绪的事件数量//如果数量大于定义的大小, 下次再捞Dispatcher(revs, n);  }else if(n == 0){log(Info, "time out...");}else{log(Error, "epoll_wait error");}}}~EpollServer(){_listensock_ptr->Close();}
private:std::shared_ptr<MySocket> _listensock_ptr;std::shared_ptr<Epoller> _epoller_ptr;//MySocket _listensock;uint16_t _port;//Epoller _epoller;
};

4. epoll两种工作模式

LT模式：

epoll默认工作模式是LT(Level Triggered水平触发)模式

当事件到来时，如果上层一直不取走，底层会一直通知

select和poll采用的也是LT模式

EL模式：

EL(Edge Triggered边缘触发)模式是当数据变化的时候，才会通知一次

数据从无到有，从少到多

打个比方：

快递员A（LT模式）送快递的时候，如果客户一直不取，他就一直打电话，说你的快递到了，签收一下；

快递员B（ET模式）送快递的时候，只通知一次，然后就放在驿站了；如果之后又有快递到了，则又通知一次；

快递员A在一个小时只能，可能只能通知到几个客户；而快递员B在一个小时之内可以通知多个客户

ET不止通知效率高于LT，IO效率也高于LT

由于ET只通知一次，所以就倒逼上层，每次都要把本轮数据全部取走

  • 如何知道本轮数据全部取完？
    比如说，我们有550g的大米，每天要吃100g，前5天正常，到第6天的时候，原本是要吃50g大米的，可是只能吃50g了，这就说明大米没有了
    也就是说当需要读取的目标数据大于实际读取的数据的时候，就表明数据已经全部取走。
    这就需要我们循环读取数据，直到读取出错为止，可是fd是默认是阻塞的，所以在ET模式下，所有的fd要设置成非阻塞Non_block，如果不设置，程序会一直阻塞住

    每次都能取走全部的数据，接收缓冲区就有空间了，这样tcp就能给对方通知更大的窗口，然后对方就可以给我们发送更多的数据

ET是否一定比LT高效？

将LT所有的fd设置成non_block非阻塞，然后循环读取，这就个ET类似了

这里所谓的通知一次和每次通知，本质上其实是向就绪队列添加一次还是每次都添加

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