原文作者：aircraft
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鍥子：關於併發服務器中的I/O複用實現方式，前面在網絡編程系列四還是五來着？？？？我們講過select的方式，但select的性能比較低，當連接數量超過幾百個的時候就很慢了，並不適合以Web服務器端開發爲主流的現代開發環境。因此就有了Linux下的epoll，BSD的kqueue，Solaris的/dev/poll和Windows的IOCP等複用技術。本章就來講講Linux下的epoll技術和Windows下的IOCP模型。
一：IOCP和Epoll之間的異同。 異： 1：IOCP是WINDOWS系統下使用。Epoll是Linux系統下使用。 2：IOCP是IO操作完畢之後，通過Get函數獲得一個完成的事件通知。 Epoll是當你希望進行一個IO操作時，向Epoll查詢是否可讀或者可寫，若處於可讀或可寫狀態後，Epoll會通過epoll_wait進行通知。 3：IOCP封裝了異步的消息事件的通知機制，同時封裝了部分IO操作。但Epoll僅僅封裝了一個異步事件的通知機制，並不負責IO讀寫操作。Epoll保持了事件通知和IO操作間的獨立性，更加簡單靈活。 4：基於上面的描述，我們可以知道Epoll不負責IO操作，所以它只告訴你當前可讀可寫了，並且將協議讀寫緩衝填充，由用戶去讀寫控制，此時我們可以做出額外的許多操作。IOCP則直接將IO通道里的讀寫操作都做完了才通知用戶，當IO通道里發生了堵塞等狀況我們是無法控制的。
同： 1：它們都是異步的事件驅動的網絡模型。 2：它們都可以向底層進行指針數據傳遞，當返回事件時，除可通知事件類型外，還可以通知事件相關數據。
二：Epoll理解與應用。
1、epoll是什麼？
epoll是當前在Linux下開發大規模併發網絡程序的熱門人選，epoll 在Linux2.6內核中正式引入，和select相似，都是I/O多路複用(IO multiplexing)技術。
Linux下設計併發網絡程序，常用的模型有：
Apache模型（Process Per Connection，簡稱PPC）
TPC（Thread PerConnection）模型
select模型和poll模型。
epoll模型
2、epoll與select對比優化：
- 基於select的I/O複用技術速度慢的原因： 1，調用select函數後常見的針對所有文件描述符的循環語句。它每次事件發生需要遍歷所有文件描述符，找出發生變化的文件描述符。(以前寫的示例沒加循環) 2，每次調用select函數時都需要向該函數傳遞監視對象信息。即每次調用select函數時向操作系統傳遞監視對象信息，至於爲什麼要傳？是因爲我們監視的套接字變化的函數，而套接字是操作系統管理的。(這個纔是最耗效率的) 註釋：基於這樣的原因並不是說select就沒用了，在這樣的情況下就適合選用select：1，服務端接入者少 2，程序應具有兼容性。
- epoll是怎麼優化select問題的： 1，每次發生事件它不需要循環遍歷所有文件描述符，它把發生變化的文件描述符單獨集中到了一起。 2，僅向操作系統傳遞1次監視對象信息，監視範圍或內容發生變化時只通知發生變化的事項。
- 實現epoll時必要的函數和結構體 函數： epoll_create：創建保存epoll文件描述符的空間，該函數也會返回文件描述符，所以終止時，也要調用close函數。(創建內存空間) epoll_ctl：向空間註冊，添加或修改文件描述符。(註冊監聽事件) epoll_wait：與select函數類似，等待文件描述符發生變化。(監聽事件回調) 結構體： struct epoll_event { __uint32_t events; epoll_data_t data; } typedef union epoll_data { void *ptr; int fd; __uinit32_t u32; __uint64_t u64; } epoll_data_t;
epoll的幾個函數的介紹：
1、epoll_create函數：
/** * @brief 該函數生成一個epoll專用的文件描述符。它其實是在內核申請一空間，用來存放你想關注的socket fd上是否發生以及發生了什麼事件。 * * @param size size就是你在這個epoll fd上能關注的最大socket fd數 * * @return 生成的文件描述符 */ int epoll_create(int size);
2、epoll_ctl函數：
/** * @brief 該函數用於控制某個epoll文件描述符上的事件，可以註冊事件，修改事件，刪除事件。 * * @param epfd 由 epoll_create 生成的epoll專用的文件描述符 * @param op 要進行的操作例如註冊事件，可能的取值EPOLL_CTL_ADD 註冊、EPOLL_CTL_MOD 修 改、EPOLL_CTL_DEL 刪除 * @param fd 關聯的文件描述符 * @param event 指向epoll_event的指針 * * @return 0 succ * -1 fail */ int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
其中用到的數據結構結構如下： op值： EPOLL_CTL_ADD：註冊新的fd到epfd中；
EPOLL_CTL_MOD：修改已經註冊的fd的監聽事件；
EPOLL_CTL_DEL：從epfd中刪除一個fd；
typedef union epoll_data { void *ptr; int fd; __uint32_t u32; __uint64_t u64; } epoll_data_t; struct epoll_event { __uint32_t events; /* Epoll events */ epoll_data_t data; /* User data variable */ };
常用的事件類型: EPOLLIN ：表示對應的文件描述符可以讀； EPOLLOUT：表示對應的文件描述符可以寫； EPOLLPRI：表示對應的文件描述符有緊急的數據可讀 EPOLLERR：表示對應的文件描述符發生錯誤； EPOLLHUP：表示對應的文件描述符被掛斷； EPOLLET： 表示對應的文件描述符有事件發生；
例：
<code class="language-cpp">struct epoll_event ev;
//設置與要處理的事件相關的文件描述符
ev.data.fd=listenfd;
//設置要處理的事件類型
ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;
//註冊epoll事件
epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,listenfd,&ev); </code> 3、epoll_wait函數：
/** * @brief 該函數用於輪詢I/O事件的發生 * * @param epfd 由epoll_create 生成的epoll專用的文件描述符 * @param events 用於回傳代處理事件的數組 * @param maxevents 每次能處理的事件數 * @param timeout 等待I/O事件發生的超時值；-1相當於阻塞，0相當於非阻塞。一般用-1即可 * * @return >=0 返回發生事件數 * -1 錯誤 */ int epoll_wait(int epfd,struct epoll_event * events,int maxevents,int timeout);
用改良的epoll實現回聲服務端代碼：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/epoll.h>
#define BUF_SIZE 100
#define EPOLL_SIZE 50
void error_handling(char *buf);
int main(int argc, const 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];
//類似select的fd_set變量查看監視對象的狀態變化，epoll_event結構體將發生變化的文件描述符單獨集中到一起
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);
if(serv_sock == -1)
error_handling("socket() error");
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");
//創建文件描述符的保存空間稱爲“epoll例程”
epfd = epoll_create(EPOLL_SIZE);
ep_events = malloc(sizeof(struct epoll_event) *EPOLL_SIZE);
//添加讀取事件的監視(註冊事件)
event.events = EPOLLIN; //讀取數據事件
event.data.fd = serv_sock;
epoll_ctl(epdf, EPOLL_CTL_ADD, serv_sock, &event);
while (1)
{
//響應事件，返回發生事件的文件描述符數
event_cnt = epoll_wait(epfd, ep_events, EPOLL_SIZE, -1); //傳-1時，一直等待直到事件發生
if(event_cnt == -1)
{
puts("epoll_wait() error");
break;
}
//服務端套接字和客服端套接字
for (i = 0; i < event_cnt; i++) {
if(ep_events[i].data.fd == serv_sock)//服務端與客服端建立連接
{
adr_sz = sizeof(clnt_adr);
clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr *)&clnt_adr, &adr_sz);
event.events = EPOLLIN;
event.data.fd = clnt_sock;
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, clnt_sock, &event);
printf("connected client: %d \n", clnt_sock);
}
else //連接之後傳遞數據
{
str_len = read(ep_events[i].data.fd, buf, BUF_SIZE);
if(str_len == 0)
{
//刪除事件
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, ep_events[i].data.fd, NULL);
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);
}epoll客戶端代碼：
#define _GNU_SOURCE
#include "sysutil.h"
#include "buffer.h"
#include <sys/epoll.h>
int main(int argc, char const *argv[])
{
//創建client套接字
int sockfd = tcp_client(0);
//調用非阻塞connect函數
int ret = nonblocking_connect(sockfd, "localhost", 9981, 5000);
if(ret == -1)
{
perror("Connect Timeout .");
exit(EXIT_FAILURE);
}
//將三個fd設置爲Non-Blocking
activate_nonblock(sockfd);
activate_nonblock(STDIN_FILENO);
activate_nonblock(STDOUT_FILENO);
buffer_t recvbuf; //sockfd -> Buffer -> stdout
buffer_t sendbuf; //stdin -> Buffer -> sockfd
//初始化緩衝區
buffer_init(&recvbuf);
buffer_init(&sendbuf);
//創建epoll
int epollfd = epoll_create1(0);
if(epollfd == -1)
ERR_EXIT("create epoll");
struct epoll_event events[1024];
uint32_t sockfd_event = 0;
uint32_t stdin_event = 0;
uint32_t stdout_event = 0;
epoll_add_fd(epollfd, sockfd, sockfd_event);
epoll_add_fd(epollfd, STDIN_FILENO, stdin_event);
epoll_add_fd(epollfd, STDOUT_FILENO, stdout_event);
while(1)
{
//重新裝填epoll事件
sockfd_event = 0;
stdin_event = 0;
stdout_event = 0;
//epoll無法每次都重新裝填，所以給每個fd添加一個空事件
if(buffer_is_readable(&sendbuf))
{
sockfd_event |= kWriteEvent;
}
if(buffer_is_writeable(&sendbuf))
{
stdin_event |= kReadEvent;
}
if(buffer_is_readable(&recvbuf))
{
stdout_event |= kWriteEvent;
}
if(buffer_is_writeable(&recvbuf))
{
sockfd_event |= kReadEvent;
}
epoll_mod_fd(epollfd, sockfd, sockfd_event);
epoll_mod_fd(epollfd, STDIN_FILENO, stdin_event);
epoll_mod_fd(epollfd, STDOUT_FILENO, stdout_event);
//監聽fd數組
int nready = epoll_wait(epollfd, events, 1024, 5000);
if(nready == -1)
ERR_EXIT("epoll wait");
else if(nready == 0)
{
printf("epoll timeout.\n");
continue;
}
else
{
int i;
for(i = 0; i < nready; ++i)
{
int peerfd = events[i].data.fd;
int revents = events[i].events;
if(peerfd == sockfd && revents & kReadREvent)
{
//從sockfd接收數據到recvbuf
if(buffer_read(&recvbuf, peerfd) == 0)
{
fprintf(stderr, "server close.\n");
exit(EXIT_SUCCESS);
}
}
if(peerfd == sockfd && revents & kWriteREvent)
{
buffer_write(&sendbuf, peerfd); //將sendbuf中的數據寫入sockfd
}
if(peerfd == STDIN_FILENO && revents & kReadREvent)
{
//從stdin接收數據寫入sendbuf
if(buffer_read(&sendbuf, peerfd) == 0)
{
fprintf(stderr, "exit.\n");
exit(EXIT_SUCCESS);
}
}
if(peerfd == STDOUT_FILENO && revents & kWriteREvent)
{
buffer_write(&recvbuf, peerfd); //將recvbuf中的數據輸出至stdout
}
}
}
}
}條件觸發和邊緣觸發- 什麼是條件觸發和邊緣觸發？它們是指事件響應的方式，epoll默認是條件觸發的方式。條件觸發是指：只要輸入緩衝中有數據就會一直通知該事件，循環響應epoll_wait。而邊緣觸發是指：輸入緩衝收到數據時僅註冊1次該事件，即使輸入緩衝中還留有數據，也不會再進行註冊，只響應一次。
- 邊緣觸發相對條件觸發的優點：可以分離接收數據和處理數據的時間點，從實現模型的角度看，邊緣觸發更有可能帶來高性能。
- 將上面epoll實例改爲邊緣觸發：
1，首先改寫 event.events = EPOLLIN | EPOLLET; （EPOLLIN:讀取數據事件 EPOLLET:邊緣觸發方式）
2，邊緣觸發只響應一次接收數據事件，所以要一次性全部讀取輸入緩衝中的數據，那麼就需要判斷什麼時候數據讀取完了？Linux聲明瞭一個全局的變量：int errno; (error.h中)，它能記錄發生錯誤時提供額外的信息。這裏就可以用它來判斷是否讀取完數據：
str_len = read(...);
if(str_len < 0)
{
if(errno == EAGAIN) //讀取輸入緩衝中的全部數據的標誌
break;
}3，邊緣觸發方式下，以阻塞方式工作的read&write有可能會引起服務端的長時間停頓。所以邊緣觸發一定要採用非阻塞的套接字數據傳輸形式。那麼怎麼將套接字的read,write數據傳輸形式修改爲非阻塞模式呢？
//fd套接字文件描述符，將此套接字數據傳輸模式修改爲非阻塞
void setnonblockingmode(int fd)
{
int flag = fcntl(fd, F_GETFL,0); //得到套接字原來屬性
fcntl(fd, F_SETFL, flag | O_NONBLOCK);//在原有屬性基礎上設置添加非阻塞模式
}三.IOCP理解與應用。
扯遠點。首先傳統服務器的網絡IO流程如下： 接到一個客戶端連接->創建一個線程負責這個連接的IO操作->持續對新線程進行數據處理->全部數據處理完畢->終止線程。 但是這樣的設計代價是：
- 1：每個連接創建一個線程，將導致過多的線程。
- 2：維護線程所消耗的堆棧內存過大。
- 3：操作系統創建和銷燬線程過大。
- 4：線程之間切換的上下文代價過大。
- 3：操作系統創建和銷燬線程過大。
- 2：維護線程所消耗的堆棧內存過大。
此時我們可以考慮使用線程池解決其中3和4的問題。這種傳統的服務器網絡結構稱之爲會話模型。 後來我們爲防止大量線程的維護，創建了I/O模型，它被希望要求可以: 1：允許一個線程在不同時刻給多個客戶端進行服務。 2：允許一個客戶端在不同時間被多個線程服務。
這樣做的話，我們的線程則會大幅度減少，這就要求以下兩點： 1：客戶端狀態的分離，之前會話模式我們可以通過線程狀態得知客戶端狀態，但現在客戶端狀態要通過其他方式獲取。 2：I/O請求的分離。一個線程不再服務於一個客戶端會話，則要求客戶端對這個線程提交I/O處理請求。
那麼就產生了這樣一個模式，分爲三部分:
- 1：會話狀態管理模塊。它負責接收到一個客戶端連接，就創建一個會話狀態。
- 2：當會話狀態發生改變，例如斷掉連接，接收到網絡消息，就發送一個I/O請求給 I/O工作模塊進行處理。
- 3：I/O工作模塊接收到一個I/O請求後，從線程池裏喚醒一個工作線程，讓該工作線程處理這個I/O請求，處理完畢後，該工作線程繼續掛起。
- 2：當會話狀態發生改變，例如斷掉連接，接收到網絡消息，就發送一個I/O請求給 I/O工作模塊進行處理。
上面的做法，則將網絡連接 和I/O工作線程分離爲三個部分，相互通訊僅依靠 I/O請求。此時可知有以下一些建議：
- 1：在進行I/O請求處理的工作線程是被喚醒的工作線程，一個CPU對應一個的話，可以最大化利用CPU。所以 活躍線程的個數 建議等於 硬件CPU個數。
- 2：工作線程我們開始創建了線程池，免除創建和銷燬線程的代價。因爲線程是對I/O進行操作的，且一一對應，那麼當I/O全部並行時，工作線程必須滿足I/O並行操作需求，所以 線程池內最大工作線程個數 建議大於或者等於 I/O並行個數。
- 3：但是我們可知CPU個數又限制了活躍的線程個數，那麼線程池過大意義很低，所以按常規建議 線程池大小 等於 CPU個數*2 左右爲佳。例如，8核服務器建議創建16個工作線程的線程池。 上面描述的依然是I/O模型並非IOCP，那麼IOCP是什麼呢，全稱 IO完成端口。
- 2：工作線程我們開始創建了線程池，免除創建和銷燬線程的代價。因爲線程是對I/O進行操作的，且一一對應，那麼當I/O全部並行時，工作線程必須滿足I/O並行操作需求，所以 線程池內最大工作線程個數 建議大於或者等於 I/O並行個數。
它是一種WIN32的網絡I/O模型，既包括了網絡連接部分，也負責了部分的I/O操作功能，用於方便我們控制有併發性的網絡I/O操作。它有如下特點：
- 1：它是一個WIN32內核對象，所以無法運行於Linux.
- 2：它自己負責維護了工作線程池，同時也負責了I/O通道的內存池。
- 3：它自己實現了線程的管理以及I/O請求通知，最小化的做到了線程的上下文切換。
- 4：它自己實現了線程的優化調度，提高了CPU和內存緩衝的使用率。
- 3：它自己實現了線程的管理以及I/O請求通知，最小化的做到了線程的上下文切換。
- 2：它自己負責維護了工作線程池，同時也負責了I/O通道的內存池。
使用IOCP的基本步驟很簡單：
- 1：創建IOCP對象，由它負責管理多個Socket和I/O請求。CreateIoCompletionPort需要將IOCP對象和IOCP句柄綁定。
- 2：創建一個工作線程池，以便Socket發送I/O請求給IOCP對象後，由這些工作線程進行I/O操作。注意，創建這些線程的時候，將這些線程綁定到IOCP上。
- 3：創建一個監聽的socket。
- 4：輪詢，當接收到了新的連接後，將socket和完成端口進行關聯並且投遞給IOCP一個I/O請求。注意：將Socket和IOCP進行關聯的函數和創建IOCP的函數一樣，都是CreateIoCompletionPort，不過注意傳參必然是不同的。
- 5：因爲是異步的，我們可以去做其他，等待IOCP將I/O操作完成會回饋我們一個消息，我們再進行處理。
- 其中需要知道的是：I/O請求被放在一個I/O請求隊列裏面，對，是隊列，LIFO機制。當一個設備處理完I/O請求後，將會將這個完成後的I/O請求丟回IOCP的I/O完成隊列。
- 我們應用程序則需要在GetQueuedCompletionStatus去詢問IOCP，該I/O請求是否完成。
- 其中有一些特殊的事情要說明一下，我們有時有需要人工的去投遞一些I/O請求，則需要使用PostQueuedCompletionStatus函數向IOCP投遞一個I/O請求到它的請求隊列中。
- 4：輪詢，當接收到了新的連接後，將socket和完成端口進行關聯並且投遞給IOCP一個I/O請求。注意：將Socket和IOCP進行關聯的函數和創建IOCP的函數一樣，都是CreateIoCompletionPort，不過注意傳參必然是不同的。
- 3：創建一個監聽的socket。
- 2：創建一個工作線程池，以便Socket發送I/O請求給IOCP對象後，由這些工作線程進行I/O操作。注意，創建這些線程的時候，將這些線程綁定到IOCP上。
最後說一句啦。本網絡編程入門系列博客是連載學習的，有興趣的可以看我博客其他篇。。。。
參考博客：http://blog.csdn.net/penzo/article/details/5986574
參考博客：https://blog.csdn.net/educast/article/details/15500349
參考博客：https://blog.csdn.net/u010223072/article/details/49276415
參考書籍：《TCP/IP網絡編程--尹聖雨》