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【文末送书】计算机网络编程 | epoll详解

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epoll详解

  • 事件模型
    • ET模式
    • LT模式
  • 基于管道epoll ET触发模式
  • 基于网络C/S模型的epoll ET触发模式
  • 基于网络C/S非阻塞模型的epoll ET触发模式
  • epoll的三种工作模式
  • 推书推荐

专栏：《网络编程》

事件模型

EPOLL事件有两种模型：

  • Edge Triggered (ET) 边缘触发只有数据到来才触发，不管缓存区中是否还有数据。
  • Level Triggered (LT) 水平触发只要有数据都会触发。

思考如下步骤：

  • 1.假定我们已经把一个用来从管道中读取数据的文件描述符(RFD)添加到epoll描述符。
  • 2.管道的另一端写入了2KB的数据。
  • 3.调用epoll_wait，并且它会返回RFD，说明它已经准备好读取操作。
  • 4.读取1KB的数据。
  • 5.调用epoll_wait……

在这个过程中，有两种工作模式：

ET模式

ET模式即Edge Triggered工作模式。
如果我们在第1步将RFD添加到epoll描述符的时候使用了EPOLLET标志，那么在第5步调用epoll_wait之后将有可能会挂起，因为剩余的数据还存在于文件的输入缓冲区内，而且数据发出端还在等待一个针对已经发出数据的反馈信息。只有在监视的文件句柄上发生了某个事件的时候 ET 工作模式才会汇报事件。因此在第5步的时候，调用者可能会放弃等待仍在存在于文件输入缓冲区内的剩余数据。epoll工作在ET模式的时候，必须使用非阻塞套接口，以避免由于一个文件句柄的阻塞读/阻塞写操作把处理多个文件描述符的任务饿死。最好以下面的方式调用ET模式的epoll接口，在后面会介绍避免可能的缺陷。

  1. 基于非阻塞文件句柄
  2. 只有当read或者write返回EAGAIN(非阻塞读，暂时无数据)时才需要挂起、等待。但这并不是说每次read时都需要循环读，直到读到产生一个EAGAIN才认为此次事件处理完成，当read返回的读到的数据长度小于请求的数据长度时，就可以确定此时缓冲中已没有数据了，也就可以认为此事读事件已处理完成。

LT模式

LT模式即Level Triggered工作模式。
与ET模式不同的是，以LT方式调用epoll接口的时候，它就相当于一个速度比较快的poll，无论后面的数据是否被使用。
LT(level triggered)：LT是缺省的工作方式，并且同时支持block和no-block socket。在这种做法中，内核告诉你一个文件描述符是否就绪了，然后你可以对这个就绪的fd进行IO操作。如果你不作任何操作，内核还是会继续通知你的，所以，这种模式编程出错误可能性要小一点。传统的select/poll都是这种模型的代表。
ET(edge-triggered)：ET是高速工作方式，只支持no-block socket。在这种模式下，当描述符从未就绪变为就绪时，内核通过epoll告诉你。然后它会假设你知道文件描述符已经就绪，并且不会再为那个文件描述符发送更多的就绪通知。请注意，如果一直不对这个fd作IO操作(从而导致它再次变成未就绪)，内核不会发送更多的通知(only once).

基于管道epoll ET触发模式

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>

#define MAXLINE 10

int main(int argc, char *argv[])
{
	int efd, i;
	int pfd[2];
	pid_t pid;
	char buf[MAXLINE], ch = 'a';

	pipe(pfd);
	pid = fork();
	if (pid == 0) {
		close(pfd[0]);
		while (1) {
			for (i = 0; i < MAXLINE/2; i++)
				buf[i] = ch;
			buf[i-1] = '\n';
			ch++;

			for (; i < MAXLINE; i++)
				buf[i] = ch;
			buf[i-1] = '\n';
			ch++;

			write(pfd[1], buf, sizeof(buf));
			sleep(2);
		}
		close(pfd[1]);
	} else if (pid > 0) {
		struct epoll_event event;
		struct epoll_event resevent[10];
		int res, len;
		close(pfd[1]);

		efd = epoll_create(10);
		/* event.events = EPOLLIN; */
		event.events = EPOLLIN | EPOLLET;		/* ET 边沿触发 ，默认是水平触发 */
		event.data.fd = pfd[0];
	epoll_ctl(efd, EPOLL_CTL_ADD, pfd[0], &event);

		while (1) {
			res = epoll_wait(efd, resevent, 10, -1);
			printf("res %d\n", res);
			if (resevent[0].data.fd == pfd[0]) {
				len = read(pfd[0], buf, MAXLINE/2);
				write(STDOUT_FILENO, buf, len);
			}
		}
		close(pfd[0]);
		close(efd);
	} else {
		perror("fork");
		exit(-1);
	}
	return 0;
}

基于网络C/S模型的epoll ET触发模式

server

/* server.c */
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <signal.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <unistd.h>

#define MAXLINE 10
#define SERV_PORT 8080

int main(void)
{
	struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;
	socklen_t cliaddr_len;
	int listenfd, connfd;
	char buf[MAXLINE];
	char str[INET_ADDRSTRLEN];
	int i, efd;

	listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

	bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
	servaddr.sin_family = AF_INET;
	servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
	servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);

	bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));

	listen(listenfd, 20);

	struct epoll_event event;
	struct epoll_event resevent[10];
	int res, len;
	efd = epoll_create(10);
	event.events = EPOLLIN | EPOLLET;		/* ET 边沿触发 ，默认是水平触发 */

	printf("Accepting connections ...\n");
	cliaddr_len = sizeof(cliaddr);
	connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &cliaddr_len);
	printf("received from %s at PORT %d\n",
			inet_ntop(AF_INET, &cliaddr.sin_addr, str, sizeof(str)),
			ntohs(cliaddr.sin_port));

	event.data.fd = connfd;
	epoll_ctl(efd, EPOLL_CTL_ADD, connfd, &event);

	while (1) {
		res = epoll_wait(efd, resevent, 10, -1);
		printf("res %d\n", res);
		if (resevent[0].data.fd == connfd) {
			len = read(connfd, buf, MAXLINE/2);
			write(STDOUT_FILENO, buf, len);
		}
	}
	return 0;
}

client

/* client.c */
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <netinet/in.h>

#define MAXLINE 10
#define SERV_PORT 8080

int main(int argc, char *argv[])
{
	struct sockaddr_in servaddr;
	char buf[MAXLINE];
	int sockfd, i;
	char ch = 'a';

	sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

	bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
	servaddr.sin_family = AF_INET;
	inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &servaddr.sin_addr);
	servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);

	connect(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));

	while (1) {
		for (i = 0; i < MAXLINE/2; i++)
			buf[i] = ch;
		buf[i-1] = '\n';
		ch++;

		for (; i < MAXLINE; i++)
			buf[i] = ch;
		buf[i-1] = '\n';
		ch++;

		write(sockfd, buf, sizeof(buf));
		sleep(10);
	}
	Close(sockfd);
	return 0;
}

基于网络C/S非阻塞模型的epoll ET触发模式

server

/* server.c */
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>

#define MAXLINE 10
#define SERV_PORT 8080

int main(void)
{
	struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;
	socklen_t cliaddr_len;
	int listenfd, connfd;
	char buf[MAXLINE];
	char str[INET_ADDRSTRLEN];
	int i, efd, flag;

	listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

	bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
	servaddr.sin_family = AF_INET;
	servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
	servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);

	bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));

	listen(listenfd, 20);

	struct epoll_event event;
	struct epoll_event resevent[10];
	int res, len;
	efd = epoll_create(10);
	/* event.events = EPOLLIN; */
	event.events = EPOLLIN | EPOLLET;		/* ET 边沿触发 ，默认是水平触发 */

	printf("Accepting connections ...\n");
	cliaddr_len = sizeof(cliaddr);
	connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &cliaddr_len);
	printf("received from %s at PORT %d\n",
			inet_ntop(AF_INET, &cliaddr.sin_addr, str, sizeof(str)),
			ntohs(cliaddr.sin_port));

	flag = fcntl(connfd, F_GETFL);
	flag |= O_NONBLOCK;
	fcntl(connfd, F_SETFL, flag);
	event.data.fd = connfd;
	epoll_ctl(efd, EPOLL_CTL_ADD, connfd, &event);

	while (1) {
		printf("epoll_wait begin\n");
		res = epoll_wait(efd, resevent, 10, -1);
		printf("epoll_wait end res %d\n", res);

		if (resevent[0].data.fd == connfd) {
			while ((len = read(connfd, buf, MAXLINE/2)) > 0)
				write(STDOUT_FILENO, buf, len);
		}
	}
	return 0;
}

client

/* client.c */
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <netinet/in.h>

#define MAXLINE 10
#define SERV_PORT 8080

int main(int argc, char *argv[])
{
	struct sockaddr_in servaddr;
	char buf[MAXLINE];
	int sockfd, i;
	char ch = 'a';

	sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

	bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
	servaddr.sin_family = AF_INET;
	inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &servaddr.sin_addr);
	servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);

	connect(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));

	while (1) {
		for (i = 0; i < MAXLINE/2; i++)
			buf[i] = ch;
		buf[i-1] = '\n';
		ch++;

		for (; i < MAXLINE; i++)
			buf[i] = ch;
		buf[i-1] = '\n';
		ch++;

		write(sockfd, buf, sizeof(buf));
		sleep(10);
	}
	Close(sockfd);
	return 0;
}

epoll的三种工作模式

水平触发模式 – （根据读来解释）

  • 只要fd对应的缓冲区有数据，epoll_wait就会返回
  • 返回的次数与发送数据的次数没有关系
  • epoll默认的工作模式

边沿触发模式 – ET

  • fd – 默认阻塞属性
  • 客户端给server发数据:
    发一次数据server 的 epoll_wait就返回一次
    不在乎数据是否读完
    如果读不完，如何把数据全部读出来?
    while(recv());
    数据读完之后recv会阻塞
    解决阻塞问题 —— 设置非阻塞fd

边沿非阻塞触发

  • 效率最高

水平触发模式会多次返回，只要server的read缓冲区有数据，epoll_wait就返回，也就会通知server去读数据，那么在循环检测的时候，只要server的read缓冲区有数据，epoll_wait就会多次调用，多次返回，并通知server去读数据；假如说client发送过了100个数据，也就是serve的read缓冲区有100个数据，但是调用recv函数的时候只能读50个数据，而本次循环只调用了一次recv，那么只能下次循环再读剩余的50个数据，所以下次循环检测的时候，epoll_wait还是会返回，因为缓冲区还是剩余数据。这就是水平触发模式。这样的话虽然client只发了1次，但是epoll_wait会通知两次server去读数据。 —— （printf函数是标准C库函数，C库函数都有一个默认缓冲区，printf的大小是8K。printf函数是行缓冲，使用printf函数的时候，如果不加 \n 会默认等到写满的时候才打印内容，加 \n 会强制把缓冲区的内容打印出来。另外 \0 表示结束，不加 \0 就会一直输出直到遇到 \0，用write(STDOUT_FILENO)替代printf函数就可以解决这些问题。）
边沿触发模式，client发一次数据epoll_wait只返回一次，也就只读一次，这样的话server的read缓冲区可能会有很多数据堆积，server读数据的时候可能读到的是上一次剩余的数据，并且只有client发的时候，epoll_wait才会通知server去读数据，边沿触发模式尽可能减少了epoll_wait的调用次数，缺点是数据有可能读不完导致堆积。

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