c++ 網路程式設計（八）TCP/IP LINUX-epoll/windows-IOCP下 socket opoll函式用法 優於select方法的ep...

摘要： 原文作者：aircraft 原文連結：https://www.cnblogs.com/DOMLX/p/9622548.html 鍥子：關於併發伺服器中的I/O複用實現方式，前面在網路程式設計系列四還是五來著？？？？我們講過select的方式，但select的效能比較低，當連線數量超過幾...

原文作者：aircraft

原文連結：https://www.cnblogs.com/DOMLX/p/9622548.html

鍥子：關於併發伺服器中的I/O複用實現方式，前面在網路程式設計系列四還是五來著？？？？我們講過select的方式，但select的效能比較低，當連線數量超過幾百個的時候就很慢了，並不適合以Web伺服器端開發為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函式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封裝了非同步的訊息事件的通知機制，同時封裝了部分IO操作。但Epoll僅僅封裝了一個非同步事件的通知機制，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，由使用者去讀寫控制，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使用者，當IO通道里發生了堵塞等狀況我們是無法控制的。

同：

1：它們都是非同步的事件驅動的網路模型。

2：它們都可以向底層進行指標資料傳遞，當返回事件時，除可通知事件型別外，還可以通知事件相關資料。

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路程式的熱門人選， epoll  在 Linux2.6 核心中正式引入，和 select 相似，都是 I/O 多路複用 (IO multiplexing)技術 。

Linux下設計併發網路程式，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，呼叫select函式後常見的針對所有檔案描述符的迴圈語句。它每次事件發生需要遍歷所有檔案描述符，找出發生變化的檔案描述符。(以前寫的示例沒加迴圈)

  2，每次呼叫select函式時都需要向該函式傳遞監視物件資訊。即每次呼叫select函式時向作業系統傳遞監視物件資訊，至於為什麼要傳？是因為我們監視的套接字變化的函式，而套接字是作業系統管理的。(這個才是最耗效率的)

  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，程式應具有相容性。

• epoll是怎麼優化select問題的：

  1，每次發生事件它不需要迴圈遍歷所有檔案描述符，它把發生變化的檔案描述符單獨集中到了一起。

  2，僅向作業系統傳遞1次監視物件資訊，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時必要的函式和結構體

  函式：

  epoll_create：建立儲存epoll檔案描述符的空間，該函式也會返回檔案描述符，所以終止時，也要呼叫close函式。(建立記憶體空間)

  epoll_ctl：向空間註冊，新增或修改檔案描述符。(註冊監聽事件)

  epoll_wait：與select函式類似，等待檔案描述符發生變化。(監聽事件回撥)

  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的幾個函式的介紹：

1、epoll_create函式：

/**
 * @brief該函式生成一個epoll專用的檔案描述符。它其實是在核心申請一空間，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。 
 *
 * @paramsizesize就是你在這個epoll fd上能關注的最大socket fd數 
 *
 * @return生成的檔案描述符 
 */
int epoll_create(int size);

2、epoll_ctl函式：

/**
 * @brief該函式用於控制某個epoll檔案描述符上的事件，可以註冊事件，修改事件，刪除事件。 
 *
 * @paramepfd由 epoll_create 生成的epoll專用的檔案描述符 
 * @paramop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 
 * @paramfd關聯的檔案描述符 
 * @paramevent指向epoll_event的指標 
 *
 * @return0succ 
 *-1fail 
 */
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

其中用到的資料結構結構如下：

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 */

};

常用的事件型別:

EPOLLIN ：表示對應的檔案描述符可以讀；

EPOLLOUT：表示對應的檔案描述符可以寫；

EPOLLPRI：表示對應的檔案描述符有緊急的資料可讀

EPOLLERR：表示對應的檔案描述符發生錯誤；

EPOLLHUP：表示對應的檔案描述符被結束通話；

EPOLLET： 表示對應的檔案描述符有事件發生；

例：

<code class="language-cpp">struct epoll_event ev;
//設定與要處理的事件相關的檔案描述符
ev.data.fd=listenfd;
//設定要處理的事件型別
ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;
//註冊epoll事件
epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,listenfd,&ev); </code>

3、epoll_wait函式：

/**
 * @brief該函式用於輪詢I/O事件的發生 
 *
 * @paramepfd由epoll_create 生成的epoll專用的檔案描述符 
 * @paramevents用於回傳代處理事件的陣列 
 * @parammaxevents每次能處理的事件數 
 * @paramtimeout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實現回聲服務端程式碼：

#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變數檢視監視物件的狀態變化，epoll_event結構體將發生變化的檔案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");

//建立檔案描述符的儲存空間稱為“epoll例程”
epfd = epoll_create(EPOLL_SIZE);
ep_events = malloc(sizeof(struct epoll_event) *EPOLL_SIZE);

//新增讀取事件的監視(註冊事件)
event.events = EPOLLIN;//讀取資料事件
event.data.fd = serv_sock;
epoll_ctl(epdf, EPOLL_CTL_ADD, serv_sock, &event);

while (1)
{
//響應事件，返回發生事件的檔案描述符數
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線
{
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//連線之後傳遞資料
{
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客戶端程式碼：

#define _GNU_SOURCE
#include "sysutil.h"
#include "buffer.h"
#include <sys/epoll.h>

int main(int argc, char const *argv[])
{
//建立client套接字
int sockfd = tcp_client(0);
//呼叫非阻塞connect函式
int ret = nonblocking_connect(sockfd, "localhost", 9981, 5000);
if(ret == -1)
{
perror("Connect Timeout .");
exit(EXIT_FAILURE);
}

//將三個fd設定為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);


//建立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新增一個空事件

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陣列
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接收資料到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中的資料寫入sockfd
}

if(peerfd == STDIN_FILENO && revents & kReadREvent)
{
//從stdin接收資料寫入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中的資料輸出至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預設是條件觸發的方式。條件觸發是指：只要輸入緩衝中有資料就會一直通知該事件，迴圈響應epoll_wait。而邊緣觸發是指：輸入緩衝收到資料時僅註冊1次該事件，即使輸入緩衝中還留有資料，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：可以分離接收資料和處理資料的時間點，從實現模型的角度看，邊緣觸發更有可能帶來高效能。

• 將上面epoll例項改為邊緣觸發：

  1，首先改寫 event.events = EPOLLIN | EPOLLET; （EPOLLIN:讀取資料事件EPOLLET:邊緣觸發方式）

  2，邊緣觸發只響應一次接收資料事件，所以要一次性全部讀取輸入緩衝中的資料，那麼就需要判斷什麼時候資料讀取完了？Linux聲明瞭一個全域性的變數：int errno; (error.h中)，它能記錄發生錯誤時提供額外的資訊。這裡就可以用它來判斷是否讀取完資料：

str_len = read(...);
if(str_len < 0)
{
if(errno == EAGAIN) //讀取輸入緩衝中的全部資料的標誌
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資料傳輸形式。那麼怎麼將套接字的read,write資料傳輸形式修改為非阻塞模式呢？

//fd套接字檔案描述符，將此套接字資料傳輸模式修改為非阻塞
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定新增非阻塞模式
}

三.IOCP理解與應用。

扯遠點。首先傳統伺服器的網路IO流程如下：
接到一個客戶端連線->建立一個執行緒負責這個連線的IO操作->持續對新執行緒進行資料處理->全部資料處理完畢->終止執行緒。
但是這樣的設計代價是：

• 1：每個連線建立一個執行緒，將導致過多的執行緒。
  • 2：維護執行緒所消耗的堆疊記憶體過大。
    • 3：作業系統建立和銷燬執行緒過大。
      • 4：執行緒之間切換的上下文代價過大。

此時我們可以考慮使用執行緒池解決其中3和4的問題。這種傳統的伺服器網路結構稱之為會話模型。
後來我們為防止大量執行緒的維護，建立了I/O模型，它被希望要求可以:
1：允許一個執行緒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執行緒服務。

這樣做的話，我們的執行緒則會大幅度減少，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執行緒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。一個執行緒不再服務於一個客戶端會話，則要求客戶端對這個執行緒提交I/O處理請求。

那麼就產生了這樣一個模式，分為三部分:

• 1：會話狀態管理模組。它負責接收到一個客戶端連線，就建立一個會話狀態。
  • 2：當會話狀態發生改變，例如斷掉連線，接收到網路訊息，就傳送一個I/O請求給 I/O工作模組進行處理。
    • 3：I/O工作模組接收到一個I/O請求後，從執行緒池裡喚醒一個工作執行緒，讓該工作執行緒處理這個I/O請求，處理完畢後，該工作執行緒繼續掛起。

上面的做法，則將網路連線 和I/O工作執行緒分離為三個部分，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請求處理的工作執行緒是被喚醒的工作執行緒，一個CPU對應一個的話，可以最大化利用CPU。所以 活躍執行緒的個數 建議等於 硬體CPU個數。
  • 2：工作執行緒我們開始建立了執行緒池，免除建立和銷燬執行緒的代價。因為執行緒是對I/O進行操作的，且一一對應，那麼當I/O全部並行時，工作執行緒必須滿足I/O並行操作需求，所以 執行緒池內最大工作執行緒個數 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執行緒個數，那麼執行緒池過大意義很低，所以按常規建議 執行緒池大小 等於 CPU個數*2 左右為佳。例如，8核伺服器建議建立16個工作執行緒的執行緒池。 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完成埠。

它是一種WIN32的網路I/O模型，既包括了網路連線部分，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路I/O操作。它有如下特點：

• 1：它是一個WIN32核心物件，所以無法運行於Linux.
  • 2：它自己負責維護了工作執行緒池，同時也負責了I/O通道的記憶體池。
    • 3：它自己實現了執行緒的管理以及I/O請求通知，最小化的做到了執行緒的上下文切換。
      • 4：它自己實現了執行緒的優化排程，提高了CPU和記憶體緩衝的使用率。

使用IOCP的基本步驟很簡單：

• 1：建立IOCP物件，由它負責管理多個Socket和I/O請求。CreateIoCompletionPort需要將IOCP物件和IOCP控制代碼繫結。
  • 2：建立一個工作執行緒池，以便Socket傳送I/O請求給IOCP物件後，由這些工作執行緒進行I/O操作。注意，建立這些執行緒的時候，將這些執行緒繫結到IOCP上。
    • 3：建立一個監聽的socket。
      • 4：輪詢，當接收到了新的連線後，將socket和完成埠進行關聯並且投遞給IOCP一個I/O請求。注意：將Socket和IOCP進行關聯的函式和建立IOCP的函式一樣，都是CreateIoCompletionPort，不過注意傳參必然是不同的。
        • 5：因為是非同步的，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訊息，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請求佇列裡面，對，是佇列，LIFO機制。當一個裝置處理完I/O請求後，將會將這個完成後的I/O請求丟回IOCP的I/O完成佇列。
            • 我們應用程式則需要在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函式向IOCP投遞一個I/O請求到它的請求佇列中。

參考部落格：https://blog.csdn.net/educast/article/details/15500349

參考部落格：https://blog.csdn.net/u010223072/article/details/49276415

參考書籍：《TCP/IP網路程式設計--尹聖雨》