[TOC] ## 1、流？I/O操作？阻塞？epoll? ### 一、流？I/O操作? 阻塞？ #### (1) 流 - 可以进行I/O操作的内核对象 - 文件、管道、套接字…… - 流的入口：文件描述符(fd) #### (2) I/O操作 所有对流的读写操作，我们都可以称之为IO操作。 当一个流中， 在没有数据read的时候，或者说在流中已经写满了数据，再write，我们的IO操作就会出现一种现象，就是阻塞现象，如下图。   --- #### (3) 阻塞  ​ **阻塞场景**: 你有一份快递，家里有个座机，快递到了主动给你打电话，期间你可以休息。  **非阻塞，忙轮询场景**: 你性子比较急躁， 每分钟就要打电话询问快递小哥一次， 到底有没有到，快递员接你电话要停止运输，这样很耽误快递小哥的运输速度。 * 阻塞等待 空出大脑可以安心睡觉, 不影响快递员工作（不占用CPU宝贵的时间片）。 - 非阻塞，忙轮询 浪费时间，浪费电话费，占用快递员时间（占用CPU，系统资源）。 很明显，阻塞等待这种方式，对于通信上是有明显优势的， 那么它有哪些弊端呢？ ### 二、解决阻塞死等待的办法 #### 阻塞死等待的缺点  ​ 也就是同一时刻，你只能被动的处理一个快递员的签收业务，其他快递员打电话打不进来，只能干瞪眼等待。那么解决这个问题，家里多买N个座机， 但是依然是你一个人接，也处理不过来，需要用影分身术创建都个自己来接电话(采用多线程或者多进程）来处理。 ​ 这种方式就是没有多路IO复用的情况的解决方案， 但是在单线程计算机时代(无法影分身)，这简直是灾难。 --- 那么如果我们不借助影分身的方式(多线程/多进程)，该如何解决阻塞死等待的方法呢？ #### 办法一：非阻塞、忙轮询  ```go while true { for i in 流[] { if i has 数据 { 读 或者 其他处理 } } } ``` 非阻塞忙轮询的方式，可以让用户分别与每个快递员取得联系，宏观上来看，是同时可以与多个快递员沟通(并发效果)、 但是快递员在于用户沟通时耽误前进的速度(浪费CPU)。 --- #### 办法二：select  我们可以开设一个代收网点，让快递员全部送到代收点。这个网店管理员叫select。这样我们就可以在家休息了，麻烦的事交给select就好了。当有快递的时候，select负责给我们打电话，期间在家休息睡觉就好了。 但select 代收员比较懒，她记不住快递员的单号，还有快递货物的数量。她只会告诉你快递到了，但是是谁到的，你需要挨个快递员问一遍。 ```go while true { select(流[]); //阻塞 //有消息抵达 for i in 流[] { if i has 数据 { 读 或者 其他处理 } } } ``` --- #### 办法三：epoll  epoll的服务态度要比select好很多，在通知我们的时候，不仅告诉我们有几个快递到了，还分别告诉我们是谁谁谁。我们只需要按照epoll给的答复，来询问快递员取快递即可。 ```go while true { 可处理的流[] = epoll_wait(epoll_fd); //阻塞 //有消息抵达，全部放在 “可处理的流[]”中 for i in 可处理的流[] { 读 或者 其他处理 } } ``` --- ### 三、epoll？ - 与select，poll一样，对I/O多路复用的技术 - 只关心“活跃”的链接，无需遍历全部描述符集合 - 能够处理大量的链接请求(系统可以打开的文件数目) ### 四、epoll的API #### (1) 创建EPOLL ```c /** * @param size 告诉内核监听的数目 * * @returns 返回一个epoll句柄（即一个文件描述符） */ int epoll_create(int size); ``` 使用 ```c int epfd = epoll_create(1000); ```  创建一个epoll句柄，实际上是在内核空间，建立一个root根节点，这个根节点的关系与epfd相对应。 #### (2) 控制EPOLL ```c /** * @param epfd 用epoll_create所创建的epoll句柄 * @param op 表示对epoll监控描述符控制的动作 * * EPOLL_CTL_ADD(注册新的fd到epfd) * EPOLL_CTL_MOD(修改已经注册的fd的监听事件) * EPOLL_CTL_DEL(epfd删除一个fd) * * @param fd 需要监听的文件描述符 * @param event 告诉内核需要监听的事件 * * @returns 成功返回0，失败返回-1, errno查看错误信息 */ int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event); struct epoll_event { __uint32_t events; /* epoll 事件 */ epoll_data_t data; /* 用户传递的数据 */ } /* * events : {EPOLLIN, EPOLLOUT, EPOLLPRI, EPOLLHUP, EPOLLET, EPOLLONESHOT} */ typedef union epoll_data { void *ptr; int fd; uint32_t u32; uint64_t u64; } epoll_data_t; ``` 使用 ```c struct epoll_event new_event; new_event.events = EPOLLIN | EPOLLOUT; new_event.data.fd = 5; epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, 5, &new_event); ``` ​ 创建一个用户态的事件，绑定到某个fd上，然后添加到内核中的epoll红黑树中。  #### (3) 等待EPOLL ```c /** * * @param epfd 用epoll_create所创建的epoll句柄 * @param event 从内核得到的事件集合 * @param maxevents 告知内核这个events有多大, * 注意: 值 不能大于创建epoll_create()时的size. * @param timeout 超时时间 * -1: 永久阻塞 * 0: 立即返回，非阻塞 * >0: 指定微秒 * * @returns 成功: 有多少文件描述符就绪,时间到时返回0 * 失败: -1, errno 查看错误 */ int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *event, int maxevents, int timeout); ``` 使用 ```c struct epoll_event my_event[1000]; int event_cnt = epoll_wait(epfd, my_event, 1000, -1); ``` ​ `epoll_wait`是一个阻塞的状态，如果内核检测到IO的读写响应，会抛给上层的epoll_wait, 返回给用户态一个已经触发的事件队列，同时阻塞返回。开发者可以从队列中取出事件来处理，其中事件里就有绑定的对应fd是哪个(之前添加epoll事件的时候已经绑定)。  #### (4) 使用epoll编程主流程骨架 ```c int epfd = epoll_crete(1000); //将 listen_fd 添加进 epoll 中 epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, listen_fd,&listen_event); while (1) { //阻塞等待 epoll 中 的fd 触发 int active_cnt = epoll_wait(epfd, events, 1000, -1); for (i = 0 ; i < active_cnt; i++) { if (evnets[i].data.fd == listen_fd) { //accept. 并且将新accept 的fd 加进epoll中. } else if (events[i].events & EPOLLIN) { //对此fd 进行读操作 } else if (events[i].events & EPOLLOUT) { //对此fd 进行写操作 } } } ``` ### 五、epoll的触发模式 #### (1) 水平触发   水平触发的主要特点是，如果用户在监听`epoll`事件，当内核有事件的时候，会拷贝给用户态事件，但是**如果用户只处理了一次，那么剩下没有处理的会在下一次epoll_wait再次返回该事件**。 这样如果用户永远不处理这个事件，就导致每次都会有该事件从内核到用户的拷贝，耗费性能，但是水平触发相对安全，最起码事件不会丢掉，除非用户处理完毕。 ##### (2) 边缘触发   边缘触发，相对跟水平触发相反，当内核有事件到达， 只会通知用户一次，至于用户处理还是不处理，以后将不会再通知。这样减少了拷贝过程，增加了性能，但是相对来说，如果用户马虎忘记处理，将会产生事件丢的情况。 ### 六、简单的epoll服务器(C语言) #### (1) 服务端 ```c #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <ctype.h> #include <string.h> #include <unistd.h> #include <sys/types.h> #include <sys/socket.h> #include <arpa/inet.h> #include <sys/epoll.h> #define SERVER_PORT (7778) #define EPOLL_MAX_NUM (2048) #define BUFFER_MAX_LEN (4096) char buffer[BUFFER_MAX_LEN]; void str_toupper(char *str) { int i; for (i = 0; i < strlen(str); i ++) { str[i] = toupper(str[i]); } } int main(int argc, char **argv) { int listen_fd = 0; int client_fd = 0; struct sockaddr_in server_addr; struct sockaddr_in client_addr; socklen_t client_len; int epfd = 0; struct epoll_event event, *my_events; / socket listen_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // bind server_addr.sin_family = AF_INET; server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT); bind(listen_fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)); // listen listen(listen_fd, 10); // epoll create epfd = epoll_create(EPOLL_MAX_NUM); if (epfd < 0) { perror("epoll create"); goto END; } // listen_fd -> epoll event.events = EPOLLIN; event.data.fd = listen_fd; if (epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, listen_fd, &event) < 0) { perror("epoll ctl add listen_fd "); goto END; } my_events = malloc(sizeof(struct epoll_event) * EPOLL_MAX_NUM); while (1) { // epoll wait int active_fds_cnt = epoll_wait(epfd, my_events, EPOLL_MAX_NUM, -1); int i = 0; for (i = 0; i < active_fds_cnt; i++) { // if fd == listen_fd if (my_events[i].data.fd == listen_fd) { //accept client_fd = accept(listen_fd, (struct sockaddr*)&client_addr, &client_len); if (client_fd < 0) { perror("accept"); continue; } char ip[20]; printf("new connection[%s:%d]\n", inet_ntop(AF_INET, &client_addr.sin_addr, ip, sizeof(ip)), ntohs(client_addr.sin_port)); event.events = EPOLLIN | EPOLLET; event.data.fd = client_fd; epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, client_fd, &event); } else if (my_events[i].events & EPOLLIN) { printf("EPOLLIN\n"); client_fd = my_events[i].data.fd; // do read buffer[0] = '\0'; int n = read(client_fd, buffer, 5); if (n < 0) { perror("read"); continue; } else if (n == 0) { epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, client_fd, &event); close(client_fd); } else { printf("[read]: %s\n", buffer); buffer[n] = '\0'; #if 1 str_toupper(buffer); write(client_fd, buffer, strlen(buffer)); printf("[write]: %s\n", buffer); memset(buffer, 0, BUFFER_MAX_LEN); #endif /* event.events = EPOLLOUT; event.data.fd = client_fd; epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_MOD, client_fd, &event); */ } } else if (my_events[i].events & EPOLLOUT) { printf("EPOLLOUT\n"); /* client_fd = my_events[i].data.fd; str_toupper(buffer); write(client_fd, buffer, strlen(buffer)); printf("[write]: %s\n", buffer); memset(buffer, 0, BUFFER_MAX_LEN); event.events = EPOLLIN; event.data.fd = client_fd; epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_MOD, client_fd, &event); */ } } } END: close(epfd); close(listen_fd); return 0; } ``` #### (2) 客户端 ```c #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <strings.h> #include <sys/types.h> #include <sys/socket.h> #include <arpa/inet.h> #include <unistd.h> #include <fcntl.h> #define MAX_LINE (1024) #define SERVER_PORT (7778) void setnoblocking(int fd) { int opts = 0; opts = fcntl(fd, F_GETFL); opts = opts | O_NONBLOCK; fcntl(fd, F_SETFL); } int main(int argc, char **argv) { int sockfd; char recvline[MAX_LINE + 1] = {0}; struct sockaddr_in server_addr; if (argc != 2) { fprintf(stderr, "usage ./client <SERVER_IP>\n"); exit(0); } // 创建socket if ( (sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) { fprintf(stderr, "socket error"); exit(0); } // server addr 赋值 bzero(&server_addr, sizeof(server_addr)); server_addr.sin_family = AF_INET; server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT); if (inet_pton(AF_INET, argv[1], &server_addr.sin_addr) <= 0) { fprintf(stderr, "inet_pton error for %s", argv[1]); exit(0); } // 链接服务端 if (connect(sockfd, (struct sockaddr*) &server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) { perror("connect"); fprintf(stderr, "connect error\n"); exit(0); } setnoblocking(sockfd); char input[100]; int n = 0; int count = 0; // 不断的从标准输入字符串 while (fgets(input, 100, stdin) != NULL) { printf("[send] %s\n", input); n = 0; // 把输入的字符串发送 到 服务器中去 n = send(sockfd, input, strlen(input), 0); if (n < 0) { perror("send"); } n = 0; count = 0; // 读取 服务器返回的数据 while (1) { n = read(sockfd, recvline + count, MAX_LINE); if (n == MAX_LINE) { count += n; continue; } else if (n < 0){ perror("recv"); break; } else { count += n; recvline[count] = '\0'; printf("[recv] %s\n", recvline); break; } } } return 0; } ```