服务器搭建(TCP套接字)-epoll版(服务端)

epoll 是一种在 Linux 系统上用于高效事件驱动编程的 I/O 多路复用机制。它相比于传统的 select 和 poll 函数具有更好的性能和扩展性。

epoll 的主要特点和原理：

1、事件驱动：epoll 是基于事件驱动的模型，它通过监听事件来触发相应的回调函数，而不是像传统的阻塞模型那样持续轮询。这样可以避免无效的轮询操作，提高效率。

2、高效：epoll 使用了红黑树（rbtree）和哈希表（hash table）的数据结构来存储和管理大量的文件描述符，使得在大规模连接的情况下，对文件描述符的管理和查找操作具备较高的效率。

3、边缘触发：epoll 提供了边缘触发（edge-triggered）的工作模式。在边缘触发模式下，只有当文件描述符的状态发生变化时，epoll 才会通知应用程序。这使得应用程序能够更精确地处理事件，避免了事件的丢失和重复触发。

4、扩展性：epoll 支持高并发的连接，可以同时监听大量的文件描述符，且不随文件描述符数量的增加而性能下降。它采用了事件通知的方式，只有在文件描述符发生状态变化时才会通知应用程序，避免了大量的轮询操作。

使用 epoll 的基本步骤如下：

1、创建 epoll 实例，通过调用 epoll_create 函数创建一个 epoll 对象。

2、将需要监听的文件描述符加入 epoll 实例，通过调用 epoll_ctl 函数将文件描述符添加到 epoll 中 ，并指定需要监听的事件类型。

epoll_ctl 是一个用于控制 epoll 实例的系统调用函数，它用于向 epoll 实例中添加、修改或删除文件描述符及其关联的事件。

3、 进入事件循环，调用 epoll_wait 函数等待事件发生 。该函数会阻塞程序执行 ，直到有事件发生或超时。

epoll_wait 是一个用于等待事件的系统调用函数，它在 epoll 实例上进行阻塞等待，直到有事件就绪或超时。

4、 当 epoll_wait 返回时，根据返回的就绪事件进行相应的处理。可以通过遍历返回的事件列表来获取就绪的文件描述符和事件类型。

epoll 在网络编程中广泛应用，特别适用于高并发的服务器开发，能够处理大量的并发连接和高频率的 I/O 事件。它提供了高效的事件驱动模型，可以大大提升程序的性能和可扩展性。

一、epoll_create

int epoll_create(int size);

epoll_create 函数接受一个参数 size，该参数指定了 epoll 实例所能处理的最大文件描述符数目。它返回一个整数值，表示 epoll 实例的文件描述符，用于后续的 epoll 相关操作。

入参：

size 参数是一个提示值，用于告诉内核 epoll 实例需要处理的最大文件描述符数目。内核会根据此提示值进行一些优化，但实际上该值在大多数情况下并不会限制 epoll 实例所能处理的文件描述符数目。

返回值：

• 成功时返回一个非负整数，表示 epoll 实例的文件描述符。
• 如果调用失败，返回值为 -1，并设置相应的错误码，可以通过 errno 来获取具体的错误信息。

epoll_create 函数创建的 epoll 实例是默认的边缘触发模式（Edge Triggered Mode）。这意味着当文件描述符上的事件状态从未就绪变为就绪时，epoll 会返回该事件，而不是只在事件状态为就绪时返回一次。

在使用完 epoll 实例后，应当使用 close 函数显式关闭 epoll 实例的文件描述符，以释放相关资源。

二、epoll_ctl

int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

入参：

• epfd：表示 epoll 实例的文件描述符，即通过 epoll_create 创建的返回值。
• op：表示要进行的操作类型，可以是以下三种值之一：
  • EPOLL_CTL_ADD：将文件描述符 fd 添加到 epoll 实例中，关联的事件由 event 参数指定。
  • EPOLL_CTL_MOD：修改已添加到 epoll 实例中的文件描述符 fd 的关联事件，新的事件由 event 参数指定。
  • EPOLL_CTL_DEL：从 epoll 实例中删除文件描述符 fd。
• fd：表示要添加、修改或删除的文件描述符。
• event：指向一个 struct epoll_event 结构体的指针，用于设置文件描述符的关联事件。
  event 字段表示要关注的事件类型，可以是以下事件类型的组合：
  • EPOLLIN：表示可读事件。
  • EPOLLOUT：表示可写事件。
  • EPOLLRDHUP：表示对端关闭连接或关闭写端。
  • EPOLLPRI：表示有紧急数据可读。
  • EPOLLERR：表示发生错误。
  • EPOLLHUP：表示连接关闭。
  • EPOLLET：使用边缘触发模式（Edge Triggered Mode）。
  • EPOLLONESHOT：在事件触发后，将文件描述符从 epoll 实例中删除，需要重新添加才能再次触发。

struct epoll_event {
    __uint32_t events;  // 表示要关注的事件类型
    epoll_data_t data;  // 用户数据，可以是文件描述符或指针
};

typedef union epoll_data {
    void *ptr;  // 指针类型的用户数据
    int fd;     // 文件描述符类型的用户数据
    __uint32_t u32;
    __uint64_t u64;
} epoll_data_t;

返回值：

• 成功时返回 0
• 失败时返回 -1，并设置相应的错误码，可以通过 errno 来获取具体的错误信息。

三、epoll_wait

int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);

入参：

• epfd：表示 epoll 实例的文件描述符，即通过 epoll_create 创建的返回值。
• events：指向一个 struct epoll_event 数组的指针，用于存储就绪的事件信息。
• maxevents：表示 events 数组的大小，即最多可以存储的事件数目。
• timeout：表示等待的超时时间，以毫秒为单位。可以是以下值之一：
  • -1：表示永久阻塞，直到有事件就绪。
  • 0：表示非阻塞，立即返回。
  • 大于 0：表示超时时间，等待指定的毫秒数后返回。

返回值：

• epoll_wait 函数用于阻塞等待 epoll 实例上的事件就绪。当有事件就绪时，它将填充 events 数组，并返回就绪事件的数量。
• 如果 epoll_wait 函数返回值大于 0，则表示有就绪事件，并且可以通过遍历 events 数组来获取每个就绪事件的相关信息。
• 如果 epoll_wait 函数返回值为 0，表示超时时间到达，即没有事件就绪。
• 如果 epoll_wait 函数返回值为 -1，表示调用出错，可以通过 errno 来获取具体的错误信息。

四、代码实现

#include <iostream>
//socket
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
//close
#include <unistd.h>
//exit
#include <stdlib.h>
//perror
#include <stdio.h>
//memset
#include <string.h>
//htons
#include <arpa/inet.h>
/* According to earlier standards */
#include <sys/time.h>
//epoll
#include <sys/epoll.h>


#define PORT 8596
#define MESSAGE_SIZE 1024
#define FD_SIZE 1024
#define MAX_EVENTS 20
#define TIME_OUT 500

int main(){

  int ret=-1;
  int socket_fd=-1;
  int accept_fd=-1;

  int backlog=10;
  int flags=1;

  struct sockaddr_in local_addr,remote_addr;

  struct epoll_event ev,events[FD_SIZE];
  int epoll_fd=-1;
  int event_number=0;

  //create socket
  socket_fd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
  if(socket_fd == -1){
    perror("create socket error");
    exit(1);
  }
 //set option of socket
  ret = setsockopt(socket_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &flags, sizeof(flags));
  if ( ret == -1 ){
    perror("setsockopt error");
  }

 //set socket address
  local_addr.sin_family=AF_INET;
  local_addr.sin_port=htons(PORT);
  local_addr.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY;
  bzero(&(local_addr.sin_zero),8);
 //bind socket
 ret=bind(socket_fd, (struct sockaddr *)&local_addr,sizeof(struct sockaddr_in));
 if(ret == -1){
    perror("bind socket error");
    exit(1);
 }

  ret=listen(socket_fd, backlog);
  if(ret ==-1){
   perror("listen error");
   exit(1);
  }
  //创建epoll
  epoll_fd=epoll_create(256);
  ev.data.fd=socket_fd;
  ev.events=EPOLLIN;
  //将socket_fd加入到epoll中
  epoll_ctl(epoll_fd,EPOLL_CTL_ADD,socket_fd,&ev);
  //loop to accept client
  for(;;){
   event_number=epoll_wait(epoll_fd,events,MAX_EVENTS,TIME_OUT);
   for(int i=0;i<event_number;i++){
     if(events[i].data.fd==socket_fd){
      socklen_t addrlen = sizeof(remote_addr);
      accept_fd=accept(socket_fd,( struct sockaddr *)&remote_addr, &addrlen);
      ev.data.fd=accept_fd;
      ev.events=EPOLLIN | EPOLLET;
      //添加accept_fd到epoll中
      //添加accept_fd到epoll中
      if((epoll_ctl(epoll_fd,EPOLL_CTL_ADD,accept_fd,&ev))==-1){
        close(accept_fd);
      } 
     }else if(events[i].events & EPOLLIN){
        //有数据可读
        char in_buf[MESSAGE_SIZE];
        memset(in_buf, 0, MESSAGE_SIZE);
        //receive data
        ret = recv( events[i].data.fd, &in_buf, MESSAGE_SIZE, 0 );
        if(ret <= 0){

            switch (errno){
              case EAGAIN: //暂时没有数据
                break;
              case EINTR: //被终断
                ret = recv(events[i].data.fd, &in_buf, MESSAGE_SIZE, 0);
                break;
              default:
                printf("the client is closed, fd:%d\n", events[i].data.fd);
                epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_DEL, events[i].data.fd, &ev);
                close(events[i].data.fd);
                break;
            }  
        }      
               
        printf("receive message:%s\n", in_buf);
        send(events[i].data.fd, &in_buf, ret, 0);
    }
   }
 }
  printf("quit server....");
  // 关闭监听 socket 和 epoll 实例
  close(socket_fd);
  close(epoll_fd);
  return 0;
}

• 服务端
  
• 客户端1
  
• 客户端2
  

从代码直观就能看出epoll的代码量和逻辑实现相比select，都特别简洁。epoll 在网络编程中广泛应用，特别适用于高并发的服务器开发 ，能够处理大量的并发连接和高频率的 I/O 事件。它提供了高效的事件驱动模型，可以大大提升程序的性能和可扩展性。