从零开始实现 C++ TinyWebServer IO多路复用 Epoller详解

文章目录

[为什么要用 epoll？](#为什么要用 epoll？)
[epoll 介绍](#epoll 介绍)
- 系统调用
- 工作模式
[Epoller 代码](#Epoller 代码)

从零开始实现 C++ TinyWebServer 项目总览
项目源码

为什么要用 epoll？

高效的事件通知机制 ：epoll采用事件驱动模型，仅通知应用程序那些真正发生事件的文件描述符（fd），避免了不必要的遍历。与select和poll相比，epoll不会随着连接数的增加而性能下降，因为它通过回调机制直接通知活跃的连接。
支持大量并发连接 ：epoll能够处理数十万甚至上百万的并发连接，适合高并发的Web服务器。它使用红黑树存储文件描述符，查找和操作的时间复杂度为O(1)，性能不会随连接数增加而显著下降。
边缘触发（ET）和水平触发（LT）模式
- 边缘触发（ET）：只在状态变化时通知一次，适合需要高效处理事件的场景，但需要确保一次性处理完所有数据。
- 水平触发（LT）：只要文件描述符处于就绪状态就会持续通知，编程更简单，但可能效率稍低。
减少系统调用开销 ：epoll通过epoll_wait一次性获取多个事件，减少了系统调用次数，降低了上下文切换的开销。
内存效率高 ：epoll使用内存映射技术（mmap)，避免了select和poll中频繁的内存拷贝，进一步提升了性能。
适合高并发需求 ：现代\Web服务器需要处理大量并发连接，epoll具有高效事件管理和低延迟特性。

epoll 介绍

epoll 是 Linux 内核提供的一种高效的 I/O 多路复用机制，用于监控多个文件描述符（file descriptors，简称 fd）的状态变化（如可读、可写、异常等）。它是 select 和 poll 的改进版本，特别适合处理大量并发连接的高性能网络服务器。

系统调用

epoll_create：用于创建一个 epoll 实例，返回一个文件描述符，该文件描述符用于后续的 epoll 操作。

c 复制代码

#include <sys/epoll.h>
int epoll_create(int size);

size：在早期的内核版本中，该参数表示 epoll 实例能够容纳的最大文件描述符数量，但在现代内核中，此参数已被忽略，但必须大于 0。
返回值：成功时返回一个新的 epoll 实例的文件描述符，失败时返回 -1。

epoll_ctl：用于向 epoll 实例中添加、修改或删除对某个文件描述符的监听事件。

c 复制代码

#include <sys/epoll.h>
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

epfd：epoll_create返回的 epoll 实例的文件描述符。
op：操作类型，有以下三种取值：
- EPOLL_CTL_ADD：将指定的文件描述符fd添加到 epoll 实例中，并监听event所指定的事件。
- EPOLL_CTL_MOD：修改已经添加到 epoll 实例中的文件描述符fd的监听事件为event。
- EPOLL_CTL_DEL：从 epoll 实例中删除指定的文件描述符fd，此时event参数可以为NULL。
fd：要操作的文件描述符。
event：指向struct epoll_event结构体的指针，用于指定要监听的事件类型。

c 复制代码

struct epoll_event {
    uint32_t     events;      /* Epoll events */
    epoll_data_t data;        /* User data variable */
};
typedef union epoll_data {
    void        *ptr;
    int          fd;
    uint32_t     u32;
    uint64_t     u64;
} epoll_data_t;

events：可以是以下几种事件类型的组合：
- EPOLLIN：文件描述符可读。
- EPOLLOUT：文件描述符可写。
- EPOLLRDHUP：对端关闭连接或半关闭写操作。
- EPOLLPRI：有紧急数据可读。
- EPOLLERR：文件描述符发生错误。
- EPOLLHUP：文件描述符被挂起。
- EPOLLET：设置为边缘触发模式（默认是水平触发模式）。
- EPOLLONESHOT：只监听一次事件，当事件发生后，需要重新注册该文件描述符的监听事件。
data：是一个联合体，用于存储用户数据，通常会将文件描述符fd存储在data.fd中，方便后续处理。

epoll_wait：用于等待 epoll 实例中监听的文件描述符上的事件发生。

c 复制代码

#include <sys/epoll.h>
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);

epfd：epoll_create返回的 epoll 实例的文件描述符。
events：指向struct epoll_event结构体数组的指针，用于存储发生事件的文件描述符信息。
maxevents：events数组的最大元素个数，必须大于 0。
timeout：超时时间，单位为毫秒。
- -1：表示无限等待，直到有事件发生。
- 0：表示立即返回，即使没有事件发生。
- 大于 0：表示等待指定的毫秒数，如果在这段时间内没有事件发生，则返回 0。
返回值：成功时返回发生事件的文件描述符数量，超时返回 0，失败返回 -1。

工作模式

水平触发（Level-Triggered，LT）

默认模式。
只要文件描述符处于就绪状态（例如缓冲区中有数据可读），epoll_wait 就会持续通知应用程序。
适合编程简单的场景，但可能效率较低，因为会重复通知。

边缘触发（Edge-Triggered，ET）

需要显式设置（通过 EPOLLET 标志）。
只在文件描述符状态发生变化时通知一次（例如从无数据变为有数据）。
适合高性能场景，但需要应用程序确保一次性处理完所有数据，否则可能会丢失事件。

Epoller 代码

对epoll封装实现epoller类。

epoller.h

cpp 复制代码

#ifndef EPOLLER_H
#define EPOLLER_H

#include <unistd.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <cassert>
#include <cstring>
#include <vector>

class Epoller {
public:
    explicit Epoller(int max_event = 1024);
    ~Epoller();

    bool AddFd(int fd, uint32_t events);
    bool ModFd(int fd, uint32_t events);
    bool DelFd(int fd);
    int Wait(int timeout_ms = -1);
    int GetEventsFd(size_t i) const;
    uint32_t GetEvents(size_t i) const;

private:
    int epoll_fd_;
    std::vector<struct epoll_event> events_;
};

#endif // EPOOLER_H

epoller.cc

cpp 复制代码

#include "epoller.h"

Epoller::Epoller(int max_event) 
    : epoll_fd_(epoll_create(512)), events_(max_event) {
    assert(epoll_fd_ >= 0 && events_.size() > 0); 
}

Epoller::~Epoller() {
    close(epoll_fd_);
}

bool Epoller::AddFd(int fd, uint32_t events) {
    if (fd < 0)
        return false;
    epoll_event ev;
    memset(&ev, 0, sizeof(epoll_event));
    ev.data.fd = fd;
    ev.events = events;
    return epoll_ctl(epoll_fd_, EPOLL_CTL_ADD, fd, &ev) == 0;
}

bool Epoller::ModFd(int fd, uint32_t events) {
    if (fd < 0)
        return false;
    epoll_event ev;
    memset(&ev, 0, sizeof(epoll_event));
    ev.data.fd = fd;
    ev.events = events;
    return epoll_ctl(epoll_fd_, EPOLL_CTL_MOD, fd, &ev) == 0;
}

bool Epoller::DelFd(int fd) {
    if (fd < 0)
        return false;
    return epoll_ctl(fd, EPOLL_CTL_DEL, fd, 0) == 0;
}

int Epoller::Wait(int timeout_ms) {
    return epoll_wait(epoll_fd_, &events_[0], static_cast<int>(events_.size()), timeout_ms);
}

int Epoller::GetEventsFd(size_t i) const {
    assert(i < events_.size());
    return events_[i].data.fd;
}

uint32_t Epoller::GetEvents(size_t i) const {
    assert(i < events_.size());
    return events_[i].events;
}