C++中IO多路復(fù)用(select、poll、epoll)的實(shí)現(xiàn)
什么是IO多路復(fù)用
I/O多路復(fù)用（IO multiplexing）是一種并發(fā)處理多個(gè)I/O操作的機(jī)制。它允許一個(gè)進(jìn)程或線程同時(shí)監(jiān)聽多個(gè)文件描述符（如套接字、管道、標(biāo)準(zhǔn)輸入等）的I/O事件，并在有事件發(fā)生時(shí)進(jìn)行處理。
傳統(tǒng)的I/O模型中，通常使用阻塞I/O和非阻塞I/O來處理單個(gè)I/O操作。如果需要同時(shí)處理多個(gè)I/O操作，那么需要使用多個(gè)線程或多個(gè)進(jìn)程來管理和執(zhí)行這些I/O操作。這種方式會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)資源的浪費(fèi)，且編程復(fù)雜度較高。
而I/O多路復(fù)用通過提供一個(gè)統(tǒng)一的接口，如select、poll、epoll等，來同時(shí)監(jiān)聽多個(gè)文件描述符的I/O事件。它們會(huì)在任意一個(gè)文件描述符上有I/O事件發(fā)生時(shí)立即返回，并告知應(yīng)用程序哪些文件描述符有事件發(fā)生。應(yīng)用程序可以根據(jù)返回的結(jié)果來針對(duì)有事件發(fā)生的文件描述符進(jìn)行讀取、寫入或其他操作。
I/O多路復(fù)用的優(yōu)點(diǎn)包括：
- 單個(gè)進(jìn)程或線程可以同時(shí)處理多個(gè)I/O操作，提高了系統(tǒng)的并發(fā)性。
- 避免了大量的進(jìn)程或線程切換，節(jié)約了系統(tǒng)資源
- 使用較少的線程或進(jìn)程，簡(jiǎn)化了編程模型和維護(hù)工作。
IO多路復(fù)用的方式簡(jiǎn)介
主要的 I/O 多路復(fù)用方式有以下幾種：
select：select是最早的一種 I/O 多路復(fù)用方式，可以同時(shí)監(jiān)聽多個(gè)文件描述符的可讀、可寫和異常事件。通過在調(diào)用select時(shí)傳遞關(guān)注的文件描述符集合，及時(shí)返回有事件發(fā)生的文件描述符，然后應(yīng)用程序可以對(duì)這些文件描述符進(jìn)行讀寫操作。poll：poll是select的一種改進(jìn)版，也能夠同時(shí)監(jiān)聽多個(gè)文件描述符的可讀、可寫和異常事件。通過調(diào)用poll時(shí)傳遞關(guān)注的文件描述符數(shù)組，返回有事件發(fā)生的文件描述符，應(yīng)用程序執(zhí)行對(duì)應(yīng)的讀寫操作。epoll：epoll是 Linux 特有的一種 I/O 多路復(fù)用機(jī)制，相較于select和poll具有更高的性能，適用于高并發(fā)環(huán)境。epoll使用了回調(diào)機(jī)制來通知應(yīng)用程序文件描述符上的事件發(fā)生，并且支持水平觸發(fā)（LT，level triggered）和邊緣觸發(fā)（ET，edge triggered）兩種模式。
select方式
select 是一種 I/O 多路復(fù)用的機(jī)制，用于同時(shí)監(jiān)聽多個(gè)文件描述符的可讀、可寫和異常事件。它是最早的一種實(shí)現(xiàn)，適用于多平臺(tái)。select幾乎在所有的操作系統(tǒng)上都可用，并且擁有相似的接口和語義。這使得應(yīng)用程序在多個(gè)平臺(tái)上能夠以相似的方式使用 select。
select運(yùn)行原理
select 函數(shù)在阻塞過程中，主要依賴于一個(gè)名為 fd_set 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來表示文件描述符集合。通過向 select 函數(shù)傳遞待檢測(cè)的 fd_set 集合，可以指定需要檢測(cè)哪些文件描述符。fd_set 結(jié)構(gòu)一般是通過使用宏函數(shù)以及相關(guān)操作進(jìn)行初始化和處理。
fd_set 結(jié)構(gòu)可以用于傳遞三種不同類型的文件描述符集合，包括讀緩沖區(qū)、寫緩沖區(qū)和異常狀態(tài)。通過將文件描述符放入相應(yīng)的集合中，程序員可以選擇性地檢查特定類型的事件或操作。通過使用傳出變量，程序員可以獲取與就緒狀態(tài)對(duì)應(yīng)的文件描述符集合，并相應(yīng)地處理與就緒內(nèi)容相關(guān)的操作。
下面兩張圖展示了select函數(shù)在運(yùn)行時(shí)的邏輯（讀緩沖區(qū)為例）
select函數(shù)使用方法
select函數(shù)原型如下：
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,
fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);nfds：需要監(jiān)視的最大文件描述符加1，即待監(jiān)視的文件描述符的最大值加1。readfds：可讀性檢查的文件描述符集合。writefds：可寫性檢查的文件描述符集合。exceptfds：異常條件的文件描述符集合。timeout：最長(zhǎng)等待時(shí)間，也可以設(shè)置為 NULL，表示一直阻塞直到有事件發(fā)生。
函數(shù)返回值如下：
- 大于 0：返回值為有事件發(fā)生的文件描述符的總數(shù)。
- 0：表示超時(shí)，沒有事件發(fā)生。
- -1：出錯(cuò)，可以通過查看全局變量
errno來獲取錯(cuò)誤碼。
一些值得注意的小細(xì)節(jié)：
nfds的值必須是所有待監(jiān)視文件描述符中最大的值加1。- 在某些平臺(tái)上，
select的文件描述符集大小有可能有限制。 - 調(diào)用
select會(huì)阻塞等待，直到有事件發(fā)生，這會(huì)導(dǎo)致效率問題。 - 在多個(gè)線程中使用
select可能需要使用互斥鎖來保護(hù)傳遞的文件描述符集。
操作fd_set的API：
void FD_CLR(int fd, fd_set *set);
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set);
void FD_SET(int fd, fd_set *set);
void FD_ZERO(fd_set *set);1. FD_ZERO(fd_set *set)：清空指定的文件描述符集合 set，將其所有位都置為0。
2. FD_SET(int fd, fd_set *set)：將指定的文件描述符 fd 添加到文件描述符集合 set 中，相應(yīng)的位將被置為1。
3. FD_CLR(int fd, fd_set *set)：將指定的文件描述符 fd 從文件描述符集合 set 中移除，相應(yīng)的位將被清零（置為0）。
4. FD_ISSET(int fd, fd_set *set)：檢查指定的文件描述符 fd 是否在文件描述符集合 set 中，如果存在，則返回非零值（true）；否則，返回零值（false）。
實(shí)例
下面是一個(gè)利用select實(shí)現(xiàn)的客戶端與服務(wù)器端相互傳輸?shù)暮?jiǎn)單示例：
服務(wù)器端：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <iostream>
using namespace std;
int main() // 基于多路復(fù)用select函數(shù)實(shí)現(xiàn)的并行服務(wù)器
{
// 1 創(chuàng)建監(jiān)聽的fd
int lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
// 2 綁定
struct sockaddr_in addr; // struct sockaddr_in是用于表示IPv4地址的結(jié)構(gòu)體，它是基于struct sockaddr的擴(kuò)展。
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons(9997);
addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
bind(lfd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));
// 3 設(shè)置監(jiān)聽
listen(lfd, 128);
// 將監(jiān)聽的fd的狀態(tài)交給內(nèi)核檢測(cè)
int maxfd = lfd;
// 初始化檢測(cè)的讀集合
fd_set rdset;
fd_set rdtemp;
// 清零
FD_ZERO(&rdset);
// 將監(jiān)聽的lfd設(shè)置到集合當(dāng)中
FD_SET(lfd, &rdset);
// 通過select委托內(nèi)核檢測(cè)讀集合中的文件描述符狀態(tài), 檢測(cè)read緩沖區(qū)有沒有數(shù)據(jù)
// 如果有數(shù)據(jù), select解除阻塞返回
while (1)
{
rdtemp = rdset;
int num = select(maxfd + 1, &rdtemp, NULL, NULL, NULL);
// 判斷連接請(qǐng)求還在不在里面，如果在，則運(yùn)行accept
if (FD_ISSET(lfd, &rdtemp))
{
struct sockaddr_in cliaddr;
int cliaddrLen = sizeof(cliaddr);
int cfd = accept(lfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, (socklen_t *)&cliaddrLen);
// 得到了有效的客戶端文件描述符，將這個(gè)文件描述符放入讀集合當(dāng)中，并更新最大值
FD_SET(cfd, &rdset);
maxfd = cfd > maxfd ? cfd : maxfd;
}
// 如果沒有建立新的連接，那么就直接通信
for (int i = 0; i < maxfd + 1; i++)
{
if (i != lfd && FD_ISSET(i, &rdtemp))
{
// 接收數(shù)據(jù)，一次接收10個(gè)字節(jié)，客戶端每次發(fā)送100個(gè)字節(jié),下一輪select檢測(cè)的時(shí)候, 內(nèi)核還會(huì)標(biāo)記這個(gè)文件描述符緩沖區(qū)有數(shù)據(jù) -> 再讀一次
// 循環(huán)會(huì)一直持續(xù), 知道緩沖區(qū)數(shù)據(jù)被讀完位置
char buf[10] = {0};
int len = read(i, buf, sizeof(buf));
cout << "len=" <<len<< endl;
if (len == 0) // 客戶端關(guān)閉了連接，，因?yàn)槿绻米x完，會(huì)在select過程中刪除
{
printf("客戶端關(guān)閉了連接.....\n");
// 將該文件描述符從集合中刪除
FD_CLR(i, &rdset);
close(i);
}
else if (len > 0) // 收到了數(shù)據(jù)
{
// 發(fā)送數(shù)據(jù)
if (len > 2)
{
write(i, buf, strlen(buf) + 1);
cout << "寫了一次" << endl;
sleep(0.1);
}
}
else
{
// 異常
perror("read");
FD_CLR(i, &rdset);
}
}
}
}
return 0;
}客戶端：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <iostream>
using namespace std;
int main() //網(wǎng)絡(luò)通信的客戶端
{
// 1 創(chuàng)建用于通信的套接字
int fd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
if(fd==-1)
{
perror("socket");
exit(0);
}
// 2 連接服務(wù)器
struct sockaddr_in addr;
addr.sin_family=AF_INET; //ipv4
addr.sin_port=htons(9997);// 服務(wù)器監(jiān)聽的端口, 字節(jié)序應(yīng)該是網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序
inet_pton(AF_INET,"127.0.0.1",&addr.sin_addr.s_addr);
int ret=connect(fd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr));
if(ret==-1)
{
perror("connect");
exit(0);
}
//通信
while (1)
{
//讀數(shù)據(jù)
char recvBuf[1024];
//寫數(shù)據(jù)
fgets(recvBuf,sizeof(recvBuf),stdin);
write(fd,recvBuf,strlen(recvBuf)+1);
int oriLen=strlen(recvBuf)-1;
cout<<"strlen(recvBuf)="<<oriLen<<endl;
int total_get=0;
while (read(fd,recvBuf,sizeof(recvBuf)))
{
total_get+=10;
cout<<"total_get="<<total_get<<" strlen(recvBuf)="<<oriLen<<endl;
printf("recv buf: %s\n", recvBuf);
if (total_get>=oriLen)
{
cout<<"out"<<endl;
break;
}
}
sleep(1);
}
close(fd);
return 0;
}
注意的點(diǎn)
在服務(wù)器端中，調(diào)用select函數(shù)時(shí)，因?yàn)閟elect函數(shù)會(huì)將檢測(cè)的結(jié)果寫回fd_set，所以如果不做其他操作的話，寫回的數(shù)據(jù)會(huì)覆蓋掉最初的fd_set，造成錯(cuò)誤。所以我們?cè)谡{(diào)用select函數(shù)之前可以將fd_set暫時(shí)先賦給一個(gè)臨時(shí)變量，如下：
fd_set rdset; fd_set rdtemp; rdtemp = rdset; int num = select(maxfd + 1, &rdtemp, NULL, NULL, NULL);
代碼整體工程、在以上內(nèi)容中加入線程和線程池實(shí)現(xiàn)通信的版本可參考：GitHub - BanLi-Official/CppSelect
poll方式
poll方式運(yùn)行原理
poll 函數(shù)是一種 I/O 多路復(fù)用機(jī)制，類似于 select 函數(shù)，但相比 select 更加高效和靈活。poll 通過輪詢方式，在用戶空間和內(nèi)核空間之間進(jìn)行交互。與 select 不同的是，poll 可以支持更大的文件描述符集合，且不會(huì)有文件描述符數(shù)量限制的問題。同時(shí)poll與select不同，select有跨平臺(tái)的特點(diǎn)，而poll只能在Linux上使用。
poll函數(shù)使用方法
poll函數(shù)原型如下：
#include <poll.h>
struct pollfd
{
int fd; /* File descriptor to poll. */
short int events; /* Types of events poller cares about. */
short int revents; /* Types of events that actually occurred. */
};
int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);fds：一個(gè)指向struct pollfd結(jié)構(gòu)體數(shù)組的指針，用于指定待監(jiān)視的文件描述符及其感興趣的事件。每個(gè)struct pollfd結(jié)構(gòu)包含一個(gè)文件描述符fd和一個(gè)短整型events，用于指定關(guān)注的事件類型。revents字段在poll返回時(shí)被內(nèi)核修改，用于指示發(fā)生的事件類型。nfds：表示fds數(shù)組的大小，即待監(jiān)視的文件描述符數(shù)量。timeout：指定阻塞等待的時(shí)間（以毫秒為單位）
poll 函數(shù)會(huì)阻塞，直到以下三種情況之一發(fā)生：
- 有一個(gè)或多個(gè)文件描述符準(zhǔn)備好監(jiān)聽的事件。
- 指定的超時(shí)時(shí)間到達(dá)。
- 發(fā)生一個(gè)錯(cuò)誤。
函數(shù)返回值如下：
poll 函數(shù)返回一個(gè)正整數(shù)表示就緒的文件描述符數(shù)量，或者返回以下幾種特定的值：
- 返回大于 0 的整數(shù)：表示有文件描述符就緒的數(shù)量。可以通過遍歷監(jiān)視的文件描述符集合，檢查
revents字段來確定哪些文件描述符具體就緒。 - 返回 0：表示在無限等待模式下超時(shí)，即指定的超時(shí)時(shí)間到達(dá)，但沒有文件描述符就緒。
- 返回 -1：表示發(fā)生錯(cuò)誤，可以使用
errno變量獲取具體的錯(cuò)誤代碼。
值得注意的一些小細(xì)節(jié)：
poll 函數(shù)返回后，struct pollfd 結(jié)構(gòu)中的 revents 字段會(huì)被修改，以指示每個(gè)文件描述符發(fā)生的事件類型?？梢酝ㄟ^遍歷 struct pollfd 數(shù)組，在 revents 字段中檢查位來判斷每個(gè)文件描述符的具體就緒事件。在處理 poll 的返回值時(shí)，通常的做法是使用 if 或 switch 語句根據(jù)每個(gè)文件描述符的 revents 值來執(zhí)行相應(yīng)的操作，例如讀取數(shù)據(jù)、寫入數(shù)據(jù)、處理異常等。
實(shí)例
下面是一個(gè)利用poll實(shí)現(xiàn)的客戶端與服務(wù)器端相互傳輸?shù)暮?jiǎn)單示例：
服務(wù)器端：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <iostream>
#include <poll.h>
using namespace std;
int main() // 基于多路復(fù)用select函數(shù)實(shí)現(xiàn)的并行服務(wù)器
{
// 1 創(chuàng)建監(jiān)聽的fd
int lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
// 2 綁定
struct sockaddr_in addr; // struct sockaddr_in是用于表示IPv4地址的結(jié)構(gòu)體，它是基于struct sockaddr的擴(kuò)展。
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons(9995);
addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
bind(lfd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));
// 3 設(shè)置監(jiān)聽
listen(lfd, 128);
// 將監(jiān)聽的fd的狀態(tài)交給內(nèi)核檢測(cè)
int maxfd = lfd;
//創(chuàng)建文件描述符的隊(duì)列
struct pollfd myfd[100];
for(int i=0;i<100;i++)
{
myfd[i].fd=-1;
myfd[i].events=POLLIN;
}
myfd[0].fd=lfd;
while (1)
{
//sleep(5);
cout<<"poll等待開始"<<endl;
int num=poll(myfd,maxfd+1,-1);
cout<<"poll等待結(jié)束~"<<endl;
// 判斷連接請(qǐng)求還在不在里面，如果在，則運(yùn)行accept
if(myfd[0].fd && myfd[0].revents==POLLIN)
{
struct sockaddr_in cliaddr;
int cliaddrLen = sizeof(cliaddr);
int cfd = accept(lfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, (socklen_t *)&cliaddrLen);
// 得到了有效的客戶端文件描述符，將這個(gè)文件描述符放入讀集合當(dāng)中，并更新最大值
for(int i=0 ; i<1024 ;i++)//找到空的位置
{
if(myfd[i].fd==-1 && myfd[i].events==POLLIN)
{
myfd[i].fd=cfd;
cout<<"連接成功！ fd放在了"<<i<<endl;
break;
}
}
maxfd = cfd > maxfd ? cfd : maxfd;
}
// 如果沒有建立新的連接，那么就直接通信
for (int i = 0; i < maxfd + 1; i++)
{
if (myfd[i].fd && myfd[i].revents==POLLIN && i!=0)
{
// 接收數(shù)據(jù)，一次接收10個(gè)字節(jié)，客戶端每次發(fā)送100個(gè)字節(jié),下一輪select檢測(cè)的時(shí)候, 內(nèi)核還會(huì)標(biāo)記這個(gè)文件描述符緩沖區(qū)有數(shù)據(jù) -> 再讀一次
// 循環(huán)會(huì)一直持續(xù), 知道緩沖區(qū)數(shù)據(jù)被讀完位置
char buf[10] = {0};
cout<<" 外讀"<<endl;
int len = read(myfd[i].fd, buf, sizeof(buf));
cout<<"len="<<len<<" i="<<i<<endl;
if(len==0) //外部中斷導(dǎo)致的連接中斷
{
printf("客戶端關(guān)閉了連接.....\n");
// 將該文件描述符從集合中刪除
myfd[i].fd=-1;
break;
}
cout<<"Get read len="<<len<<endl;
if (len == 0) // 客戶端關(guān)閉了連接，，因?yàn)槿绻米x完，會(huì)在select過程中刪除
{
printf("客戶端關(guān)閉了連接.....\n");
// 將該文件描述符從集合中刪除
myfd[i].fd=-1;
break;
}
else if (len > 0) // 收到了數(shù)據(jù)
{
// 發(fā)送數(shù)據(jù)
if(len<=2)
{
cout<<" out!!"<<endl;
break;
}
write(myfd[i].fd, buf, strlen(buf) + 1);
if(len<10)
{
cout<<" out!!"<<endl;
break;
}
sleep(0.1);
cout<<"寫了一次 寫的內(nèi)容是："<<string(buf)<<"###"<<endl;
}
else
{
// 異常
perror("read");
myfd[i].fd=-1;
break;
}
}
}
}
return 0;
}客戶端：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <iostream>
using namespace std;
int main() //網(wǎng)絡(luò)通信的客戶端
{
// 1 創(chuàng)建用于通信的套接字
int fd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
if(fd==-1)
{
perror("socket");
exit(0);
}
// 2 連接服務(wù)器
struct sockaddr_in addr;
addr.sin_family=AF_INET; //ipv4
addr.sin_port=htons(9995);// 服務(wù)器監(jiān)聽的端口, 字節(jié)序應(yīng)該是網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序
inet_pton(AF_INET,"127.0.0.1",&addr.sin_addr.s_addr);
int ret=connect(fd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr));
if(ret==-1)
{
perror("connect");
exit(0);
}
//通信
while (1)
{
//讀數(shù)據(jù)
char recvBuf[1024];
//寫數(shù)據(jù)
fgets(recvBuf,sizeof(recvBuf),stdin);
write(fd,recvBuf,strlen(recvBuf)+1);
int oriLen=strlen(recvBuf)-1;
cout<<"strlen(recvBuf)="<<oriLen<<endl;
int total_get=0;
while (total_get<oriLen)
{
//cout<<"開始讀"<<endl;
read(fd,recvBuf,sizeof(recvBuf));
total_get+=10;
//cout<<"total_get="<<total_get<<" strlen(recvBuf)="<<oriLen<<endl;
printf("recv buf: %s\n", recvBuf);
if (total_get>=oriLen)
{
cout<<"out"<<endl;
break;
}
}
sleep(1);
}
close(fd);
return 0;
}
整體工程與線程池版本可以參考：GitHub - BanLi-Official/CppPoll: C++ Network Programming: Linux Operating System Poll Example
epoll方式
epoll運(yùn)行原理
epoll是Linux下的一種I/O 多路復(fù)用機(jī)制，可以高效地處理大量的并發(fā)連接。
epoll模型使用一個(gè)文件描述符(epoll fd)來管理多個(gè)其他文件描述符(event fd)。在epoll fd上注冊(cè)了感興趣的事件，當(dāng)有感興趣的事件發(fā)生時(shí)，epoll會(huì)通知應(yīng)用程序。相比于傳統(tǒng)的select和poll模型，epoll模型有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：
高效：在大規(guī)模并發(fā)連接的場(chǎng)景下，epoll模型可以顯著提高效率。使用一個(gè)文件描述符來管理多個(gè)連接，避免了遍歷所有連接的開銷。并且epoll使用了“事件通知”的方式，只有在有事件發(fā)生時(shí)才會(huì)通知應(yīng)用程序，避免了無效輪詢。
更快的響應(yīng)速度：由于epoll是基于事件驅(qū)動(dòng)的模型，在有事件發(fā)生時(shí)立即通知應(yīng)用程序，可以更快地響應(yīng)客戶端的請(qǐng)求。
可擴(kuò)展性好：epoll模型采用了無鎖設(shè)計(jì)，將連接集合的管理交給內(nèi)核處理，并利用回調(diào)函數(shù)機(jī)制處理連接的讀寫事件，減少了鎖競(jìng)爭(zhēng)，提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。
epoll使用紅黑樹來存儲(chǔ)和管理注冊(cè)的事件。紅黑樹是一種自平衡的二叉搜索樹，具有以下特點(diǎn)：
二叉搜索樹的性質(zhì)：紅黑樹是一棵二叉搜索樹，即對(duì)于任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)，其左子樹的值都小于該節(jié)點(diǎn)的值，右子樹的值都大于該節(jié)點(diǎn)的值。
自平衡性：紅黑樹通過對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一系列旋轉(zhuǎn)和重新著色操作來保持樹的平衡。具體來說，紅黑樹通過五個(gè)性質(zhì)來保持平衡：根節(jié)點(diǎn)是黑色的、葉子節(jié)點(diǎn)（NIL節(jié)點(diǎn)）是黑色的、紅色節(jié)點(diǎn)的兩個(gè)子節(jié)點(diǎn)都是黑色的、從任一節(jié)點(diǎn)到其葉子節(jié)點(diǎn)的所有路徑都包含相同數(shù)目的黑色節(jié)點(diǎn)、新插入的節(jié)點(diǎn)是紅色的。
紅黑樹介紹可以參考百度百科：紅黑樹_百度百科
在epoll模型中，當(dāng)應(yīng)用程序調(diào)用epoll_ctl函數(shù)注冊(cè)事件時(shí)，epoll將會(huì)將文件描述符和其對(duì)應(yīng)的事件信息存儲(chǔ)到紅黑樹中，這樣可以方便地查詢和管理事件。紅黑樹的高效查詢特性可以快速找到特定文件描述符對(duì)應(yīng)的事件信息，并且可以保持事件信息的有序性。
當(dāng)有事件發(fā)生時(shí)，epoll調(diào)用epoll_wait函數(shù)去查詢紅黑樹上已注冊(cè)的事件，如果有匹配的事件發(fā)生，就會(huì)通知應(yīng)用程序進(jìn)行處理。紅黑樹是epoll實(shí)現(xiàn)高效I/O多路復(fù)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。通過使用紅黑樹，epoll可以將事件的查詢、插入和刪除等操作的時(shí)間復(fù)雜度降低到O(log n)，使得在大規(guī)模并發(fā)連接的場(chǎng)景下也能夠高效地處理事件。
epoll函數(shù)使用方法
在Linux下，epoll函數(shù)主要包括以下幾個(gè)：
#include <sys/epoll.h> //頭文件
int epoll_create(int size); //創(chuàng)建一個(gè)epoll實(shí)例
int epoll_ctl(int epfd, int op,
int fd, struct epoll_event *event); //控制epoll上的事件
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events,
int maxevents, int timeout); //阻塞等待事件發(fā)生同時(shí)在這些參數(shù)中，有一個(gè)重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)epoll_event。epoll_event結(jié)構(gòu)體用于描述事件，包括文件描述符、事件類型和事件數(shù)據(jù)。其中的定義如下：
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 */
} __EPOLL_PACKED;其中，events是事件類型，包括以下幾種：
EPOLLIN：可讀事件，表示連接上有數(shù)據(jù)可讀。EPOLLOUT：可寫事件，表示連接上可以寫入數(shù)據(jù)。EPOLLPRI：緊急事件，表示連接上有緊急數(shù)據(jù)可讀。EPOLLRDHUP：連接關(guān)閉事件，表示連接已關(guān)閉。EPOLLERR：錯(cuò)誤事件，表示連接上發(fā)生錯(cuò)誤。EPOLLHUP：掛起事件，表示連接被掛起。
結(jié)構(gòu)體中的epoll_data是一個(gè)聯(lián)合體，用于在epoll_event結(jié)構(gòu)體中傳遞事件數(shù)據(jù)。它有四個(gè)成員變量，可以根據(jù)具體的需求選擇使用其中的一個(gè)。通?？梢赃x擇int類型的fd，用于存儲(chǔ)發(fā)生對(duì)應(yīng)事件的文件描述符
epoll_create函數(shù)：創(chuàng)建一個(gè)epoll fd，返回一個(gè)新的epoll文件描述符。參數(shù)size用于指定監(jiān)聽的文件描述符個(gè)數(shù)，但是在Linux 2.6.8之后的版本，該參數(shù)已經(jīng)沒有實(shí)際意義。傳入一個(gè)大于0的值即可。
int epfd=epoll_create(1);
epoll_ctl函數(shù)：用于控制epoll事件的函數(shù)之一。它用于向epoll實(shí)例中添加、修改或刪除關(guān)注的文件描述符和對(duì)應(yīng)事件。函數(shù)原型如下：
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
函數(shù)參數(shù)：
epfd：epoll文件描述符，通過epoll_create函數(shù)創(chuàng)建獲得。op：操作類型，可以是以下三種取值之一：EPOLL_CTL_ADD：將文件描述符添加到epoll實(shí)例中。EPOLL_CTL_MOD：修改已添加到epoll實(shí)例中的文件描述符的關(guān)注事件。EPOLL_CTL_DEL：從epoll實(shí)例中刪除文件描述符。
fd：要控制的文件描述符。event：指向epoll_event結(jié)構(gòu)體的指針，用于指定要添加、修改或刪除的事件。
函數(shù)返回值：
- 成功時(shí)返回0，表示操作成功。
- 失敗時(shí)返回-1，并設(shè)置errno錯(cuò)誤碼來指示具體錯(cuò)誤原因。
epoll_wait函數(shù)：用于等待事件的發(fā)生。它會(huì)一直阻塞直到有事件發(fā)生或超時(shí)。函數(shù)原型如下：
#include <sys/epoll.h>
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events,
int maxevents, int timeout);函數(shù)參數(shù)：
epfd：epoll文件描述符，通過epoll_create函數(shù)創(chuàng)建獲得。events：用于接收事件的epoll_event結(jié)構(gòu)體數(shù)組。maxevents：events數(shù)組的大小，表示最多可以接收多少個(gè)事件。timeout：超時(shí)時(shí)間，單位為毫秒，表示epoll_wait函數(shù)阻塞的最長(zhǎng)時(shí)間。常用的取值有以下三種：-1：表示一直阻塞，直到有事件發(fā)生。0：表示立即返回，不管有沒有事件發(fā)生。> 0：表示等待指定的時(shí)間（以毫秒為單位），如果在指定時(shí)間內(nèi)沒有事件發(fā)生，則返回。
函數(shù)返回值：
- 成功時(shí)返回接收到的事件的數(shù)量。如果超時(shí)時(shí)間為0并且沒有事件發(fā)生，則返回0。
- 失敗時(shí)返回-1，并設(shè)置errno錯(cuò)誤碼來指示具體錯(cuò)誤原因。
一些要注意的點(diǎn)：
在epoll_wait函數(shù)中用于接收事件的epoll_event結(jié)構(gòu)體數(shù)組是一個(gè)傳出參數(shù)，需要定義一個(gè)epoll_event的數(shù)組，比如：
struct epoll_event evens[100];//用于接取傳出的內(nèi)容
int len=sizeof(evens)/sizeof(struct epoll_event);工作模式
epoll的工作模式可以分為兩種：邊緣觸發(fā)（Edge Triggered, ET）模式和水平觸發(fā)（Level Triggered, LT）模式。一般epoll運(yùn)行的模式默認(rèn)是水平觸發(fā)模式。
水平模式
有事件就一直不斷通知（默認(rèn)就是這個(gè)）
- 當(dāng)被監(jiān)控的文件描述符上的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，
epoll會(huì)不斷通知應(yīng)用程序，直到應(yīng)用程序處理完事件并返回。 - 如果應(yīng)用程序沒有處理完事件，而文件描述符上的狀態(tài)再次發(fā)生變化，
epoll會(huì)再次通知應(yīng)用程序。 - 應(yīng)用程序可以使用阻塞或非阻塞I/O來處理事件。
- 水平觸發(fā)模式適合處理低并發(fā)的I/O場(chǎng)景。
實(shí)例
服務(wù)器端：
// server.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
// 1. 創(chuàng)建監(jiān)聽的套接字
int lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if(lfd == -1)
{
perror("socket");
exit(0);
}
// 2. 將socket()返回值和本地的IP端口綁定到一起
struct sockaddr_in addr;
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons(9996); // 大端端口
// INADDR_ANY代表本機(jī)的所有IP, 假設(shè)有三個(gè)網(wǎng)卡就有三個(gè)IP地址
// 這個(gè)宏可以代表任意一個(gè)IP地址
// 這個(gè)宏一般用于本地的綁定操作
addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 這個(gè)宏的值為0 == 0.0.0.0
// inet_pton(AF_INET, "192.168.8.161", &addr.sin_addr.s_addr);
int ret = bind(lfd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));
if(ret == -1)
{
perror("bind");
exit(0);
}
// 3. 設(shè)置監(jiān)聽
ret = listen(lfd, 128);
if(ret == -1)
{
perror("listen");
exit(0);
}
int epfd=epoll_create(1);
struct epoll_event even;
even.events=EPOLLIN; //用水平觸發(fā)模式來檢測(cè)
even.data.fd=lfd;
ret=epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,lfd,&even);
struct epoll_event evens[100];//用于接取傳出的內(nèi)容
int len=sizeof(evens)/sizeof(struct epoll_event);
while (1)
{
cout<<" 開始等待?。?！"<<endl;
int num=epoll_wait(epfd,evens,len,-1);
cout<<" 等待結(jié)束?。?！"<<" num="<<num<<endl;
for(int i=0;i<num;i++)//取出所有的檢測(cè)到的事件
{
int curfd = evens[i].data.fd;
if(evens[i].data.fd==lfd)
{
struct sockaddr_in *add;
int len=sizeof(struct sockaddr_in);
int cfd=accept(evens[i].data.fd,NULL,NULL);
struct epoll_event even;
even.events=EPOLLIN;
even.data.fd=cfd;
//將接收到的cfd放入epoll檢測(cè)的紅黑樹當(dāng)中
ret=epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,cfd,&even);
if(ret==-1)
{
cout<<"登錄失敗"<<endl;
}
else
{
cout<<"登陸成功，已加入紅黑樹"<<endl;
}
}
else
{
// 接收數(shù)據(jù)
char buf[10];
memset(buf, 0, sizeof(buf));
cout<<"正在讀?。。。?<<endl;
int len = read(evens[i].data.fd, buf, sizeof(buf));
if(len > 0)
{
// 發(fā)送數(shù)據(jù)
if(len<=2)
{
cout<<" out!!"<<endl;
break;
}
printf("客戶端say: %s\n", buf);
write(evens[i].data.fd, buf, len);
sleep(0.1);
}
else if(len == 0)
{
printf("客戶端斷開了連接...\n");
ret=epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_DEL,evens[i].data.fd,NULL);
close(curfd);
//break;
}
else
{
perror("read");
ret=epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_DEL,evens[i].data.fd,NULL);
close(curfd);
//break;
}
}
}
}
return 0;
}
客戶端：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <iostream>
using namespace std;
int main() //網(wǎng)絡(luò)通信的客戶端
{
// 1 創(chuàng)建用于通信的套接字
int fd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
if(fd==-1)
{
perror("socket");
exit(0);
}
// 2 連接服務(wù)器
struct sockaddr_in addr;
addr.sin_family=AF_INET; //ipv4
addr.sin_port=htons(9996);// 服務(wù)器監(jiān)聽的端口, 字節(jié)序應(yīng)該是網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序
inet_pton(AF_INET,"127.0.0.1",&addr.sin_addr.s_addr);
int ret=connect(fd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr));
if(ret==-1)
{
perror("connect");
exit(0);
}
//通信
while (1)
{
//讀數(shù)據(jù)
char recvBuf[1024];
//寫數(shù)據(jù)
fgets(recvBuf,sizeof(recvBuf),stdin);
write(fd,recvBuf,strlen(recvBuf)+1);
int oriLen=strlen(recvBuf)-1;
cout<<"strlen(recvBuf)="<<oriLen<<endl;
int total_get=0;
while (total_get<oriLen)
{
//cout<<"開始讀"<<endl;
char recvBuf2[1024];
read(fd,recvBuf2,sizeof(recvBuf2));
total_get+=10;
cout<<"total_get="<<total_get<<" strlen(recvBuf)="<<oriLen<<endl;
printf("recv buf: %s\n", recvBuf2);
if (total_get>=oriLen)
{
cout<<"out"<<endl;
break;
}
}
sleep(1);
}
close(fd);
return 0;
}
邊沿模式
有事件只通知一次，后續(xù)一次處理沒解決玩的內(nèi)容需要程序員自己解決
- 僅當(dāng)被監(jiān)控的文件描述符上的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，
epoll才會(huì)通知應(yīng)用程序。 - 當(dāng)文件描述符上有數(shù)據(jù)可讀或可寫時(shí)，
epoll會(huì)立即通知應(yīng)用程序，并且保證應(yīng)用程序能夠全部讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)，直到讀寫緩沖區(qū)為空。 - 應(yīng)用程序需要使用非阻塞I/O來處理事件，以避免阻塞其他文件描述符的事件通知。
- 邊緣觸發(fā)模式適合處理高并發(fā)的網(wǎng)絡(luò)通信場(chǎng)景。
實(shí)例
服務(wù)器端：
// server.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <iostream>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
using namespace std;
int main()
{
// 1. 創(chuàng)建監(jiān)聽的套接字
int lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (lfd == -1)
{
perror("socket");
exit(0);
}
// 2. 將socket()返回值和本地的IP端口綁定到一起
struct sockaddr_in addr;
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons(9996); // 大端端口
// INADDR_ANY代表本機(jī)的所有IP, 假設(shè)有三個(gè)網(wǎng)卡就有三個(gè)IP地址
// 這個(gè)宏可以代表任意一個(gè)IP地址
// 這個(gè)宏一般用于本地的綁定操作
addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 這個(gè)宏的值為0 == 0.0.0.0
// inet_pton(AF_INET, "192.168.8.161", &addr.sin_addr.s_addr);
int ret = bind(lfd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));
if (ret == -1)
{
perror("bind");
exit(0);
}
// 3. 設(shè)置監(jiān)聽
ret = listen(lfd, 128);
if (ret == -1)
{
perror("listen");
exit(0);
}
int epfd = epoll_create(1);
struct epoll_event even;
even.events = EPOLLIN | EPOLLET; //使用邊沿觸發(fā)模式檢測(cè)
even.data.fd = lfd;
ret = epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, lfd, &even);
struct epoll_event evens[100]; // 用于接取傳出的內(nèi)容
int len = sizeof(evens) / sizeof(struct epoll_event);
while (1)
{
cout << " 開始等待?。?！" << endl;
int num = epoll_wait(epfd, evens, len, -1);
cout << " 等待結(jié)束?。。?
<< " num=" << num << endl;
for (int i = 0; i < num; i++) // 取出所有的檢測(cè)到的事件
{
int curfd = evens[i].data.fd;
if (evens[i].data.fd == lfd)
{
struct sockaddr_in *add;
int len = sizeof(struct sockaddr_in);
int cfd = accept(evens[i].data.fd, NULL, NULL);
// 將這個(gè)文件標(biāo)識(shí)符改為非阻塞模式
int flag = fcntl(cfd, F_GETFL); // 獲取該文件描述符的狀態(tài)標(biāo)志
flag = O_NONBLOCK; // 設(shè)置為 O_NONBLOCK，即非阻塞模式。
fcntl(cfd, F_SETFL, flag); // 將新的狀態(tài)標(biāo)志設(shè)置為非阻塞模式。
struct epoll_event even;
even.events = EPOLLIN | EPOLLET;//使用邊沿觸發(fā)模式檢測(cè)
even.data.fd = cfd;
// 將接收到的cfd放入epoll檢測(cè)的紅黑樹當(dāng)中
ret = epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, cfd, &even);
if (ret == -1)
{
cout << "登錄失敗" << endl;
}
else
{
cout << "登陸成功，已加入紅黑樹" << endl;
}
}
else
{
// 接收數(shù)據(jù)
char buf[10];
memset(buf, 0, sizeof(buf));
cout << "正在讀！?。?！" << endl;
while (1) // 應(yīng)對(duì)Epoll的ET模式而用的循環(huán)read，read要將文件標(biāo)識(shí)符改為非阻塞版本
{
int len = read(evens[i].data.fd, buf, sizeof(buf));
if (len > 0)
{
// 發(fā)送數(shù)據(jù)
if (len <= 2)
{
cout << " out!!" << endl;
break;
}
printf("客戶端say: %s\n", buf);
write(evens[i].data.fd, buf, len);
sleep(0.1);
}
else if (len == 0)
{
printf("客戶端斷開了連接...\n");
ret = epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, evens[i].data.fd, NULL);
close(curfd);
break;
}
else
{
perror("read");
//ret = epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, evens[i].data.fd, NULL);
//close(curfd);
if (errno == EAGAIN)
{
cout << "接收完畢！" << endl;
break;
}
// break;
}
}
}
}
}
return 0;
}
客戶端：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <iostream>
using namespace std;
int main() //網(wǎng)絡(luò)通信的客戶端
{
// 1 創(chuàng)建用于通信的套接字
int fd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
if(fd==-1)
{
perror("socket");
exit(0);
}
// 2 連接服務(wù)器
struct sockaddr_in addr;
addr.sin_family=AF_INET; //ipv4
addr.sin_port=htons(9996);// 服務(wù)器監(jiān)聽的端口, 字節(jié)序應(yīng)該是網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序
inet_pton(AF_INET,"127.0.0.1",&addr.sin_addr.s_addr);
int ret=connect(fd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr));
if(ret==-1)
{
perror("connect");
exit(0);
}
//通信
while (1)
{
//讀數(shù)據(jù)
char recvBuf[1024];
//寫數(shù)據(jù)
fgets(recvBuf,sizeof(recvBuf),stdin);
write(fd,recvBuf,strlen(recvBuf)+1);
int oriLen=strlen(recvBuf)-1;
cout<<"strlen(recvBuf)="<<oriLen<<endl;
int total_get=0;
while (total_get<oriLen)
{
//cout<<"開始讀"<<endl;
char recvBuf2[1024];
read(fd,recvBuf2,sizeof(recvBuf2));
total_get+=10;
cout<<"total_get="<<total_get<<" strlen(recvBuf)="<<oriLen<<endl;
printf("recv buf: %s\n", recvBuf2);
if (total_get>=oriLen)
{
cout<<"out"<<endl;
break;
}
}
sleep(1);
}
close(fd);
return 0;
}
邊沿模式需要注意的點(diǎn)
由于邊沿模式只通知一次事件發(fā)生，所以當(dāng)我們服務(wù)器端接收來自客戶端的較為長(zhǎng)的內(nèi)容時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)，一次無法完全接收的情況。而邊沿模式又只通知一次，所以此時(shí)沒讀取完的內(nèi)容可能無法及時(shí)讀取。為了應(yīng)對(duì)這個(gè)問題，我們可以采取循環(huán)接收的方法，如：
while (1) // 應(yīng)對(duì)Epoll的ET模式而用的循環(huán)read，
{
int len = read(evens[i].data.fd, buf, sizeof(buf));
if (len > 0)
{
// 發(fā)送數(shù)據(jù)
}
else if (len == 0)
{
printf("客戶端斷開了連接...\n");
break;
}
else
{
perror("read");
break;
}
}應(yīng)用程序在處理事件時(shí)需要使用非阻塞I/O，確保能夠立即處理事件并避免阻塞其他事件的通知。需要注意將被監(jiān)控的文件描述符設(shè)置為非阻塞狀態(tài)，以確保事件的及時(shí)處理。可以使用fcntl函數(shù)的O_NONBLOCK標(biāo)志來將文件描述符設(shè)置為非阻塞模式。（因?yàn)槿绻辉O(shè)置為非阻塞模式的話，服務(wù)器端在循環(huán)讀取客戶端發(fā)來的內(nèi)容時(shí)，如果讀完了內(nèi)容，應(yīng)用程序就會(huì)阻塞在read函數(shù)部分）將其設(shè)置為非阻塞模式后，我們?cè)谧x取完內(nèi)容之后，就可以根據(jù)read返回的EAGAIN錯(cuò)誤（接收緩沖區(qū)為空時(shí)會(huì)報(bào)）來跳出循環(huán)。設(shè)置方式如下：
int cfd = accept(evens[i].data.fd, NULL, NULL); // 將這個(gè)文件標(biāo)識(shí)符改為非阻塞模式 int flag = fcntl(cfd, F_GETFL); // 獲取該文件描述符的狀態(tài)標(biāo)志 flag = O_NONBLOCK; // 設(shè)置為 O_NONBLOCK，即非阻塞模式。 fcntl(cfd, F_SETFL, flag); // 將新的狀態(tài)標(biāo)志設(shè)置為非阻塞模式。 struct epoll_event even; even.events = EPOLLIN | EPOLLET; //使用邊沿觸發(fā)模式檢測(cè)讀緩沖區(qū) even.data.fd = cfd; // 將接收到的cfd放入epoll檢測(cè)的紅黑樹當(dāng)中 ret = epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, cfd, &even);
退出時(shí)判斷的EAGAIN錯(cuò)誤，存在erron.h庫中。errno（error number）是C語言標(biāo)準(zhǔn)庫（C Standard Library）提供的一個(gè)全局變量，用于表示上一次發(fā)生的錯(cuò)誤代碼。errno庫提供了一些宏定義和函數(shù)，用于獲取和處理錯(cuò)誤代碼。需要注意的是，errno是全局變量，在多線程環(huán)境下需要注意線程安全。如：
while (1) // 應(yīng)對(duì)Epoll的ET模式而用的循環(huán)read，
{
int len = read(evens[i].data.fd, buf, sizeof(buf));
if (len > 0)
{
// 發(fā)送數(shù)據(jù)
}
else if (len == 0)
{
printf("客戶端斷開了連接...\n");
break;
}
else
{
perror("read");
if (errno == EAGAIN) //判斷是否讀取完畢
{
cout << "接收完畢！" << endl;
break;
}
}
}整體工程與線程池版本可以參考：https://github.com/BanLi-Official/CppEpoll
參考資料
感謝蘇丙榅大佬的教程
愛編程的大丙的個(gè)人空間-愛編程的大丙個(gè)人主頁-嗶哩嗶哩視頻
（C++通訊架構(gòu)學(xué)習(xí)筆記）：epoll介紹及原理詳解_c++ epoll-CSDN博客
C++ select模型詳解（多路復(fù)用IO）-CSDN博客
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