Linux网络编程epoll进阶:水平模式和边沿模式
BillySturate
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1.epoll的事件模型
EPOLL事件有两种模型：
Edge Triggered (ET) 边缘触发：只有数据到来才触发，不管缓存区中是否还有数据。ET是高速工作方式，只支持no-block socket。在这种模式下，当描述符从未就绪变为就绪时，内核通过epoll告诉你。然后它会假设你知道文件描述符已经就绪，并且不会再为那个文件描述符发送更多的就绪通知。请注意，如果一直不对这个fd作IO操作(从而导致它再次变成未就绪)，内核不会发送更多的通知(only once)。
Level Triggered (LT) 水平触发：只要缓存区有数据都会触发。LT是缺省的工作方式，并且同时支持block和no-block socket。在这种做法中，内核告诉你一个文件描述符是否就绪了，然后你可以对这个就绪的fd进行IO操作。如果你不作任何操作，内核还是会继续通知你的，所以，这种模式编程出错误可能性要小一点。传统的select/poll都是这种模型的代表。
1.1 ET(边沿模式)的设置
边沿模式不是默认的 epoll 模式，需要额外进行设置。epoll 设置边沿模式是非常简单的，epoll 管理的红黑树示例中每个节点都是 struct epoll_event 类型，只需要将 EPOLLET 添加到结构体的 events 成员中即可：
struct epoll_event ev;
ev.events = EPOLLIN | EPOLLET; // 设置边沿模式
1.2 基于管道epoll ET触发模式
/*************************************************************************
# > File Name:server.c
# > Author: Jay
# > Mail: billysturate@gmail.com
# > Created Time: Sun 23 Oct 2022 11:19:43 AM CST
************************************************************************/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
#define MAXLINE 10
int main(int argc, char *argv[])
{
int efd, i;
int pfd[2];
pid_t pid;
char buf[MAXLINE], ch = 'a';
pipe(pfd);
pid = fork();
if (pid == 0) {
close(pfd[0]);
while (1) {
for (i = 0; i < MAXLINE/2; i )
buf[i] = ch;
buf[i-1] = '\n';
ch ;
for (; i < MAXLINE; i )
buf[i] = ch;
buf[i-1] = '\n';
ch ;
write(pfd[1], buf, sizeof(buf));
sleep(2);
}
close(pfd[1]);
} else if (pid > 0) {
struct epoll_event event;
struct epoll_event resevent[10];
int res, len;
close(pfd[1]);
efd = epoll_create(10);
/* event.events = EPOLLIN; */
event.events = EPOLLIN | EPOLLET; /* ET 边沿触发 ，默认是水平触发 */
event.data.fd = pfd[0];
epoll_ctl(efd, EPOLL_CTL_ADD, pfd[0], &event);
while (1) {
res = epoll_wait(efd, resevent, 10, -1);
printf("res %d\n", res);
if (resevent[0].data.fd == pfd[0]) {
len = read(pfd[0], buf, MAXLINE/2);
write(STDOUT_FILENO, buf, len);
}
}
close(pfd[0]);
close(efd);
} else {
perror("fork");
exit(-1);
}
return 0;
}
1.3 基于网络C/S模型的epoll ET触发模式
server端:
/*************************************************************************
# > File Name:epoll_et.c
# > Author: Jay
# > Mail: billysturate@gmail.com
# > Created Time: Sun 23 Oct 2022 11:21:24 AM CST
************************************************************************/
/* server.c */
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <signal.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <unistd.h>
#define MAXLINE 10
#define SERV_PORT 8080
int main(void)
{
struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;
socklen_t cliaddr_len;
int listenfd, connfd;
char buf[MAXLINE];
char str[INET_ADDRSTRLEN];
int i, efd;
listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));
listen(listenfd, 20);
struct epoll_event event;
struct epoll_event resevent[10];
int res, len;
efd = epoll_create(10);
// event.events = EPOLLIN | EPOLLET; /* ET 边沿触发 ，默认是水平触发 */
event.events = EPOLLIN;
printf("Accepting connections ...\n");
cliaddr_len = sizeof(cliaddr);
connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &cliaddr_len);
printf("received from %s at PORT %d\n",
inet_ntop(AF_INET, &cliaddr.sin_addr, str, sizeof(str)),
ntohs(cliaddr.sin_port));
event.data.fd = connfd;
epoll_ctl(efd, EPOLL_CTL_ADD, connfd, &event);
while (1) {
res = epoll_wait(efd, resevent, 10, -1);
printf("res %d\n", res);
if (resevent[0].data.fd == connfd) {
len = read(connfd, buf, MAXLINE/2);
write(STDOUT_FILENO, buf, len);
}
}
return 0;
}
client端：
/*************************************************************************
# > File Name:client.c
# > Author: Jay
# > Mail: billysturate@gmail.com
# > Created Time: Sun 23 Oct 2022 11:22:14 AM CST
************************************************************************/
/* client.c */
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include "wrap.h"
#define MAXLINE 10
#define SERV_PORT 8080
int main(int argc, char *argv[])
{
struct sockaddr_in servaddr;
char buf[MAXLINE];
int sockfd, i;
char ch = 'a';
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &servaddr.sin_addr);
servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
connect(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));
while (1) {
for (i = 0; i < MAXLINE/2; i )
buf[i] = ch;
buf[i-1] = '\n';
ch ;
for (; i < MAXLINE; i )
buf[i] = ch;
buf[i-1] = '\n';
ch ;
write(sockfd, buf, sizeof(buf));
sleep(10);
}
Close(sockfd);
return 0;
}
server边沿触发，编译运行，如下所示
运行后，每过5秒钟服务器才输出一组字符，这是就是边沿触发的效果。
更改服务器为水平触发模式，运行程序，如下：
运行后，每5秒输出两组字符串，这是因为只写入了两组，这个模式的服务器，缓冲区有多少读多少。
1.4 基于网络C/S非阻塞模型的epoll ET触发模式
1.4.1 设置非阻塞
在使用epoll ET触发模式进行读事件的检测时，有新数据达到只会通知一次，那么必须要保证得到通知后将数据全部从读缓冲区中读出。那么，应该如何读这些数据呢？
我们可以循环读取数据，如下所示:
int len = 0;
while((len = recv(curfd, buf, sizeof(buf), 0)) > 0)
{
// 数据处理...
}
但这样做还有一个问题，因为套接字操作默认是阻塞的，当读缓冲区数据被读完之后，读操作就阻塞了也就是调用的 read()/recv() 函数被阻塞了，如果是单线程/进程程序的话，程序就不能往下执行了。
要解决阻塞问题，就需要将套接字默认的阻塞行为修改为非阻塞，需要使用fcntl()函数进行处理：
// 设置完成之后, 读写都变成了非阻塞模式
int flag = fcntl(cfd, F_GETFL);
flag |= O_NONBLOCK;
fcntl(cfd, F_SETFL, flag);
通过上述分析就可以得出一个结论：epoll 在边沿模式下，必须要将套接字设置为非阻塞模式，但是，这样就会引发另外的一个 bug，在非阻塞模式下，循环地将读缓冲区数据读到本地内存中，当缓冲区数据被读完了，调用的 read()/recv() 函数还会继续从缓冲区中读数据，此时函数调用就失败了，返回 - 1，对应的全局变量 errno 值为 EAGAIN 或者 EWOULDBLOCK 如果打印错误信息会得到如下的信息：Resource temporarily unavailable
演示代码:
server端：
/*************************************************************************
# > File Name:epoll_et_npblock.c
# > Author: Jay
# > Mail: billysturate@gmail.com
# > Created Time: Sun 23 Oct 2022 03:10:42 PM CST
************************************************************************/
/* server.c */
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#define MAXLINE 10
#define SERV_PORT 8080
int main(void)
{
struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;
socklen_t cliaddr_len;
int listenfd, connfd;
char buf[MAXLINE];
char str[INET_ADDRSTRLEN];
int i, efd, flag;
listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));
listen(listenfd, 20);
struct epoll_event event;
struct epoll_event resevent[10];
int res, len;
efd = epoll_create(10);
/* event.events = EPOLLIN; */
event.events = EPOLLIN | EPOLLET; /* ET 边沿触发 ，默认是水平触发 */
printf("Accepting connections ...\n");
cliaddr_len = sizeof(cliaddr);
connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &cliaddr_len);
printf("received from %s at PORT %d\n",
inet_ntop(AF_INET, &cliaddr.sin_addr, str, sizeof(str)),
ntohs(cliaddr.sin_port));
flag = fcntl(connfd, F_GETFL);
flag |= O_NONBLOCK;
fcntl(connfd, F_SETFL, flag);
event.data.fd = connfd;
epoll_ctl(efd, EPOLL_CTL_ADD, connfd, &event);
while (1) {
printf("epoll_wait begin\n");
res = epoll_wait(efd, resevent, 10, -1);
printf("epoll_wait end res %d\n", res);
if (resevent[0].data.fd == connfd) {
while ((len = read(connfd, buf, MAXLINE/2)) > 0)
write(STDOUT_FILENO, buf, len);
}
}
return 0;
}
client端：
/*************************************************************************
# > File Name:client_noblock.c
# > Author: Jay
# > Mail: billysturate@gmail.com
# > Created Time: Sun 23 Oct 2022 03:13:29 PM CST
************************************************************************/
/* client.c */
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include "wrap.h"
#define MAXLINE 10
#define SERV_PORT 8080
int main(int argc, char *argv[])
{
struct sockaddr_in servaddr;
char buf[MAXLINE];
int sockfd, i;
char ch = 'a';
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &servaddr.sin_addr);
servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
connect(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));
while (1) {
for (i = 0; i < MAXLINE/2; i )
buf[i] = ch;
buf[i-1] = '\n';
ch ;
for (; i < MAXLINE; i )
buf[i] = ch;
buf[i-1] = '\n';
ch ;
write(sockfd, buf, sizeof(buf));
sleep(10);
}
Close(sockfd);
return 0;
}
1.5 基于多线程的边沿非阻塞处理
直接上代码吧:
server端：
/*************************************************************************
# > File Name:server.c
# > Author: Jay
# > Mail: billysturate@gmail.com
# > Created Time: Tue 08 Nov 2022 02:07:34 PM CST
************************************************************************/
#include <stdio.h>
#include <ctype.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
#include <pthread.h>
typedef struct socketinfo
{
int fd; //要操作的文件描述符
int epfd; //红黑树实例
} SocketInfo;
void *acceptConn(void *arg)
{
printf("acception tid: %ld\n", pthread_self());
SocketInfo *info = (SocketInfo *)arg;
// 建立新的连接
int cfd = accept(info->fd, NULL, NULL);
// 将文件描述符设置为非阻塞
// 得到文件描述符的属性
int flag = fcntl(cfd, F_GETFL);
flag |= O_NONBLOCK;
fcntl(cfd, F_SETFL, flag);
// 新得到的文件描述符添加到epoll模型中, 下一轮循环的时候就可以被检测了
// 通信的文件描述符检测读缓冲区数据的时候设置为边沿模式
struct epoll_event ev;
ev.events = EPOLLIN | EPOLLET; // 读缓冲区是否有数据
ev.data.fd = cfd;
int ret = epoll_ctl(info->epfd, EPOLL_CTL_ADD, cfd, &ev);
if (ret == -1)
{
perror("epoll_ctl-accept");
exit(0);
}
free(info);
return NULL;
}
void *communication(void *arg)
{
printf("acception tid: %ld\n", pthread_self());
SocketInfo *info = (SocketInfo *)arg;
int curfd = info->fd;
int epfd = info->epfd;
// 处理通信的文件描述符
// 接收数据
char buf[5];
char temp[1024];
memset(buf, 0, sizeof(buf));
bzero(temp, sizeof(temp));
// 循环读数据
while (1)
{
int len = recv(curfd, buf, sizeof(buf), 0);
if (len == 0)
{
// 非阻塞模式下和阻塞模式是一样的 => 判断对方是否断开连接
printf("客户端断开了连接...\n");
// 将这个文件描述符从epoll模型中删除
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, curfd, NULL);
close(curfd);
break;
}
else if (len > 0)
{
// 通信
// 接收的数据打印到终端
for (int i = 0; i < len; i )
{
buf[i] = toupper(buf[i]);
}
strncat(temp strlen(temp), buf, len);
write(STDOUT_FILENO, buf, len);
// 发送数据
// send(curfd, buf, len, 0);
}
else
{
// len == -1
if (errno == EAGAIN)
{
printf("数据读完了...\n");
//发送数据
send(curfd, temp, strlen(temp) 1, 0);
break;
}
else
{
perror("recv error");
break;
// exit(0); //不能exit因为会结束整个程序
}
}
}
free(info);
return NULL;
}
// server
int main(int argc, const char *argv[])
{
// 创建监听的套接字
int lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (lfd == -1)
{
perror("socket error");
exit(1);
}
// 绑定
struct sockaddr_in serv_addr;
memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));
serv_addr.sin_family = AF_INET;
serv_addr.sin_port = htons(9527);
serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 本地多有的ＩＰ
// 127.0.0.1
// inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &serv_addr.sin_addr.s_addr);
// 设置端口复用
int opt = 1;
setsockopt(lfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));
// 绑定端口
int ret = bind(lfd, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr));
if (ret == -1)
{
perror("bind error");
exit(1);
}
// 监听
ret = listen(lfd, 64);
if (ret == -1)
{
perror("listen error");
exit(1);
}
printf("已完成初始化\n");
// 现在只有监听的文件描述符
// 所有的文件描述符对应读写缓冲区状态都是委托内核进行检测的epoll
// 创建一个epoll模型
int epfd = epoll_create(100);
if (epfd == -1)
{
perror("epoll_create");
exit(0);
}
// 往epoll实例中添加需要检测的节点, 现在只有监听的文件描述符
struct epoll_event ev;
ev.events = EPOLLIN; // 检测lfd读读缓冲区是否有数据
ev.data.fd = lfd;
ret = epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, lfd, &ev);
if (ret == -1)
{
perror("epoll_ctl");
exit(0);
}
struct epoll_event evs[1024];
int size = sizeof(evs) / sizeof(struct epoll_event);
// 持续检测
while (1)
{
// 调用一次, 检测一次
int num = epoll_wait(epfd, evs, size, -1);
printf("==== num: %d\n", num);
pthread_t tid;
for (int i = 0; i < num; i)
{
// 取出当前的文件描述符
int curfd = evs[i].data.fd;
SocketInfo *info = (SocketInfo *)malloc(sizeof(SocketInfo));
info->fd = curfd;
info->epfd = epfd;
// 判断这个文件描述符是不是用于监听的
if (curfd == lfd)
{
pthread_create(&tid, NULL, acceptConn, (void *)info);
pthread_detach(tid);
}
else
{
pthread_create(&tid, NULL, communication, (void *)info);
pthread_detach(tid);
}
}
}
return 0;
}
client端：
/*************************************************************************
# > File Name:client.c
# > Author: Jay
# > Mail: billysturate@gmail.com
# > Created Time: Tue 08 Nov 2022 03:10:51 PM CST
************************************************************************/
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#define MAXLINE 80
#define SERV_PORT 9527
int main(int argc, char *argv[])
{
struct sockaddr_in servaddr;
char buf[MAXLINE];
int sockfd, n;
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if(sockfd < 0)
{
perror("create failed");
exit(1);
}
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
inet_pton(AF_INET, "124.221.165.184", &servaddr.sin_addr);
servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
int i = connect(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));
if (i < 0)
{
perror("connect failed");
exit(1);
}
int num = 0;
printf("服务器连接成功\n");
while (1)
{
sprintf(buf, "hello, world, %d\n...", num );
printf("%s\n", buf);
write(sockfd, buf, strlen(buf) 1);
recv(sockfd, buf, sizeof(buf), 0);
printf("recv msg:%s\n", buf);
usleep(10000);
}
recv(sockfd, buf, sizeof(buf), 0);
printf("recv msg:%s\n", buf);
printf("over-----------\n");
close(sockfd);
return 0;
}
编译运行，结果如下:
服务器端：
线程1：
线程2：
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