非阻塞socket与epoll

阻塞socket。

　　–阻塞调用是指调用结果返回之前，当前线程会被挂起。函数只有在得到结果之后才会返回。

　　–对于文件操作read,fread函数调用会将线程阻塞。

　　–对于socket,accept与recv、recvfrom函数调用会将线程阻塞。

　　–为了避免整个进程被阻塞后挂起，所以在阻塞模式下，往往需要采用多线程技术。

　　–一个进程中可并发的线程总数是有限的，在处理大量客户端sokcet连接（比如上万个client socket），通过线程并发处理socket并不方便，效率也不高。

 

非阻塞socket。

　　–非阻塞调用是指调用立刻返回。

　　–在非阻塞模式下,accept与recv、recvfrom函数调用会立刻返回。

　　–在nonblocking状态下调用accept函数,如果没有客户端socket连接请求，那么accept函数返回-1，同时errno值为11。

　　–在nonblocking状态下调用recv、recvfrom函数,如果没有数据，函数返回-1，同时errno值为11。如果socket已经关闭，函数返回0。

　　–在nonblocking状态下对一个已经关闭的socket调用send函数，将引发一个SIGPIPE信号，进程必须捕捉这个信号，因为SIGPIPE系统默认的处理方式是关闭进程。

 

fcntl函数调用

fcntl函数可以将文件或者socket描述符设置为阻塞或者非阻塞状态

int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );

参数fd为要设置的文件描述符或者socket。

参数cmd， F_GETFL为得到目前状态， F_SETFL为设置状态。

宏定义O_NONBLOCK代表非阻塞，0代表阻塞。

返回值为描述符当前状态。

 

 

fcntl函数调用设置非阻塞例子
int opts = fcntl(st, F_GETFL);
if (opts < 0)
{
    printf("fcntl failed %s
", strerror(errno));
}
opts = opts | O_NONBLOCK;
if (fcntl(st, F_SETFL, opts) < 0)
{
    printf("fcntl failed %s
", strerror(errno));
}

fcntl函数调用设置阻塞例子
if (fcntl(st, F_SETFL, 0) < 0)
{
    printf("fcntl failed %s
", strerror(errno));
}

在非阻塞模式下，如何能知道accept与recv有数据返回呢？

epoll是Linux内核为处理大批量文件描述符而作了改进的poll，是Linux下多路复用IO接口select/poll的增强版本，它能显著提高程序在大量并发连接中只有少量活跃的情况下的系统CPU利用率。

 

 

epoll的系统调用函数：

　　–epoll_create

•epoll_create用来创建一个epoll文件描述符。

　　–epoll_ctl

•epoll_ctl用来添加/修改/删除需要侦听的文件描述符及其事件。

　　–epoll_wait。

•epoll_wait接收发生在被侦听的描述符上的，用户感兴趣的IO事件。

　　–epoll文件描述符用完后，需要用close关闭。

　　–每次添加/修改/删除文件描述符都需要调用epoll_ctl，所以要尽量少地调用epoll_ctl。

 

 

epoll_create：

　　–int epoll_create(int size);

　　–epoll_create创建一个epoll的句柄。

　　–参数size指定epoll所支持的最大句柄数。

　　–函数会返回一个新的epoll句柄，之后的所有操作将通过这个句柄来进行操作。

　　–在用完句柄之后，需要用close()来关闭这个创建出来的epoll句柄。

 

 

epoll_ctl：

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

　　–参数epfd是epoll_create()的返回值。

　　–参数op表示动作，用三个宏来表示：

•EPOLL_CTL_ADD：注册新的fd到epfd中；

•EPOLL_CTL_MOD：修改已经注册的fd的监听事件；

•EPOLL_CTL_DEL：从epfd中删除一个fd；

　　–参数fd是需要监听的socket描述符。

　　–参数event通知内核需要监听什么事件。

 

struct epoll_event结构如下：
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 */
};

events定义：

　　–EPOLLIN ：表示对应的文件描述符可以读（包括对端SOCKET正常关闭）；

　　–EPOLLOUT：表示对应的文件描述符可以写；

　　–EPOLLPRI：表示对应的文件描述符有紧急的数据可读（这里应该表示有带外数据到来）；

　　–EPOLLERR：表示对应的文件描述符发生错误；

　　–EPOLLHUP：表示对应的文件描述符被挂断；

　　–EPOLLET： 将EPOLL设为边缘触发(Edge Triggered)模式，这是相对于水平触发(Level Triggered)来说的；

　　–EPOLLONESHOT：只监听一次事件，当监听完这次事件之后，如果还需要继续监听这个socket的话，需要再次把这个socket加入到EPOLL队列里

 

 

关于ET、LT两种工作模式：

LT（level triggered）是缺省的工作方式，并且同时支持block和no-block socket.

　　–在LT模式中，内核通知一个文件描述符是否就绪了，然后可以对这个就绪的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。

 

 

ET （edge-triggered）是高速工作方式，只支持no-block socket。

　　–在ET模式下，当描述符从未就绪变为就绪时，内核通过epoll告诉你。

　　–ET模式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，直到你做了某些操作导致那个文件描述符不再为就绪状态了。

　　–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。

ET和LT的区别：

　　–LT事件不会丢弃，而是只要读buffer里面有数据可以让用户读，则不断的通知你。

　　–ET则只在事件发生之时通知。可以简单理解为LT是水平触发，而ET则为边缘触发。

　　–LT模式只要有事件未处理就会触发，而ET则只在高低电平变换时（即状态从1到0或者0到1）触发。

epoll_wait：

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

　　–参数epfd是epoll_create()的返回值。

　　–参数events是一个epoll_event*的指针，当epoll_wait这个函数操作成功之后，epoll_events里面将储存所有的读写事件。

　　–参数maxevents是当前需要监听的所有socket句柄数。

　　–参数timeout是 epoll_wait的超时，为0的时候表示马上返回，为-1的时候表示一直等下去，直到有事件范围，正整数表示等这么长的时间。

　　–一般如果网络主循环是单独的线程的话，可以用-1来等，这样可以保证一些效率，如果是和主逻辑在同一个线程的话，则可以用0来保证主循环的效率。

epoll_wait范围之后应该是一个循环，遍历所有的事件。

 

 

 

 

epoll例子

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

ssize_t socket_recv(int st)
{
    char buf[1024];
    memset(buf, 0, sizeof(buf));
    ssize_t rc = recv(st, buf, sizeof(buf), 0);
    if (rc <= 0)
    {
        printf("recv failed %s
", strerror(errno));
    } else
    {
        printf("recv %s
", buf);
        send(st, buf, rc, 0);
    }
    return rc;
}

int socket_accept(int listen_st)
{
    struct sockaddr_in client_addr;
    socklen_t len = sizeof(client_addr);
    memset(&client_addr, 0, sizeof(client_addr));
    int client_st = accept(listen_st, (struct sockaddr *) &client_addr, &len);
    if (client_st < 0)
        printf("accept failed %s
", strerror(errno));
    else
        printf("accept by %s
", inet_ntoa(client_addr.sin_addr));
    return client_st;
}

void setnonblocking(int st) //将socket设置为非阻塞
{
    int opts = fcntl(st, F_GETFL);
    if (opts < 0)
    {
        printf("fcntl failed %s
", strerror(errno));
    }
    opts = opts | O_NONBLOCK;
    if (fcntl(st, F_SETFL, opts) < 0)
    {
        printf("fcntl failed %s
", strerror(errno));
    }
}

int socket_create(int port)
{
    int st = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    int on = 1;
    if (setsockopt(st, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &on, sizeof(on)) == -1)
    {
        printf("setsockopt failed %s
", strerror(errno));
        return 0;
    }
    struct sockaddr_in addr;
    memset(&addr, 0, sizeof(addr));
    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_port = htons(port);
    addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    if (bind(st, (struct sockaddr *) &addr, sizeof(addr)) == -1)
    {
        printf("bind port %d failed %s
", port, strerror(errno));
        return 0;
    }
    if (listen(st, 300) == -1)
    {
        printf("listen failed %s
", strerror(errno));
        return 0;
    }
    return st;
}

int main(int arg, char *args[])
{
    if (arg < 2)
        return -1;
    int iport = atoi(args[1]);    
    int listen_st = socket_create(iport);
    if (listen_st == 0)
        return -1;
    
    struct epoll_event ev, events[100]; //声明epoll_event结构体的变量,ev用于注册事件,数组用于回传要处理的事件
    int epfd = epoll_create(100); //生成用于处理accept的epoll专用的文件描述符
    setnonblocking(listen_st); //把socket设置为非阻塞方式
    ev.data.fd = listen_st; //设置与要处理的事件相关的文件描述符
    ev.events = EPOLLIN | EPOLLERR | EPOLLHUP; //设置要处理的事件类型    
    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, listen_st, &ev); //注册epoll事件

    int st = 0;
    while (1)
    {
        int nfds = epoll_wait(epfd, events, 100, -1); //等待epoll事件的发生        
        if (nfds == -1)
        {
            printf("epoll_wait failed %s
", strerror(errno));
            break;
        }

        int i;
        for (i = 0; i < nfds; i++)
        {
            if (events[i].data.fd < 0)
                continue;

            if (events[i].data.fd == listen_st) //监测到一个SOCKET用户连接到了绑定的SOCKET端口，建立新的连接。
            {
                st = socket_accept(listen_st);
                if (st >= 0)
                {
                    setnonblocking(st);
                    ev.data.fd = st;
                    ev.events = EPOLLIN | EPOLLERR | EPOLLHUP; //设置要处理的事件类型    
                    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, st, &ev);
                    continue;
                }
            }
            if (events[i].events & EPOLLIN) //socket收到数据
            {
                st = events[i].data.fd;
                if (socket_recv(st) <= 0)
                {
                    close(st);
                    events[i].data.fd = -1;
                }
            }
            if (events[i].events & EPOLLERR) //socket错误
            {
                close(st);
                events[i].data.fd = -1;
            }
            
            if (events[i].events & EPOLLHUP) //socket错误
            {
                close(st);
                events[i].data.fd = -1;
            }
        }
    }
    close(epfd);
    return 0;
}

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