Linux网络编程---多路I/O转接服务器(二)

2024-04-27 11:12
文章标签 linux 服务器 编程 网络 转接 多路

本文主要是介绍Linux网络编程---多路I/O转接服务器(二)，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

一、 突破 1024 文件描述符限制

cat /proc/sys/fs/file-max  --> 当前计算机所能打开的最大文件个数。 受硬件影响。

ulimit -a     --> 当前用户下的进程，默认打开文件描述符个数。  缺省为 1024

修改：
        打开 sudo vi /etc/security/limits.conf，写入：

        * soft nofile 65536   --> 设置默认值，可以直接借助命令修改。【注销用户，使其生效】

        * hard nofile 100000   --> 命令修改上限。

二、epoll 

        epoll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，都连接但不发送数据 

1. epoll_create函数

int epoll_create(int size);        创建一棵监听红黑树

参数：

        size：创建的红黑树的监听节点数量。（仅供内核参考。）

返回值：

        成功：指向新创建的红黑树的根节点的 fd。 

        失败： -1 errno

2. epoll_ctl函数

int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);        操作监听红黑树

参数：

        epfd：epoll_create 函数的返回值。 epfd

        op：对该监听红黑树所做的操作。

            EPOLL_CTL_ADD 添加fd到 监听红黑树

            EPOLL_CTL_MOD 修改fd在 监听红黑树上的监听事件。

            EPOLL_CTL_DEL 将一个fd 从监听红黑树上摘下（取消监听）

        fd：待监听的fd

        event：本质 struct epoll_event 结构体 地址

            成员 events：EPOLLIN / EPOLLOUT / EPOLLERR

            成员 data： 联合体（共用体）

                        int fd;      对应监听事件的 fd

                        void *ptr； 

                        uint32_t u32;

                        uint64_t u64;    

返回值：

        成功：0

        失败：-1 error

3. epoll_wait函数 

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

阻塞监听

参数：

        epfd：epoll_create 函数的返回值。 epfd

        events：传出参数，【数组】， 满足监听条件的 哪些 fd 结构体。

        maxevents：数组 元素的总个数。 1024           
                struct epoll_event evnets[1024]
        timeout：

                -1： 阻塞

                 0：不阻塞

               >0：超时时间 （毫秒）

返回值：

        > 0： 满足监听的 总个数。 可以用作循环上限。

           0： 没有fd满足监听事件

          -1：失败。 errno

epoll实现多路IO转接思路：

  1. socket()、bind()、listen()
  2. epoll_create创建红黑树，它的返回值就是树的根节点
  3. epoll_ctl将listenfd添加到树上
  4. 循环epoll_wait进行监听，它的返回值是满足监听的总个数，所以以它的返回值为遍历上限去判断事件
  5. 如果它返回的数组中data.fd等于lfd，那么就accept去连接客户端 并将新的cfd加入树中
  6. 如果不是lfd,就说明有读事件发生，就去判断读到的返回值，<0是出错 ==0是客户端关闭(这两个都要去将该cfd从树中移除 并close)，>0就处理数据然后写回

代码实现：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <errno.h>
#include <ctype.h>#include "wrap.h"#define MAXLINE 8192
#define SERV_PORT 8000#define OPEN_MAX 5000int main(int argc, char *argv[])
{int i, listenfd, connfd, sockfd;int  n, num = 0;ssize_t nready, efd, res;char buf[MAXLINE], str[INET_ADDRSTRLEN];socklen_t clilen;struct sockaddr_in cliaddr, servaddr;listenfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);int opt = 1;setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));      //端口复用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);efd = epoll_create(OPEN_MAX);               //创建epoll模型, efd指向红黑树根节点if (efd == -1)perr_exit("epoll_create error");struct epoll_event tep, ep[OPEN_MAX];       //tep: epoll_ctl参数  ep[] : epoll_wait参数tep.events = EPOLLIN; tep.data.fd = listenfd;           //指定lfd的监听时间为"读"res = epoll_ctl(efd, EPOLL_CTL_ADD, listenfd, &tep);    //将lfd及对应的结构体设置到树上,efd可找到该树if (res == -1)perr_exit("epoll_ctl error");for ( ; ; ) {/*epoll为server阻塞监听事件, ep为struct epoll_event类型数组, OPEN_MAX为数组容量, -1表永久阻塞*/nready = epoll_wait(efd, ep, OPEN_MAX, -1); if (nready == -1)perr_exit("epoll_wait error");for (i = 0; i < nready; i++) {if (!(ep[i].events & EPOLLIN))      //如果不是"读"事件, 继续循环continue;if (ep[i].data.fd == listenfd) {    //判断满足事件的fd是不是lfd            clilen = sizeof(cliaddr);connfd = Accept(listenfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &clilen);    //接受链接printf("received from %s at PORT %d\n", inet_ntop(AF_INET, &cliaddr.sin_addr, str, sizeof(str)), ntohs(cliaddr.sin_port));printf("cfd %d---client %d\n", connfd, ++num);tep.events = EPOLLIN; tep.data.fd = connfd;res = epoll_ctl(efd, EPOLL_CTL_ADD, connfd, &tep);      //加入红黑树if (res == -1)perr_exit("epoll_ctl error");} else {                                                    //不是lfd, sockfd = ep[i].data.fd;n = Read(sockfd, buf, MAXLINE);if (n == 0) {                                           //读到0,说明客户端关闭链接res = epoll_ctl(efd, EPOLL_CTL_DEL, sockfd, NULL);  //将该文件描述符从红黑树摘除if (res == -1)perr_exit("epoll_ctl error");Close(sockfd);                                      //关闭与该客户端的链接printf("client[%d] closed connection\n", sockfd);} else if (n < 0) {                                     //出错perror("read n < 0 error: ");res = epoll_ctl(efd, EPOLL_CTL_DEL, sockfd, NULL);  //摘除节点Close(sockfd);} else {                                                //实际读到了字节数for (i = 0; i < n; i++)buf[i] = toupper(buf[i]);                       //转大写,写回给客户端Write(STDOUT_FILENO, buf, n);Writen(sockfd, buf, n);}}}}Close(listenfd);Close(efd);return 0;
}

三、epoll 事件模型

1. epoll事件有两种模型：

  1. ET边缘触发(event.events = EPOLLIN | EPOLLET)：只有数据到来才触发，不管缓存区中是否还有数据
  2. LT水平触发(默认 event.events = EPOLLIN)：只要有数据都会触发
  • 使用边缘触发模式时，当被监控的 Socket 描述符上有可读事件发生时，服务器端只会从 epoll_wait 中苏醒一次，即使进程没有调用 read 函数从内核读取数据，也依然只苏醒一次，因此我们程序要保证一次性将内核缓冲区的数据读取完；
  • 使用水平触发模式时，当被监控的 Socket 上有可读事件发生时，服务器端不断地从 epoll_wait 中苏醒，直到内核缓冲区数据被 read 函数读完才结束，目的是告诉我们有数据需要读取；

        例如：你的快递被放到了一个快递箱里，如果快递箱只会通过短信通知你一次，即使你一直没有去取，它也不会再发送第二条短信提醒你，这个方式就是边缘触发；如果快递箱发现你的快递没有被取出，它就会不停地发短信通知你，直到你取出了快递，它才消停，这个就是水平触发的方式。

        这就是两者的区别，水平触发的意思是只要满足事件的条件，比如内核中有数据需要读，就一直不断地把这个事件传递给用户；而边缘触发的意思是只有第一次满足条件的时候才触发，之后就不会再传递同样的事件了。

        一般来说，边缘触发的效率比水平触发的效率要高，因为边缘触发可以减少 epoll_wait 的系统调用次数   

基于管道epoll ET/LT触发模式 

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>#define MAXLINE 10int 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) {             //子 写close(pfd[0]);while (1) {//aaaa\nfor (i = 0; i < MAXLINE/2; i++)buf[i] = ch;buf[i-1] = '\n';ch++;//bbbb\nfor (; i < MAXLINE; i++)buf[i] = ch;buf[i-1] = '\n';ch++;//aaaa\nbbbb\nwrite(pfd[1], buf, sizeof(buf));sleep(5);}close(pfd[1]);} else if (pid > 0) {       //父 读struct epoll_event event;struct epoll_event resevent[10];        //epoll_wait就绪返回eventint res, len;close(pfd[1]);efd = epoll_create(10);event.events = EPOLLIN | EPOLLET;     // ET 边沿触发// event.events = EPOLLIN;                 // LT 水平触发 (默认)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;
}

2. ET的非阻塞模式 

epoll 的 ET模式为高效模式，但是只支持非阻塞模式。 --- 忙轮询。

        struct epoll_event event;

        event.events = EPOLLIN | EPOLLET;

        epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, cfd， &event);    

        int flg = fcntl(cfd, F_GETFL);    

        flg |= O_NONBLOCK;

        fcntl(cfd, F_SETFL, flg);

基于网络C/S非阻塞模型的epoll ET触发模式： 

#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 8000int main(void)
{struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;socklen_t cliaddr_len;int listenfd, connfd;char buf[MAXLINE];char str[INET_ADDRSTRLEN];int 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 res_event[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));flag = fcntl(connfd, F_GETFL);          /* 修改connfd为非阻塞读 */flag |= O_NONBLOCK;fcntl(connfd, F_SETFL, flag);event.data.fd = connfd;epoll_ctl(efd, EPOLL_CTL_ADD, connfd, &event);      //将connfd加入监听红黑树while (1) {printf("epoll_wait begin\n");res = epoll_wait(efd, res_event, 10, -1);        //最多10个, 阻塞监听printf("epoll_wait end res %d\n", res);if (res_event[0].data.fd == connfd) {while ((len = read(connfd, buf, MAXLINE/2)) >0 )    //非阻塞读, 轮询write(STDOUT_FILENO, buf, len);}}return 0;
}

3. epoll优缺点

优点：

        高效。突破1024文件描述符。

缺点：
        不能跨平台。 Linux。

四、epoll反应堆模型

核心：epoll ET模式+非阻塞+void *ptr

event：本质是 struct epoll_event 结构体地址

        events：EPOLLIN、EPOLLOUT、EPOLLERR

        data：联合体

                int fd：对应监听事件的fd

                void *ptr：泛型指针，可以指向任何类型，所以说可以指向一个结构体，结构体里定义回调函数和对应监听事件的fd

                uint32_t u32

                uint32_t u64

反应堆的理解：加入IO转接之后，有了事件，server才去处理，这里反应堆也是这样，由于网络环境复杂，服务器处理数据之后，可能并不能直接写回去，比如遇到网络繁忙或者对方缓冲区已经满了这种情况，就不能直接写回给客户端。反应堆就是在处理数据之后，监听写事件，能写回客户端了，才去做写回操作。写回之后，在改回监听读事件，以此循环 

源码实现：

/**epoll基于非阻塞I/O事件驱动*/
#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>#define MAX_EVENTS  1024                                    //监听上限数
#define BUFLEN 4096
#define SERV_PORT   8080void recvdata(int fd, int events, void *arg);
void senddata(int fd, int events, void *arg);/* 描述就绪文件描述符相关信息 */struct myevent_s {int fd;                                                 //要监听的文件描述符int events;                                             //对应的监听事件void *arg;                                              //泛型参数void (*call_back)(int fd, int events, void *arg);       //回调函数int status;                                             //是否在监听:1->在红黑树上(监听), 0->不在(不监听)char buf[BUFLEN];int len;long last_active;                                       //记录每次加入红黑树 g_efd 的时间值
};int g_efd;                                                  //全局变量, 保存epoll_create返回的文件描述符
struct myevent_s g_events[MAX_EVENTS+1];                    //自定义结构体类型数组. +1-->listen fd/*将结构体 myevent_s 成员变量 初始化*/void eventset(struct myevent_s *ev, int fd, void (*call_back)(int, int, void *), void *arg)
{ev->fd = fd;ev->call_back = call_back;ev->events = 0;ev->arg = arg;ev->status = 0;memset(ev->buf, 0, sizeof(ev->buf));ev->len = 0;ev->last_active = time(NULL);                       //调用eventset函数的时间return;
}/* 向 epoll监听的红黑树 添加一个 文件描述符 *///eventadd(efd, EPOLLIN, &g_events[MAX_EVENTS]);
void eventadd(int efd, int events, struct myevent_s *ev)
{struct epoll_event epv = {0, {0}};int op;epv.data.ptr = ev;epv.events = ev->events = events;       //EPOLLIN 或 EPOLLOUTif (ev->status == 0) {                                          //已经在红黑树 g_efd 里op = EPOLL_CTL_ADD;                 //将其加入红黑树 g_efd, 并将status置1ev->status = 1;}if (epoll_ctl(efd, op, ev->fd, &epv) < 0)                       //实际添加/修改printf("event add failed [fd=%d], events[%d]\n", ev->fd, events);elseprintf("event add OK [fd=%d], op=%d, events[%0X]\n", ev->fd, op, events);return ;
}/* 从epoll 监听的 红黑树中删除一个 文件描述符*/void eventdel(int efd, struct myevent_s *ev)
{struct epoll_event epv = {0, {0}};if (ev->status != 1)                                        //不在红黑树上return ;//epv.data.ptr = ev;epv.data.ptr = NULL;ev->status = 0;                                             //修改状态epoll_ctl(efd, EPOLL_CTL_DEL, ev->fd, &epv);                //从红黑树 efd 上将 ev->fd 摘除return ;
}/*  当有文件描述符就绪, epoll返回, 调用该函数 与客户端建立链接 */void acceptconn(int lfd, int events, void *arg)
{struct sockaddr_in cin;socklen_t len = sizeof(cin);int cfd, i;if ((cfd = accept(lfd, (struct sockaddr *)&cin, &len)) == -1) {if (errno != EAGAIN && errno != EINTR) {/* 暂时不做出错处理 */}printf("%s: accept, %s\n", __func__, strerror(errno));return ;}do {for (i = 0; i < MAX_EVENTS; i++)                                //从全局数组g_events中找一个空闲元素if (g_events[i].status == 0)                                //类似于select中找值为-1的元素break;                                                  //跳出 forif (i == MAX_EVENTS) {printf("%s: max connect limit[%d]\n", __func__, MAX_EVENTS);break;                                                      //跳出do while(0) 不执行后续代码}int flag = 0;if ((flag = fcntl(cfd, F_SETFL, O_NONBLOCK)) < 0) {             //将cfd也设置为非阻塞printf("%s: fcntl nonblocking failed, %s\n", __func__, strerror(errno));break;}/* 给cfd设置一个 myevent_s 结构体, 回调函数 设置为 recvdata */eventset(&g_events[i], cfd, recvdata, &g_events[i]);   eventadd(g_efd, EPOLLIN, &g_events[i]);                         //将cfd添加到红黑树g_efd中,监听读事件} while(0);printf("new connect [%s:%d][time:%ld], pos[%d]\n", inet_ntoa(cin.sin_addr), ntohs(cin.sin_port), g_events[i].last_active, i);return ;
}void recvdata(int fd, int events, void *arg)
{struct myevent_s *ev = (struct myevent_s *)arg;int len;len = recv(fd, ev->buf, sizeof(ev->buf), 0);            //读文件描述符, 数据存入myevent_s成员buf中eventdel(g_efd, ev);        //将该节点从红黑树上摘除if (len > 0) {ev->len = len;ev->buf[len] = '\0';                                //手动添加字符串结束标记printf("C[%d]:%s\n", fd, ev->buf);eventset(ev, fd, senddata, ev);                     //设置该 fd 对应的回调函数为 senddataeventadd(g_efd, EPOLLOUT, ev);                      //将fd加入红黑树g_efd中,监听其写事件} else if (len == 0) {close(ev->fd);/* ev-g_events 地址相减得到偏移元素位置 */printf("[fd=%d] pos[%ld], closed\n", fd, ev-g_events);} else {close(ev->fd);printf("recv[fd=%d] error[%d]:%s\n", fd, errno, strerror(errno));}return;
}void senddata(int fd, int events, void *arg)
{struct myevent_s *ev = (struct myevent_s *)arg;int len;len = send(fd, ev->buf, ev->len, 0);                    //直接将数据 回写给客户端。未作处理eventdel(g_efd, ev);                                //从红黑树g_efd中移除if (len > 0) {printf("send[fd=%d], [%d]%s\n", fd, len, ev->buf);eventset(ev, fd, recvdata, ev);                     //将该fd的 回调函数改为 recvdataeventadd(g_efd, EPOLLIN, ev);                       //从新添加到红黑树上， 设为监听读事件} else {close(ev->fd);                                      //关闭链接printf("send[fd=%d] error %s\n", fd, strerror(errno));}return ;
}/*创建 socket, 初始化lfd */void initlistensocket(int efd, short port)
{struct sockaddr_in sin;int lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);fcntl(lfd, F_SETFL, O_NONBLOCK);                                            //将socket设为非阻塞memset(&sin, 0, sizeof(sin));                                               //bzero(&sin, sizeof(sin))sin.sin_family = AF_INET;sin.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;sin.sin_port = htons(port);bind(lfd, (struct sockaddr *)&sin, sizeof(sin));listen(lfd, 20);/* void eventset(struct myevent_s *ev, int fd, void (*call_back)(int, int, void *), void *arg);  */eventset(&g_events[MAX_EVENTS], lfd, acceptconn, &g_events[MAX_EVENTS]);/* void eventadd(int efd, int events, struct myevent_s *ev) */eventadd(efd, EPOLLIN, &g_events[MAX_EVENTS]);return ;
}int main(int argc, char *argv[])
{unsigned short port = SERV_PORT;if (argc == 2)port = atoi(argv[1]);                           //使用用户指定端口.如未指定,用默认端口g_efd = epoll_create(MAX_EVENTS+1);                 //创建红黑树,返回给全局 g_efd if (g_efd <= 0)printf("create efd in %s err %s\n", __func__, strerror(errno));initlistensocket(g_efd, port);                      //初始化监听socketstruct epoll_event events[MAX_EVENTS+1];            //保存已经满足就绪事件的文件描述符数组 printf("server running:port[%d]\n", port);int checkpos = 0, i;while (1) {/* 超时验证，每次测试100个链接，不测试listenfd 当客户端60秒内没有和服务器通信，则关闭此客户端链接 */long now = time(NULL);                          //当前时间for (i = 0; i < 100; i++, checkpos++) {         //一次循环检测100个。 使用checkpos控制检测对象if (checkpos == MAX_EVENTS)checkpos = 0;if (g_events[checkpos].status != 1)         //不在红黑树 g_efd 上continue;long duration = now - g_events[checkpos].last_active;       //客户端不活跃的世间if (duration >= 60) {close(g_events[checkpos].fd);                           //关闭与该客户端链接printf("[fd=%d] timeout\n", g_events[checkpos].fd);eventdel(g_efd, &g_events[checkpos]);                   //将该客户端 从红黑树 g_efd移除}}/*监听红黑树g_efd, 将满足的事件的文件描述符加至events数组中, 1秒没有事件满足, 返回 0*/int nfd = epoll_wait(g_efd, events, MAX_EVENTS+1, 1000);if (nfd < 0) {printf("epoll_wait error, exit\n");break;}for (i = 0; i < nfd; i++) {/*使用自定义结构体myevent_s类型指针, 接收 联合体data的void *ptr成员*/struct myevent_s *ev = (struct myevent_s *)events[i].data.ptr;  if ((events[i].events & EPOLLIN) && (ev->events & EPOLLIN)) {           //读就绪事件ev->call_back(ev->fd, events[i].events, ev->arg);//lfd  EPOLLIN  }if ((events[i].events & EPOLLOUT) && (ev->events & EPOLLOUT)) {         //写就绪事件ev->call_back(ev->fd, events[i].events, ev->arg);}}}/* 退出前释放所有资源 */return 0;
}

要求：能看懂epoll反应堆模型实现源码即可

这篇关于Linux网络编程---多路I/O转接服务器(二)的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！


http://www.chinasem.cn/article/940351。

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