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30 天自制 C++ 服务器--Day3

news 2025/7/18 8:26:33

高并发还得用epoll

在上一天，我们写了一个简单的echo服务器，但只能同时处理一个客户端的连接。但在这个连接的生命周期中，绝大部分时间都是空闲的，活跃时间（发送数据和接收数据的时间）占比极少，这样独占一个服务器是严重的资源浪费。事实上所有的服务器都是高并发的，可以同时为成千上万个客户端提供服务，这一技术又被称为IO复用。

IO复用和多线程有相似之处，但绝不是一个概念。IO复用是针对IO接口，而多线程是针对CPU。

IO复用的基本思想是事件驱动，服务器同时保持多个客户端IO连接，当这个IO上有可读或可写事件发生时，表示这个IO对应的客户端在请求服务器的某项服务，此时服务器响应该服务。在Linux系统中，IO复用使用select, poll和epoll来实现。epoll改进了前两者，更加高效、性能更好，是目前几乎所有高并发服务器的基石。请读者务必先掌握epoll的原理再进行编码开发。

epoll原理

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总结：

epoll 的核心原理在于改变事件通知模型：它通过在内核使用红黑树高效管理注册的文件描述符，利用回调函数在事件发生时直接将就绪项放入链表，并通过 epoll_wait 仅返回实际就绪的事件列表，辅以 mmap 减少数据拷贝。这种设计彻底解决了 select/poll 在处理大量文件描述符时存在的性能瓶颈（每次调用传递完整集合、线性扫描开销大），使其成为构建现代高性能 Linux 网络服务器（如 Nginx, Redis, Memcached）不可或缺的基础设施。其高效的根源在于将时间复杂度从 O(N) 降低到了 O(1)（或 O(就绪事件数)）。

epoll使用

epoll主要由三个系统调用组成：

//int epfd = epoll_create(1024);  //参数表示监听事件的大小，如超过内核会自动调整，已经被舍弃，无实际意义，传入一个大于0的数即可
int epfd = epoll_create1(0);       //参数是一个flag，一般设为0，详细参考man epoll

创建一个epoll文件描述符并返回，失败则返回-1。

epoll监听事件的描述符会放在一颗红黑树上，我们将要监听的IO口放入epoll红黑树中，就可以监听该IO上的事件。

epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, sockfd, &ev);    //添加事件到epoll
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_MOD, sockfd, &ev);    //修改epoll红黑树上的事件
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, sockfd, NULL);   //删除事件

其中sockfd表示我们要添加的IO文件描述符，ev是一个epoll_event结构体，其中的events表示事件，如EPOLLIN等，data是一个用户数据union:

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;

epoll默认采用LT触发模式，即水平触发，只要fd上有事件，就会一直通知内核。这样可以保证所有事件都得到处理、不容易丢失，但可能发生的大量重复通知也会影响epoll的性能。如使用ET模式，即边缘触法，fd从无事件到有事件的变化会通知内核一次，之后就不会再次通知内核。这种方式十分高效，可以大大提高支持的并发度，但程序逻辑必须一次性很好地处理该fd上的事件，编程比LT更繁琐。注意ET模式必须搭配非阻塞式socket使用。

非阻塞式socket和阻塞式

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示例代码：

// 阻塞式服务端伪代码
int client = accept(server_sock); // 阻塞直到新连接
recv(client, buf); // 阻塞直到收到数据
send(client, response); // 阻塞直到发送完成

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设置方法：

// 设置非阻塞模式
int flags = fcntl(sockfd, F_GETFL, 0);
fcntl(sockfd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);

典型工作流：

epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, sockfd, EPOLLIN); // 注册读事件while (1) {int n = epoll_wait(epfd, events, MAX_EVENTS, -1);for (每个就绪事件) {if (事件 & EPOLLIN) {while ((len = recv(fd, buf)) > 0) {// 处理数据}if (len == -1 && errno == EAGAIN) break; // 数据读完}if (事件 & EPOLLOUT) {// 处理可写事件}}
}

关键差异对比：
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边缘触发 (ET) 与水平触发 (LT)
当使用非阻塞 Socket + epoll 时，触发模式的选择至关重要：

ET 模式最佳实践：

// 边缘触发必须循环读取直到 EAGAIN
while (true) {ssize_t count = read(fd, buf, sizeof(buf));if (count == -1) {if (errno == EAGAIN) break; // 数据已读完// 处理真实错误}if (count == 0) { /* 连接关闭 */ }// 处理数据
}

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