linux-高级IO（中）
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前言
多路转接之poll
多路转接之epoll
epoll_create
epoll_wait
epoll_ctl
epoll原理
代码
epoll的两种模式
前言
由于select缺点比较多，而且操作更为复杂，因此，我们引入了poll ， Poll解决了select等待的文件描述符有上限的问题和其为输入输出型参数比较多，每次都要对关心的文件描述符进行事件重置问题
多路转接之poll
int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);参数说明
fds是一个poll函数监听的结构列表. 每一个元素中, 包含了三部分内容: 文件描述符, 监听的事件集合, 返回的事件集合.
struct pollfd {int fd; /* file descriptor */short events; /* requested events */short revents; /* returned events */
};events和revents的取值:
nfds表示fds数组的长度.
timeout表示poll函数的超时时间, 单位是毫秒(ms).
poll的优点
fdset的方式，poll使用一个pollfd不同与 的指针实现 select.使用三个位图来表示三个pollfd结构包含了要监视的event和发生的event，不再使用select“参数-值”传递的方式. 接口使用比select更方便。poll并没有最大数量限制 (但是数量过大后性能也是会下降).
poll的缺点
poll中监听的文件描述符数目增多时和select函数一样，poll返回后，需要轮询pollfd来获取就绪的描述符.
每次调用poll都需要把大量的pollfd结构从用户态拷贝到内核中.
同时连接的大量客户端在一时刻可能只有很少的处于就绪状态, 因此随着监视的描述符数量的增长, 其效率也会线性下降.
代码实现pollserver
#pragma once#include <iostream>
#include <poll.h>
#include <sys/time.h>
#include "Socket.hpp"using namespace std;static const uint16_t defaultport = 8888;
static const int fd_num_max = 64;
int defaultfd = -1;
int non_event = 0;class PollServer
{
public:PollServer(uint16_t port = defaultport) : _port(port){for (int i = 0; i < fd_num_max; i++){_event_fds[i].fd = defaultfd;_event_fds[i].events = non_event;_event_fds[i].revents = non_event;// std::cout << "fd_array[" << i << "]" << " : " << fd_array[i] << std::endl;}}bool Init(){_listensock.Socket();_listensock.Bind(_port);_listensock.Listen();return true;}void Accepter(){// 我们的连接事件就绪了std::string clientip;uint16_t clientport = 0;int sock = _listensock.Accept(&clientip, &clientport); // 会不会阻塞在这里？不会if (sock < 0) return;lg(Info, "accept success, %s: %d, sock fd: %d", clientip.c_str(), clientport, sock);// sock -> fd_array[]int pos = 1;for (; pos < fd_num_max; pos++) // 第二个循环{if (_event_fds[pos].fd != defaultfd)continue;elsebreak;}if (pos == fd_num_max){lg(Warning, "server is full, close %d now!", sock);close(sock);// 扩容}else{// fd_array[pos] = sock;_event_fds[pos].fd = sock;_event_fds[pos].events = POLLIN;_event_fds[pos].revents = non_event;PrintFd();// TODO}}void Recver(int fd, int pos){// demochar buffer[1024];ssize_t n = read(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1); // bug?if (n > 0){buffer[n] = 0;cout << "get a messge: " << buffer << endl;}else if (n == 0){lg(Info, "client quit, me too, close fd is : %d", fd);close(fd);_event_fds[pos].fd = defaultfd; // 这里本质是从select中移除}else{lg(Warning, "recv error: fd is : %d", fd);close(fd);_event_fds[pos].fd = defaultfd; // 这里本质是从select中移除}}void Dispatcher(){for (int i = 0; i < fd_num_max; i++) // 这是第三个循环{int fd = _event_fds[i].fd;if (fd == defaultfd)continue;if (_event_fds[i].revents & POLLIN){if (fd == _listensock.Fd()){Accepter(); // 连接管理器}else // non listenfd{Recver(fd, i);}}}}void Start(){_event_fds[0].fd = _listensock.Fd();_event_fds[0].events = POLLIN;int timeout = 3000; // 3sfor (;;){int n = poll(_event_fds, fd_num_max, timeout);switch (n){case 0:cout << "time out... " << endl;break;case -1:cerr << "poll error" << endl;break;default:// 有事件就绪了，TODOcout << "get a new link!!!!!" << endl;Dispatcher(); // 就绪的事件和fd你怎么知道只有一个呢？？？break;}}}void PrintFd(){cout << "online fd list: ";for (int i = 0; i < fd_num_max; i++){if (_event_fds[i].fd == defaultfd)continue;cout << _event_fds[i].fd << " ";}cout << endl;}~PollServer(){_listensock.Close();}private:Sock _listensock;uint16_t _port;struct pollfd _event_fds[fd_num_max]; // 数组, 用户维护的！// struct pollfd *_event_fds;// int fd_array[fd_num_max];// int wfd_array[fd_num_max];
};多路转接之epoll
epoll_create
：创建epoll模型
size已经废弃，值只要填写的大于0就行，返回值也是一个文件描述符。
epoll_wait
epoll_wait 是 Linux 中 epoll 机制的核心函数之一，用于等待 epoll 实例监控的文件描述符上发生的事件，是实现 I/O 多路复用的关键步骤。
基本语法
参数说明
- epfd ： epoll 实例的文件描述符（由 epoll_create 或 epoll_create1 创建）。
- events ：指向 struct epoll_event 数组的指针，用于存储发生的事件信息。
参数类型epoll_event：
它的第1个参数会以位图的形式传递标记位。
- maxevents ：指定 events 数组的最大容量，必须大于 0。
- timeout ：超时时间（毫秒），有三种取值：
- 0 ：立即返回，无论是否有事件发生。
- 正数：等待指定毫秒数，若超时前有事件发生则立即返回。
- -1 ：无限期等待，直到有事件发生才返回。
返回值
- 成功：返回发生事件的文件描述符数量（大于 0）。
- 超时：返回 0 （当 timeout 为正数或 0 时）。
- 失败：返回 -1 ，并设置 errno 指示错误（如 EBADF 表示 epfd 无效）。
作用
epoll_wait 会阻塞等待 epoll 实例中监控的文件描述符发生事件（如可读、可写等），当事件发生或超时后，将事件信息存入 events 数组并返回，从而高效处理多个 I/O 操作，避免传统 select/poll 的性能瓶颈。
新增，修改，删除一个文件描述符事件。
epoll_ctl
epoll_ctl 是 Linux 系统中 epoll 机制的核心函数之一，用于控制 epoll 实例中的事件，比如添加、修改或删除需要监听的文件描述符及其关联事件。
基本语法
参数说明
- epfd ： epoll 实例的文件描述符，由 epoll_create 或 epoll_create1 创建。
- op ：操作类型，有三种可选值：
- fd ：需要操作的文件描述符（如套接字、管道等）。
- event ：文件描述符上的哪一个事件。
struct epoll_event 结构体
- events ：常用事件类型包括：
- EPOLLIN ：表示文件描述符可读（如收到数据）。
- EPOLLOUT ：表示文件描述符可写（如缓冲区有空间）。
- EPOLLERR ：表示文件描述符发生错误。
- EPOLLHUP ：表示文件描述符被挂断（如连接关闭）。
- EPOLLET ：边缘触发模式（默认是水平触发）。
返回值
- 成功时返回 0 。
- 失败时返回 -1 ，并设置 errno 指示错误原因（如 EBADF 表示 epfd 或 fd 无效， EEXIST 表示添加已存在的 fd 等）。
作用
epoll_ctl 是 epoll 机制中管理监听对象的关键函数，通过它可以动态维护需要监控的文件描述符列表，配合 epoll_wait 实现高效的 I/O 多路复用。
epoll原理
polk and select都借用了类似辅助数组一样的存储形式，他们都是由用户维护，而epoll确实由操作系统维护的。
当网卡数据准备就绪的时候，网卡会向上层发送硬件中断信号给操作系统。上层接收到硬件中断信号以后，会进行比对来检测这个硬件中断信号的含义。进而发现网卡上数据已经完备
当网卡驱动层得知网卡内有数据就绪，它会自动调用一个回调函数calback
回调函数会将该数据向上层传递，因为不同层级间数据的传输并不是通过拷贝而来，而是通过指针的指向来获取，因此它需要把数据传输给tcp的接收队列。进而将数据传输给用户层的接收缓冲区,同时，他还需要在红黑树中查找对应的文件描述符，有没有被需要关注的任务任务选项，假设回调函数回调的时候传输的就是一个文件描述符为3，写事件，而红黑树中，
3号文件描述符写事件被关注，那么他就需要把内部文件构造成一个新的节点，插入到就绪队列
之后用户就只需要从就绪队列中获取就绪节点即可。上述过程共同组成了epoll模型
该模型的返回值是一个文件描述符，而我们之前所讲文件描述符由struct file进行管理。
而我们刚刚所讲的三个调用接口与epoll模型的关系如下：
代码
包装epoll
#pragma onceclass nocopy
{
public:nocopy(){}nocopy(const nocopy &) = delete;const nocopy&operator=(const nocopy &) = delete;
};#pragma once#include "nocopy.hpp"
#include "Log.hpp"
#include <cerrno>
#include <cstring>
#include <sys/epoll.h>class Epoller : public nocopy
{static const int size = 128;public:Epoller(){_epfd = epoll_create(size);if (_epfd == -1){lg(Error, "epoll_create error: %s", strerror(errno));}else{lg(Info, "epoll_create success: %d", _epfd);}}int EpollerWait(struct epoll_event revents[], int num){int n = epoll_wait(_epfd, revents, num, /*_timeout 0*/ -1);return n;}int EpllerUpdate(int oper, int sock, uint32_t event){int n = 0;if (oper == EPOLL_CTL_DEL){n = epoll_ctl(_epfd, oper, sock, nullptr);if (n != 0){lg(Error, "epoll_ctl delete error!");}}else{// EPOLL_CTL_MOD || EPOLL_CTL_ADDstruct epoll_event ev;ev.events = event;ev.data.fd = sock; // 目前，方便我们后期得知，是哪一个fd就绪了！n = epoll_ctl(_epfd, oper, sock, &ev);if (n != 0){lg(Error, "epoll_ctl error!");}}return n;}~Epoller(){if (_epfd >= 0)close(_epfd);}private:int _epfd;int _timeout{3000};
};
epollserver的构建
#pragma once#include <iostream>
#include <memory>
#include <sys/epoll.h>
#include "Socket.hpp"
#include "Epoller.hpp"
#include "Log.hpp"
#include "nocopy.hpp"uint32_t EVENT_IN = (EPOLLIN);
uint32_t EVENT_OUT = (EPOLLOUT);class EpollServer : public nocopy
{static const int num = 64;public:EpollServer(uint16_t port): _port(port),_listsocket_ptr(new Sock()),_epoller_ptr(new Epoller()){}void Init(){_listsocket_ptr->Socket();_listsocket_ptr->Bind(_port);_listsocket_ptr->Listen();lg(Info, "create listen socket success: %d\n", _listsocket_ptr->Fd());}void Accepter(){// 获取了一个新连接std::string clientip;uint16_t clientport;int sock = _listsocket_ptr->Accept(&clientip, &clientport);if (sock > 0){// 我们能直接读取吗？不能_epoller_ptr->EpllerUpdate(EPOLL_CTL_ADD, sock, EVENT_IN);lg(Info, "get a new link, client info@ %s:%d", clientip.c_str(), clientport);}}// for testvoid Recver(int fd){// demochar buffer[1024];ssize_t n = read(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1); // bug?if (n > 0){buffer[n] = 0;std::cout << "get a messge: " << buffer << std::endl;// wrirtestd::string echo_str = "server echo $ ";echo_str += buffer;write(fd, echo_str.c_str(), echo_str.size());}else if (n == 0){lg(Info, "client quit, me too, close fd is : %d", fd);//细节3_epoller_ptr->EpllerUpdate(EPOLL_CTL_DEL, fd, 0);close(fd);}else{lg(Warning, "recv error: fd is : %d", fd);_epoller_ptr->EpllerUpdate(EPOLL_CTL_DEL, fd, 0);close(fd);}}void Dispatcher(struct epoll_event revs[], int num){for (int i = 0; i < num; i++){uint32_t events = revs[i].events;int fd = revs[i].data.fd;if (events & EVENT_IN){if (fd == _listsocket_ptr->Fd()){Accepter();}else{// 其他fd上面的普通读取事件就绪Recver(fd);}}else if (events & EVENT_OUT){}else{}}}void Start(){// 将listensock添加到epoll中 -> listensock和他关心的事件，添加到内核epoll模型中rb_tree._epoller_ptr->EpllerUpdate(EPOLL_CTL_ADD, _listsocket_ptr->Fd(), EVENT_IN);struct epoll_event revs[num];for (;;){int n = _epoller_ptr->EpollerWait(revs, num);if (n > 0){// 有事件就绪lg(Debug, "event happened, fd is : %d", revs[0].data.fd);Dispatcher(revs, n);}else if (n == 0){lg(Info, "time out ...");}else{lg(Error, "epll wait error");}}}~EpollServer(){_listsocket_ptr->Close();}private:std::shared_ptr<Sock> _listsocket_ptr;std::shared_ptr<Epoller> _epoller_ptr;uint16_t _port;
};epoll的两种模式
LT:水平触发，它是epoll的默认模式，在事件到来时如果上层不处理，它会高电平的一直向上层传输信号.
ET:边缘触发，该模式是数据或链接从无到有，从有到多变化的时候才会通知我们一次，相对而言，该模式的通知效率更高，其io效率也更高。
ET模式是倒逼程序员，每一次通知，他都必须把本轮的数据全部取走，读取数据的方式是循环读取，直到这个读取出错为止，但是因为fd的读取方式默认是阻塞的，我们不能通过阻塞的方式进行读取，但我们并不知道内部是否已经有数据 ,因此不然的话我们进程就会阻塞的卡住了，因此。我们要以非阻塞轮询的方式进行数据读取。
正因为ET模式是一次性将数据读取完，tcp便可以向对方通过一个更大的窗口，从而从概率上让对方一次给我发送更多的数据。因为通知频率更少，因而单位时间内通知效率更高，同时数据传输量的增大，为io效率的更高也奠定了基础，因此相对而言，它是更优的，但是因为水平触发也可以一次性的对数据进行读取完毕。因此在不同场景下，二者谁效率更高效依托于不同的设计方式。