c++ 网络编程（八） LINUX-epoll/windows-IOCP下 socket opoll函数用法优于select方法的epoll 以及windows下IOCP 解决多进程服务端创建进程资源浪费问题

2022-12-05 09:29:10

原文作者：aircraft

原文链接：https://www.cnblogs.com/DOMLX/p/9622548.html

锲子：关于并发服务器中的I/O复用实现方式，前面在网络编程系列四还是五来着？？？？我们讲过select的方式，但select的性能比较低，当连接数量超过几百个的时候就很慢了，并不适合以Web服务器端开发为主流的现代开发环境。因此就有了Linux下的epoll，BSD的kqueue，Solaris的/dev/poll和Windows的IOCP等复用技术。本章就来讲讲Linux下的epoll技术和Windows下的IOCP模型。

一：IOCP和Epoll之间的异同。
异：
1：IOCP是WINDOWS系统下使用。Epoll是Linux系统下使用。
2：IOCP是IO操作完毕之后，通过Get函数获得一个完成的事件通知。
Epoll是当你希望进行一个IO操作时，向Epoll查询是否可读或者可写，若处于可读或可写状态后，Epoll会通过epoll_wait进行通知。
3：IOCP封装了异步的消息事件的通知机制，同时封装了部分IO操作。但Epoll仅仅封装了一个异步事件的通知机制，并不负责IO读写操作。Epoll保持了事件通知和IO操作间的独立性，更加简单灵活。
4：基于上面的描述，我们可以知道Epoll不负责IO操作，所以它只告诉你当前可读可写了，并且将协议读写缓冲填充，由用户去读写控制，此时我们可以做出额外的许多操作。IOCP则直接将IO通道里的读写操作都做完了才通知用户，当IO通道里发生了堵塞等状况我们是无法控制的。

同：
1：它们都是异步的事件驱动的网络模型。
2：它们都可以向底层进行指针数据传递，当返回事件时，除可通知事件类型外，还可以通知事件相关数据。

二：Epoll理解与应用。

1、epoll是什么？

epoll是当前在Linux下开发大规模并发网络程序的热门人选，epoll 在Linux2.6内核中正式引入，和select相似，都是I/O多路复用(IO multiplexing)技术。

Linux下设计并发网络程序，常用的模型有：

Apache模型（Process Per Connection，简称PPC）

TPC（Thread PerConnection）模型

select模型和poll模型。

epoll模型

2、epoll与select对比优化：

基于select的I/O复用技术速度慢的原因：
1，调用select函数后常见的针对所有文件描述符的循环语句。它每次事件发生需要遍历所有文件描述符，找出发生变化的文件描述符。(以前写的示例没加循环)

2，每次调用select函数时都需要向该函数传递监视对象信息。即每次调用select函数时向操作系统传递监视对象信息，至于为什么要传？是因为我们监视的套接字变化的函数，而套接字是操作系统管理的。(这个才是最耗效率的)

注释：基于这样的原因并不是说select就没用了，在这样的情况下就适合选用select：1，服务端接入者少 2，程序应具有兼容性。
epoll是怎么优化select问题的：
1，每次发生事件它不需要循环遍历所有文件描述符，它把发生变化的文件描述符单独集中到了一起。

2，仅向操作系统传递1次监视对象信息，监视范围或内容发生变化时只通知发生变化的事项。
实现epoll时必要的函数和结构体

函数：
epoll_create：创建保存epoll文件描述符的空间，该函数也会返回文件描述符，所以终止时，也要调用close函数。(创建内存空间)

epoll_ctl：向空间注册，添加或修改文件描述符。(注册监听事件)

epoll_wait：与select函数类似，等待文件描述符发生变化。(监听事件回调)

结构体：
struct epoll_event
{
__uint32_t events;
epoll_data_t data;
}

typedef union epoll_data
{
void *ptr;
int fd;
__uinit32_t u32;
__uint64_t u64;
} epoll_data_t;

epoll的几个函数的介绍：

1、epoll_create函数：

/**

 * @brief    该函数生成一个epoll专用的文件描述符。它其实是在内核申请一空间，用来存放你想关注的socket fd上是否发生以及发生了什么事件。

 *

 * @param    size    size就是你在这个epoll fd上能关注的最大socket fd数

 *

 * @return   生成的文件描述符

 */

int epoll_create(int size);

2、epoll_ctl函数：

/**

 * @brief    该函数用于控制某个epoll文件描述符上的事件，可以注册事件，修改事件，删除事件。

 *

 * @param    epfd    由 epoll_create 生成的epoll专用的文件描述符

 * @param    op      要进行的操作例如注册事件，可能的取值EPOLL_CTL_ADD 注册、EPOLL_CTL_MOD 修 改、EPOLL_CTL_DEL 删除

 * @param    fd      关联的文件描述符

 * @param    event   指向epoll_event的指针

 *

 * @return   0       succ

 *           -1      fail

 */

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

其中用到的数据结构结构如下：
op值：
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；

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 */
};

常用的事件类型:
EPOLLIN ：表示对应的文件描述符可以读；
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
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：表示对应的文件描述符有事件发生；

例：

    <code class="language-cpp">struct epoll_event ev;

    //设置与要处理的事件相关的文件描述符

    ev.data.fd=listenfd;

    //设置要处理的事件类型

    ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;

    //注册epoll事件

    epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,listenfd,&ev); </code>

3、epoll_wait函数：

/**

 * @brief    该函数用于轮询I/O事件的发生

 *

 * @param    epfd        由epoll_create 生成的epoll专用的文件描述符

 * @param    events      用于回传代处理事件的数组

 * @param    maxevents   每次能处理的事件数

 * @param    timeout     等待I/O事件发生的超时值；-1相当于阻塞，0相当于非阻塞。一般用-1即可

 *

 * @return   >=0         返回发生事件数

 *           -1          错误

 */

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

用改良的epoll实现回声服务端代码：

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <string.h>

#include <unistd.h>

#include <arpa/inet.h>

#include <sys/socket.h>

#include <sys/epoll.h>

#define BUF_SIZE 100

#define EPOLL_SIZE 50

void error_handling(char *buf);

int main(int argc, const char * argv[]) {

    int serv_sock, clnt_sock;

    struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;

    socklen_t adr_sz;

    int str_len, i;

    char buf[BUF_SIZE];

    //类似select的fd_set变量查看监视对象的状态变化，epoll_event结构体将发生变化的文件描述符单独集中到一起

    struct epoll_event *ep_events;

    struct epoll_event event;

    int epfd, event_cnt;

    if(argc != )

    {

        printf("Usage: %s <port> \n", argv[]);

        exit();

    }

    serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, );

    if(serv_sock == -)

        error_handling("socket() error");

    memset(&serv_adr, , sizeof(serv_adr));

    serv_adr.sin_family = AF_INET;

    serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

    serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[]));

    if(bind(serv_sock, (struct sockaddr *) &serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -)

        error_handling("bind() error");

    if(listen(serv_sock, ) == -)

        error_handling("listen() error");

    //创建文件描述符的保存空间称为“epoll例程”

    epfd = epoll_create(EPOLL_SIZE);

    ep_events = malloc(sizeof(struct epoll_event) *EPOLL_SIZE);

    //添加读取事件的监视(注册事件)

    event.events = EPOLLIN;  //读取数据事件

    event.data.fd = serv_sock;

    epoll_ctl(epdf, EPOLL_CTL_ADD, serv_sock, &event);

    while ()

    {

        //响应事件，返回发生事件的文件描述符数

        event_cnt = epoll_wait(epfd, ep_events, EPOLL_SIZE, -);  //传-1时，一直等待直到事件发生

        if(event_cnt == -)

        {

            puts("epoll_wait() error");

            break;

        }

        //服务端套接字和客服端套接字

        for (i = ; i < event_cnt; i++) {

            if(ep_events[i].data.fd == serv_sock)//服务端与客服端建立连接

            {

                adr_sz = sizeof(clnt_adr);

                clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr *)&clnt_adr, &adr_sz);

                event.events = EPOLLIN;

                event.data.fd = clnt_sock;

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

                printf("connected client: %d \n", clnt_sock);

            }

            else  //连接之后传递数据

            {

                str_len = read(ep_events[i].data.fd, buf, BUF_SIZE);

                if(str_len == )

                {

                    //删除事件

                    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, ep_events[i].data.fd, NULL);

                    close(ep_events[i].data.fd);

                    printf("closed client: %d \n", ep_events[i].data.fd);

                }

                else

                {

                    write(ep_events[i].data.fd, buf, str_len);

                }

            }

        }

    }

    close(serv_sock);

    close(epfd);

    return ;

}

void error_handling(char *message)

{

    fputs(message, stderr);

    fputc('\n', stderr);

    exit();

}

epoll客户端代码：

#define _GNU_SOURCE

#include "sysutil.h"

#include "buffer.h"

#include <sys/epoll.h>

int main(int argc, char const *argv[])

{

    //创建client套接字

    int sockfd = tcp_client();

    //调用非阻塞connect函数

    int ret = nonblocking_connect(sockfd, "localhost", , );

    if(ret == -)

    {

        perror("Connect Timeout .");

        exit(EXIT_FAILURE);

    }

    //将三个fd设置为Non-Blocking

    activate_nonblock(sockfd);

    activate_nonblock(STDIN_FILENO);

    activate_nonblock(STDOUT_FILENO);

    buffer_t recvbuf; //sockfd -> Buffer -> stdout

    buffer_t sendbuf; //stdin -> Buffer -> sockfd

    //初始化缓冲区

    buffer_init(&recvbuf);

    buffer_init(&sendbuf);

    //创建epoll

    int epollfd = epoll_create1();

    if(epollfd == -)

        ERR_EXIT("create epoll");

    struct epoll_event events[];

    uint32_t sockfd_event = ;

    uint32_t stdin_event = ;

    uint32_t stdout_event = ;

    epoll_add_fd(epollfd, sockfd, sockfd_event);

    epoll_add_fd(epollfd, STDIN_FILENO, stdin_event);

    epoll_add_fd(epollfd, STDOUT_FILENO, stdout_event);

    while()

    {

        //重新装填epoll事件

        sockfd_event = ;

        stdin_event = ;

        stdout_event = ;

        //epoll无法每次都重新装填，所以给每个fd添加一个空事件

        if(buffer_is_readable(&sendbuf))

        {

            sockfd_event |= kWriteEvent;

        }

        if(buffer_is_writeable(&sendbuf))

        {

            stdin_event |= kReadEvent;

        }

        if(buffer_is_readable(&recvbuf))

        {

            stdout_event |= kWriteEvent;

        }

        if(buffer_is_writeable(&recvbuf))

        {

            sockfd_event |= kReadEvent;

        }

        epoll_mod_fd(epollfd, sockfd, sockfd_event);

        epoll_mod_fd(epollfd, STDIN_FILENO, stdin_event);

        epoll_mod_fd(epollfd, STDOUT_FILENO, stdout_event);

        //监听fd数组

        int nready = epoll_wait(epollfd, events, , );

        if(nready == -)

            ERR_EXIT("epoll wait");

        else if(nready == )

        {

            printf("epoll timeout.\n");

            continue;

        }

        else

        {

            int i;

            for(i = ; i < nready; ++i)

            {

                int peerfd = events[i].data.fd;

                int revents = events[i].events;

                if(peerfd == sockfd && revents & kReadREvent)

                {

                    //从sockfd接收数据到recvbuf

                    if(buffer_read(&recvbuf, peerfd) == )

                    {

                        fprintf(stderr, "server close.\n");

                        exit(EXIT_SUCCESS);

                    }

                }

                if(peerfd == sockfd && revents & kWriteREvent)

                {

                    buffer_write(&sendbuf, peerfd); //将sendbuf中的数据写入sockfd

                }

                if(peerfd == STDIN_FILENO && revents & kReadREvent)

                {

                    //从stdin接收数据写入sendbuf

                    if(buffer_read(&sendbuf, peerfd) == )

                    {

                        fprintf(stderr, "exit.\n");

                        exit(EXIT_SUCCESS);

                    }

                }

                if(peerfd == STDOUT_FILENO && revents & kWriteREvent)

                {

                    buffer_write(&recvbuf, peerfd); //将recvbuf中的数据输出至stdout

                }

            }

        }

    }

}

条件触发和边缘触发

什么是条件触发和边缘触发？它们是指事件响应的方式，epoll默认是条件触发的方式。条件触发是指：只要输入缓冲中有数据就会一直通知该事件，循环响应epoll_wait。而边缘触发是指：输入缓冲收到数据时仅注册1次该事件，即使输入缓冲中还留有数据，也不会再进行注册，只响应一次。
边缘触发相对条件触发的优点：可以分离接收数据和处理数据的时间点，从实现模型的角度看，边缘触发更有可能带来高性能。
将上面epoll实例改为边缘触发：
1，首先改写 event.events = EPOLLIN | EPOLLET; （EPOLLIN:读取数据事件 EPOLLET:边缘触发方式）

2，边缘触发只响应一次接收数据事件，所以要一次性全部读取输入缓冲中的数据，那么就需要判断什么时候数据读取完了？Linux声明了一个全局的变量：int errno; (error.h中)，它能记录发生错误时提供额外的信息。这里就可以用它来判断是否读取完数据：

str_len = read(...);

if(str_len < )

{

    if(errno == EAGAIN) //读取输入缓冲中的全部数据的标志

        break;

}

3，边缘触发方式下，以阻塞方式工作的read&write有可能会引起服务端的长时间停顿。所以边缘触发一定要采用非阻塞的套接字数据传输形式。那么怎么将套接字的read,write数据传输形式修改为非阻塞模式呢？

//fd套接字文件描述符，将此套接字数据传输模式修改为非阻塞

void setnonblockingmode(int fd)

{

    int flag = fcntl(fd, F_GETFL,); //得到套接字原来属性

    fcntl(fd, F_SETFL, flag | O_NONBLOCK);//在原有属性基础上设置添加非阻塞模式

}

三.IOCP理解与应用。

扯远点。首先传统服务器的网络IO流程如下：
接到一个客户端连接->创建一个线程负责这个连接的IO操作->持续对新线程进行数据处理->全部数据处理完毕->终止线程。
但是这样的设计代价是：

1：每个连接创建一个线程，将导致过多的线程。
- 2：维护线程所消耗的堆栈内存过大。
  - 3：操作系统创建和销毁线程过大。
    - 4：线程之间切换的上下文代价过大。

此时我们可以考虑使用线程池解决其中3和4的问题。这种传统的服务器网络结构称之为会话模型。
后来我们为防止大量线程的维护，创建了I/O模型，它被希望要求可以:
1：允许一个线程在不同时刻给多个客户端进行服务。
2：允许一个客户端在不同时间被多个线程服务。

这样做的话，我们的线程则会大幅度减少，这就要求以下两点：
1：客户端状态的分离，之前会话模式我们可以通过线程状态得知客户端状态，但现在客户端状态要通过其他方式获取。
2：I/O请求的分离。一个线程不再服务于一个客户端会话，则要求客户端对这个线程提交I/O处理请求。

那么就产生了这样一个模式，分为三部分:

1：会话状态管理模块。它负责接收到一个客户端连接，就创建一个会话状态。
- 2：当会话状态发生改变，例如断掉连接，接收到网络消息，就发送一个I/O请求给 I/O工作模块进行处理。
  - 3：I/O工作模块接收到一个I/O请求后，从线程池里唤醒一个工作线程，让该工作线程处理这个I/O请求，处理完毕后，该工作线程继续挂起。

上面的做法，则将网络连接和I/O工作线程分离为三个部分，相互通讯仅依靠 I/O请求。此时可知有以下一些建议：

1：在进行I/O请求处理的工作线程是被唤醒的工作线程，一个CPU对应一个的话，可以最大化利用CPU。所以活跃线程的个数建议等于硬件CPU个数。
- 2：工作线程我们开始创建了线程池，免除创建和销毁线程的代价。因为线程是对I/O进行操作的，且一一对应，那么当I/O全部并行时，工作线程必须满足I/O并行操作需求，所以线程池内最大工作线程个数建议大于或者等于 I/O并行个数。
  - 3：但是我们可知CPU个数又限制了活跃的线程个数，那么线程池过大意义很低，所以按常规建议线程池大小等于 CPU个数*2 左右为佳。例如，8核服务器建议创建16个工作线程的线程池。
    上面描述的依然是I/O模型并非IOCP，那么IOCP是什么呢，全称 IO完成端口。

它是一种WIN32的网络I/O模型，既包括了网络连接部分，也负责了部分的I/O操作功能，用于方便我们控制有并发性的网络I/O操作。它有如下特点：

1：它是一个WIN32内核对象，所以无法运行于Linux.
- 2：它自己负责维护了工作线程池，同时也负责了I/O通道的内存池。
  - 3：它自己实现了线程的管理以及I/O请求通知，最小化的做到了线程的上下文切换。
    - 4：它自己实现了线程的优化调度，提高了CPU和内存缓冲的使用率。

使用IOCP的基本步骤很简单：

1：创建IOCP对象，由它负责管理多个Socket和I/O请求。CreateIoCompletionPort需要将IOCP对象和IOCP句柄绑定。
- 2：创建一个工作线程池，以便Socket发送I/O请求给IOCP对象后，由这些工作线程进行I/O操作。注意，创建这些线程的时候，将这些线程绑定到IOCP上。
  - 3：创建一个监听的socket。
    - 4：轮询，当接收到了新的连接后，将socket和完成端口进行关联并且投递给IOCP一个I/O请求。注意：将Socket和IOCP进行关联的函数和创建IOCP的函数一样，都是CreateIoCompletionPort，不过注意传参必然是不同的。
      - 5：因为是异步的，我们可以去做其他，等待IOCP将I/O操作完成会回馈我们一个消息，我们再进行处理。
        其中需要知道的是：I/O请求被放在一个I/O请求队列里面，对，是队列，LIFO机制。当一个设备处理完I/O请求后，将会将这个完成后的I/O请求丢回IOCP的I/O完成队列。
        我们应用程序则需要在GetQueuedCompletionStatus去询问IOCP，该I/O请求是否完成。
        其中有一些特殊的事情要说明一下，我们有时有需要人工的去投递一些I/O请求，则需要使用PostQueuedCompletionStatus函数向IOCP投递一个I/O请求到它的请求队列中。

最后说一句啦。本网络编程入门系列博客是连载学习的，有兴趣的可以看我博客其他篇。。。。c++ 网络编程课设入门超详细教程 ---目录

参考博客：http://blog.csdn.net/penzo/article/details/5986574

参考博客：https://blog.csdn.net/educast/article/details/15500349

参考博客：https://blog.csdn.net/u010223072/article/details/49276415

参考书籍：《TCP/IP网络编程--尹圣雨》

若有兴趣交流分享技术，可关注本人公众号，里面会不定期的分享各种编程教程，和共享源码，诸如研究分享关于c/c++,python,前端，后端，opencv,halcon,opengl,机器学习深度学习之类有关于基础编程，图像处理和机器视觉开发的知识

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