【TCP服务器的演变过程】使用IO多路复用器epoll实现TCP服务器 使用IO多路复用器epoll实现TCP服务器 一、前言二、新增使用API函数2.1、epoll_create()函数2.2、epoll_ctl()函数2.3、struct epoll_event结构体2.4、epoll_wait()函数 三、实现步骤四、完整代码五、TCP客户端5.1、自己实现一个TCP客户端5.2、Windows下可以使用NetAssist的网络助手工具 小结 一、前言 手把手教你从0开始编写TCP服务器程序，体验开局一块砖，大厦全靠垒。 为了避免篇幅过长使读者感到乏味，对【TCP服务器的开发】进行分阶段实现，一步步进行优化升级。 本节，在上一章节的基础上，将IO多路复用机制select改为更高效的IO多路复用机制epoll，使用epoll管理每个新接入的客户端连接，实现发送和接收。 epoll是Linux内核中一种可扩展的IO事件处理机制，可替代select和poll的系统调用。处理百万级并发访问性能更佳。 select的局限性： （1） 文件描述符越多，性能越差。 单个进程中能够监视的文件描述符存在最大的数量，默认是1024（在linux内核头文件中定义有 #define _FD_SETSIZE 1024）,当然也可以修改，但是文件描述符数量越多，性能越差。 （2）开销巨大 ，select需要复制大量的句柄数据结构，产生了巨大的开销（内核/用户空间内存拷贝问题）。 （3）select需要遍历整个句柄数组才能知道哪些句柄有事件。 （4）如果没有完成对一个已经就绪的文件描述符的IO操作，那么每次调用select还是会将这些文件描述符通知进程，即水平触发。 （5）poll使用链表保存监视的文件描述符，虽然没有了监视文件数量的限制，但是其他缺点依旧存在。 由于以上缺点，基于select模型的服务器程序，要达到十万以上的并发访问，是很难完成的。因此，epoll出场了。 二、新增使用API函数 2.1、epoll_create()函数 函数原型： #include int epoll_create(int size); 功能：创建epoll的文件描述符。 参数说明：size表示内核需要监控的最大数量，但是这个参数内核已经不会用到，只要传入一个大于0的值即可。 当size<=0时，会直接返回不可用，这是历史原因保留下来的，最早的epoll_create是需要定义一次性就绪的最大数量；后来使用了链表以便便维护和扩展，就不再需要使用传入的参数。 返回：返回该对象的描述符，注意要使用 close 关闭该描述符。 2.2、epoll_ctl()函数 函数原型： #include int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event); // epoll_ctl对应系统调用sys_epoll_ctl 功能：操作epoll的文件描述符，主要是对epoll的红黑树节点进行操作，比如节点的增删改查。 参数说明： 参数含义epfd通过 epoll_create 创建的文件描述符op对红黑树的操作，比如节点的增加、修改、删除，分别对应EPOLL_CTL_ADD、EPOLL_CTL_MOD、EPOLL_CTL_DELfd需要添加监听的文件描述符event事件信息 注意：epoll_ctl是非阻塞的，不会被挂起。 2.3、struct epoll_event结构体 struct epoll_event结构体原型： typedef union epoll_data{ void* ptr; int fd; uint32_t u32; uint64_t u64 }; struct epoll_event{ uint32_t events; epoll_data_t data; } events成员代表要监听的epoll事件类型 events成员： 成员变量含义EPOLLIN监听fd的读事件EPOLLOUT监听fd的写事件EPOLLRI监听紧急数据可读事件（带外数据到来）EPOLLRDHUP监听套接字关闭或半关闭事件EPOLLET将EPOLL设为边缘触发(Edge Triggered)模式 data成员： data 成员时一个联合体类型，可以在调用 epoll_ctl 给 fd 添加/修改描述符监听的事件时携带一些数据，方便后面的epoll_wait可以取出信息使用。 2.4、epoll_wait()函数 函数原型： #include int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout); 功能：阻塞一段时间，等待事件发生 返回：返回事件数量，事件集添加到events数组中。也就是遍历红黑树中的双向链表，把双向链表中的节点数据拷贝出来，拷贝完毕后把节点从双向链表中移除。 返回值含义大于0事件个数等于0超时时间timeout到了小于0出错，可通过errno查看出错原因 参数说明： 参数含义epfd通过 epoll_create 创建的文件描述符events存放就绪的事件集合，是输出参数maxevents最大可存放事件数量，events数组大小timeout阻塞等待的时间长短，单位是毫秒，-1表示一直阻塞等待 三、实现步骤 epoll的优点： 不需要轮询所有的文件描述符。每次取就绪集合，都在固定位置。事件的就绪和IO触发可以异步解耦。 （1）创建socket。 int listenfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0); if(listenfd==-1){ printf("errno = %d, %s\n",errno,strerror(errno)); return SOCKET_CREATE_FAILED; } （2）绑定地址。 struct sockaddr_in server; memset(&server,0,sizeof(server)); server.sin_family=AF_INET; server.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY); server.sin_port=htons(LISTEN_PORT); if(-1==bind(listenfd,(struct sockaddr*)&server,sizeof(server))){ printf("errno = %d, %s\n",errno,strerror(errno)); close(listenfd); return SOCKET_BIND_FAILED; } （3）设置监听。 if(-1==listen(listenfd,BLOCK_SIZE)){ printf("errno = %d, %s\n",errno,strerror(errno)); close(listenfd); return SOCKET_LISTEN_FAILED; } （4）创建epoll。 int epfd=epoll_create(1); if(epfd==-1) { perror("epoll_create error"); return SOCKET_EPOLL_CREATE_FAILED; } （5）添加listen fd 到epoll。 struct epoll_event ev; ev.events=EPOLLIN; ev.data.fd=listenfd; if(epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,listenfd,&ev)==-1) { perror("epoll_ctl error"); return SOCKET_EPOLL_CTL_FAILED; } （6）监听事件。 int nready=epoll_wait(epfd,evs,EVENTS_LENGTH,-1); （7）如果监听套接字有新连接请求，处理新连接。 int curfd=evs[i].data.fd; if(curfd==listenfd) { // accept struct sockaddr_in client; socklen_t clientlen=sizeof(client); int clientfd=accept(listenfd,(struct sockaddr*)&client,&clientlen); if(clientfd==-1) { perror("accept error"); continue; } //printf("client %s:%d connected\n", inet_ntoa(cli_addr.sin_addr), ntohs(cli_addr.sin_port)); printf("client %s:%d connected\n", inet_ntoa(client.sin_addr),ntohs(client.sin_port)); ev.events=EPOLLIN; ev.data.fd=clientfd; if(epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,clientfd,&ev)==-1) { perror("epoll_ctl error"); exit(SOCKET_EPOLL_CTL_FAILED); } } （8）处理客户端发来的数据和发送数据到客户端。 if(evs[i].events&EPOLLIN) { //read int ret=recv(curfd,rbuff,BUFFER_LENGTH,0); if(ret>0) { printf("recv from %d: %s\n",curfd,rbuff); rbuff[ret]='\0'; memcpy(wbuff,rbuff,BUFFER_LENGTH); ev.events=EPOLLOUT; ev.data.fd=curfd; if(epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,curfd,&ev)==-1) { perror("epoll_ctl error"); exit(SOCKET_EPOLL_CTL_FAILED); } } else if(ret==0)// 连接关闭 { printf("client %d disconnected\n", evs[i].data.fd); // 将连接从epoll实例中删除 if(epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, evs[i].data.fd, NULL)==-1) { perror("epoll_ctl error"); exit(SOCKET_EPOLL_CTL_FAILED); } close(evs[i].data.fd); } else if (ret == -1) { if (errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK) { continue; // 数据已读完 } perror("read error"); break; } else{ printf("read error,unknow type %d\n",ret); } } else if(evs[i].events&EPOLLOUT) { //write send(curfd,wbuff,BUFFER_LENGTH,0); ev.events=EPOLLIN; ev.data.fd=curfd; if(epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,curfd,&ev)==-1) { perror("epoll_ctl error"); exit(SOCKET_EPOLL_CTL_FAILED); } } 四、完整代码 #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #define LISTEN_PORT 9999 #define BLOCK_SIZE 10 #define BUFFER_LENGTH 1024 #define EVENTS_LENGTH 128 enum ERROR_CODE{ SOCKET_CREATE_FAILED=-1, SOCKET_BIND_FAILED=-2, SOCKET_LISTEN_FAILED=-3, SOCKET_ACCEPT_FAILED=-4, SOCKET_SELECT_FAILED=-5, SOCKET_EPOLL_CREATE_FAILED=-6, SOCKET_EPOLL_CTL_FAILED=-7, SOCKET_EPOLL_WAIT_FAILED=-8 }; char rbuff[BUFFER_LENGTH] = { 0 }; char wbuff[BUFFER_LENGTH] = { 0 }; int main(int argc,char argv) { // 1. int listenfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0); if(listenfd==-1){ printf("errno = %d, %s\n",errno,strerror(errno)); return SOCKET_CREATE_FAILED; } // 2. struct sockaddr_in server; memset(&server,0,sizeof(server)); server.sin_family=AF_INET; server.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY); server.sin_port=htons(LISTEN_PORT); if(-1==bind(listenfd,(struct sockaddr*)&server,sizeof(server))){ printf("errno = %d, %s\n",errno,strerror(errno)); close(listenfd); return SOCKET_BIND_FAILED; } // 3. if(-1==listen(listenfd,BLOCK_SIZE)){ printf("errno = %d, %s\n",errno,strerror(errno)); close(listenfd); return SOCKET_LISTEN_FAILED; } printf("listen port: %d\n",LISTEN_PORT); // 4. int epfd=epoll_create(1); if(epfd==-1) { perror("epoll_create error"); return SOCKET_EPOLL_CREATE_FAILED; } struct epoll_event ev,evs[EVENTS_LENGTH]; ev.events=EPOLLIN; ev.data.fd=listenfd; if(epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,listenfd,&ev)==-1) { perror("epoll_ctl error"); return SOCKET_EPOLL_CTL_FAILED; } printf("start epoll_wait. epoll fd = %d\n",epfd); while(1) { int nready=epoll_wait(epfd,evs,EVENTS_LENGTH,-1); if (nready == -1) { perror("epoll_wait error"); exit(SOCKET_EPOLL_WAIT_FAILED); } for(int i=0;i0) { printf("recv from %d: %s\n",curfd,rbuff); rbuff[ret]='\0'; memcpy(wbuff,rbuff,BUFFER_LENGTH); ev.events=EPOLLOUT; ev.data.fd=curfd; if(epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,curfd,&ev)==-1) { perror("epoll_ctl error"); exit(SOCKET_EPOLL_CTL_FAILED); } } else if(ret==0)// 连接关闭 { printf("client %d disconnected\n", evs[i].data.fd); // 将连接从epoll实例中删除 if(epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, evs[i].data.fd, NULL)==-1) { perror("epoll_ctl error"); exit(SOCKET_EPOLL_CTL_FAILED); } close(evs[i].data.fd); } else if (ret == -1) { if (errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK) { continue; // 数据已读完 } perror("read error"); break; } else{ printf("read error,unknow type %d\n",ret); } } else if(evs[i].events&EPOLLOUT) { //write send(curfd,wbuff,BUFFER_LENGTH,0); ev.events=EPOLLIN; ev.data.fd=curfd; if(epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,curfd,&ev)==-1) { perror("epoll_ctl error"); exit(SOCKET_EPOLL_CTL_FAILED); } } } } close(listenfd); return 0; } 编译命令： gcc -o server server.c 五、TCP客户端 5.1、自己实现一个TCP客户端 自己实现一个TCP客户端连接TCP服务器的代码： #include #include #include #include #include #include #include #include #define BUFFER_LENGTH 1024 enum ERROR_CODE{ SOCKET_CREATE_FAILED=-1, SOCKET_CONN_FAILED=-2, SOCKET_LISTEN_FAILED=-3, SOCKET_ACCEPT_FAILED=-4 }; int main(int argc,char argv) { if(argc<3) { printf("Please enter the server IP and port."); return 0; } printf("connect to %s, port=%s\n",argv[1],argv[2]); int connfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0); if(connfd==-1) { printf("errno = %d, %s\n",errno,strerror(errno)); return SOCKET_CREATE_FAILED; } struct sockaddr_in serv; serv.sin_family=AF_INET; serv.sin_addr.s_addr=inet_addr(argv[1]); serv.sin_port=htons(atoi(argv[2])); socklen_t len=sizeof(serv); int rwfd=connect(connfd,(struct sockaddr*)&serv,len); if(rwfd==-1) { printf("errno = %d, %s\n",errno,strerror(errno)); close(rwfd); return SOCKET_CONN_FAILED; } int ret=1; while(ret>0) { char buf[BUFFER_LENGTH]={0}; printf("Please enter the string to send:\n"); scanf("%s",buf); send(connfd,buf,strlen(buf),0); memset(buf,0,BUFFER_LENGTH); printf("recv:\n"); ret=recv(connfd,buf,BUFFER_LENGTH,0); printf("%s\n",buf); } close(rwfd); return 0; } 编译： gcc -o client client.c 5.2、Windows下可以使用NetAssist的网络助手工具 下载地址：http://old.tpyboard.com/downloads/NetAssist.exe 小结 至此，我们最终确定使用IO多路复用器epoll处理高并发。但是，上面的epoll实现的TCP服务器存在一些问题： 所有的连接都是使用相同的读写缓存（rbuff和wbuff），这会导致数据覆盖。没有分包能力。 下一章节会解决这些问题，构建一个reactor网络模型。