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网络编程4-epoll

java 2025/7/18 18:00:05

select底层原理

fd_set底层使用位图标记每个文件标识符有没有被使用，位图在c语言里靠数组实现。

select 流程

在用户态空间里（栈、堆、数据段）申请一个fd_set
将fd_set从用户态拷贝到内核态（在后面操作系统轮询会使用到）
select调用时候：内核轮询 0~nfds-1；内核在轮询，进程阻塞；
在轮询中发现有监听的fd就绪，就放入fd_set，并返回
将fd_set从内核态拷贝到用户态
用户随后执行FD_ISSET，判断fd是否在就绪态

select的缺陷

存在多次数据在用户态和内核态空间的来回拷贝
fd_set是一个位图，靠数组实现的，其长度编译时确定（一个进程的文件数量上限ulimit可以直接改，但是 fd_set 的长度需要重新编译系统库）
监听和就绪集合耦合在一起
（最严重的问题）在就绪之后，用户要根据监听的数量去执行若干次FD_ISSET海量连接，少量就绪。

epoll 高性能 IO多路复用

epoll 和 select 功能是一样的，但是经过 libevent 测试后，epoll 性能更好。

kqueue只能Unix，epoll只能Linux。

epoll 底层模型

epoll 将数据结构分配在内核区（文件对象）
在文件对象内部有两个独立的数据结构：

监听集合是一颗红红黑树（没有上限）
就绪集合是一个线性表

3. 当轮询结束以后，epoll 会把收集到就绪集合拷贝到用户态，用户遍历就绪结合次数和就绪数量相关（而不是监听集合，性能比select提升）

红黑树

红黑树是一颗相对平衡的二叉搜索树，在内存里涉及到树的操作大量使用到红黑树。

任何节点是红色或者黑色两种之一。
根节点是黑色。
空叶子记为黑色（实际不存在）。
红色节点父亲和孩子都是黑色。
从根出发到每个空节点的简单路径黑色节点数量是一样的。

相关函数

使用 man 7 epoll查看

epoll_creat

创建文件对象

曾经 int epoll_creat(int size)里面的size用来表示监听大小，现在无意义，为了兼容，size填写一个正数，返回一个epoll类型。

epoll_ctl

管理监听集合

epfd: 监听的文件描述符
op: 有下面三种类型分别对应增加、修改、删除
*event: 监听的属性

op 对应的选项：分别为增加、修改、删除

event 结构体如下：

events基本数据类型（读就绪或写就绪，水平出发或边缘触发）

data数据是一个共用体，可以在ptr、fd、u32、u64里面选择一个，用来记录将来就绪之后，往就绪集合里面放的东西。

在监听不同的文件描述符时，要将相应的event调整，并再使用一个epoll_ctl。

union

联合体、共用体

union 的用法和 struct 很像。

但是union 在某一时刻，只能存在一个成员，所有成员共用内存。

设置监听

代码实现
 struct epoll_event event;event.data.fd = STDIN_FILENO;event.events = EPOLLIN;epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,STDIN_FILENO,&event);event.data.fd = netfd;event.events = EPOLLIN;epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,netfd,&event);
两个别监听的fd和data务必要不一样

epoll_wait

内核轮询，用户阻塞

epfd 是epoll 的文件描述符。
*events 是 maxevents 是合在一起的。event 是一个数组，maxevents 是数组长度，里面存得到是epoll_event类型。这里只看 data 成员。
timeout 是最长等待时间，以毫秒为单位，-1 代表永久等待。

使用方法：

主调方先申请一个 struct epoll_event 结构体数组，把数组首地址和长度传递给 epoll_wait
epoll_wait 在轮询结束后返回，把每个就绪的fd 的 data 拷贝到数据体数组中
返回值为就绪集合的实际长度。

使用步骤：
struct epoll_event readyset[1024];while(1){int readynum = epoll_wait(epfd,readyset,1024,-1);for(int i=0;i<readynum;i++){if(readyset[i].data.fd = STDIN_FILENO){……}else if(readyset[i].data.fd = netfd){……}
}
准别一个就绪集合 readyset，大小无所谓
调用 epoll_wait epfd 就绪集合数组名，数组长度，-1
从 epoll_wait 当中返回，返回readynum时就绪集合的实际长度
写一个执行 readysetnum 次的 for 循环遍历就绪集合

支持断线重连的双人通信

基于TCP编程和epoll，实现一个客户端和一个服务端双人即时聊天，服务端需要处理stdin，并支持断线重连

server.c

#include <my_header.h>/* Usage:  */
int main(int argc, char *argv[]){                                  ARGS_CHECK(argc,3);int sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);struct sockaddr_in serverAddr;serverAddr.sin_family = AF_INET;serverAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);serverAddr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));int flag = 1;setsockopt(sockfd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&flag,sizeof(flag));int b_ret = bind(sockfd,(struct sockaddr *)&serverAddr,sizeof(serverAddr));ERROR_CHECK(b_ret,-1,"bind");listen(sockfd,50);    int epfd = epoll_create(1);struct epoll_event event;event.data.fd = STDIN_FILENO;event.events = EPOLLIN;epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,STDIN_FILENO,&event);event.data.fd = sockfd;event.events = EPOLLIN;epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,sockfd,&event);char buf[4096];struct epoll_event readyset[1024];int netfd = -1;while(1){int readynum = epoll_wait(epfd,readyset,1024,-1);for(int i=0;i<readynum;i++){if(readyset[i].data.fd == sockfd){netfd = accept(sockfd,NULL,NULL);printf("netfd = %d, client connected\n",netfd);event.data.fd = netfd;event.events = EPOLLIN;epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,netfd,&event);event.data.fd = STDIN_FILENO;event.events = EPOLLIN;epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,STDIN_FILENO,NULL);epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_DEL,sockfd,NULL);}else if(netfd != -1 && readyset[i].data.fd == STDIN_FILENO){bzero(buf,sizeof(buf));ssize_t sret = read(STDIN_FILENO,buf,sizeof(buf));if(sret == 0){printf("server close connection\n");epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_DEL,STDIN_FILENO,NULL);epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_DEL,netfd,NULL);netfd =-1;goto END;}send(netfd,buf,strlen(buf),0);} else if(netfd != -1 && readyset[i].data.fd == netfd){bzero(buf,sizeof(buf));ssize_t sret = recv(netfd,buf,sizeof(buf),0);if(sret == 0){printf("client disconnected\n");epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_DEL,STDIN_FILENO,NULL);epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_DEL,netfd,NULL);event.data.fd = sockfd;event.events = EPOLLIN;epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,sockfd,&event);close(netfd);continue;}printf("[buf] %s\n",buf);}}}
END:close(epfd);close(sockfd);return 0;
}

client.c

#include <my_header.h>/* Usage:  */
int main(int argc, char *argv[]){                                  ARGS_CHECK(argc,3);int sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);struct sockaddr_in serverAddr;serverAddr.sin_family = AF_INET;serverAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);serverAddr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));int c_ret = connect(sockfd,(struct sockaddr *)&serverAddr,sizeof(serverAddr));ERROR_CHECK(c_ret,-1,"connect");int epfd = epoll_create(1);struct epoll_event event;event.data.fd = STDIN_FILENO;event.events = EPOLLIN;epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,STDIN_FILENO,&event);event.data.fd = sockfd;event.events = EPOLLIN;epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,sockfd,&event);char buf[4096];struct epoll_event readyset[1024];while(1){int readynum = epoll_wait(epfd,readyset,1024,-1);for(int i=0;i<readynum;i++){if(readyset[i].data.fd == STDIN_FILENO){bzero(buf,sizeof(buf));ssize_t sret = read(STDIN_FILENO,buf,sizeof(buf));if(sret == 0){printf("client close connection\n");epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_DEL,sockfd,NULL);epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_DEL,STDIN_FILENO,NULL);goto END;}send(sockfd,buf,strlen(buf),0);} if(readyset[i].data.fd == sockfd){bzero(buf,sizeof(buf));ssize_t sret = recv(sockfd,buf,sizeof(buf),0);if(sret == 0){printf("server disconnected\n");epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_DEL,sockfd,NULL);epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_DEL,STDIN_FILENO,NULL);goto END;}printf("[buf] %s\n",buf);}}}
END:close(sockfd);return 0;
}

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