C++中IO多路復用(select、poll、epoll)的實現(xiàn)
什么是IO多路復用
I/O多路復用（IO multiplexing）是一種并發(fā)處理多個I/O操作的機制。它允許一個進程或線程同時監(jiān)聽多個文件描述符（如套接字、管道、標準輸入等）的I/O事件，并在有事件發(fā)生時進行處理。
傳統(tǒng)的I/O模型中，通常使用阻塞I/O和非阻塞I/O來處理單個I/O操作。如果需要同時處理多個I/O操作，那么需要使用多個線程或多個進程來管理和執(zhí)行這些I/O操作。這種方式會導致系統(tǒng)資源的浪費，且編程復雜度較高。
而I/O多路復用通過提供一個統(tǒng)一的接口，如select、poll、epoll等，來同時監(jiān)聽多個文件描述符的I/O事件。它們會在任意一個文件描述符上有I/O事件發(fā)生時立即返回，并告知應用程序哪些文件描述符有事件發(fā)生。應用程序可以根據(jù)返回的結果來針對有事件發(fā)生的文件描述符進行讀取、寫入或其他操作。
I/O多路復用的優(yōu)點包括：
- 單個進程或線程可以同時處理多個I/O操作，提高了系統(tǒng)的并發(fā)性。
- 避免了大量的進程或線程切換，節(jié)約了系統(tǒng)資源
- 使用較少的線程或進程，簡化了編程模型和維護工作。
IO多路復用的方式簡介
主要的 I/O 多路復用方式有以下幾種：
select：select是最早的一種 I/O 多路復用方式，可以同時監(jiān)聽多個文件描述符的可讀、可寫和異常事件。通過在調用select時傳遞關注的文件描述符集合，及時返回有事件發(fā)生的文件描述符，然后應用程序可以對這些文件描述符進行讀寫操作。poll：poll是select的一種改進版，也能夠同時監(jiān)聽多個文件描述符的可讀、可寫和異常事件。通過調用poll時傳遞關注的文件描述符數(shù)組，返回有事件發(fā)生的文件描述符，應用程序執(zhí)行對應的讀寫操作。epoll：epoll是 Linux 特有的一種 I/O 多路復用機制，相較于select和poll具有更高的性能，適用于高并發(fā)環(huán)境。epoll使用了回調機制來通知應用程序文件描述符上的事件發(fā)生，并且支持水平觸發(fā)（LT，level triggered）和邊緣觸發(fā)（ET，edge triggered）兩種模式。
select方式
select 是一種 I/O 多路復用的機制，用于同時監(jiān)聽多個文件描述符的可讀、可寫和異常事件。它是最早的一種實現(xiàn)，適用于多平臺。select幾乎在所有的操作系統(tǒng)上都可用，并且擁有相似的接口和語義。這使得應用程序在多個平臺上能夠以相似的方式使用 select。
select運行原理
select 函數(shù)在阻塞過程中，主要依賴于一個名為 fd_set 的數(shù)據(jù)結構來表示文件描述符集合。通過向 select 函數(shù)傳遞待檢測的 fd_set 集合，可以指定需要檢測哪些文件描述符。fd_set 結構一般是通過使用宏函數(shù)以及相關操作進行初始化和處理。
fd_set 結構可以用于傳遞三種不同類型的文件描述符集合，包括讀緩沖區(qū)、寫緩沖區(qū)和異常狀態(tài)。通過將文件描述符放入相應的集合中，程序員可以選擇性地檢查特定類型的事件或操作。通過使用傳出變量，程序員可以獲取與就緒狀態(tài)對應的文件描述符集合，并相應地處理與就緒內(nèi)容相關的操作。
下面兩張圖展示了select函數(shù)在運行時的邏輯（讀緩沖區(qū)為例）
select函數(shù)使用方法
select函數(shù)原型如下：
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,
fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);nfds：需要監(jiān)視的最大文件描述符加1，即待監(jiān)視的文件描述符的最大值加1。readfds：可讀性檢查的文件描述符集合。writefds：可寫性檢查的文件描述符集合。exceptfds：異常條件的文件描述符集合。timeout：最長等待時間，也可以設置為 NULL，表示一直阻塞直到有事件發(fā)生。
函數(shù)返回值如下：
- 大于 0：返回值為有事件發(fā)生的文件描述符的總數(shù)。
- 0：表示超時，沒有事件發(fā)生。
- -1：出錯，可以通過查看全局變量
errno來獲取錯誤碼。
一些值得注意的小細節(jié)：
nfds的值必須是所有待監(jiān)視文件描述符中最大的值加1。- 在某些平臺上，
select的文件描述符集大小有可能有限制。 - 調用
select會阻塞等待，直到有事件發(fā)生，這會導致效率問題。 - 在多個線程中使用
select可能需要使用互斥鎖來保護傳遞的文件描述符集。
操作fd_set的API：
void FD_CLR(int fd, fd_set *set);
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set);
void FD_SET(int fd, fd_set *set);
void FD_ZERO(fd_set *set);1. FD_ZERO(fd_set *set)：清空指定的文件描述符集合 set，將其所有位都置為0。
2. FD_SET(int fd, fd_set *set)：將指定的文件描述符 fd 添加到文件描述符集合 set 中，相應的位將被置為1。
3. FD_CLR(int fd, fd_set *set)：將指定的文件描述符 fd 從文件描述符集合 set 中移除，相應的位將被清零（置為0）。
4. FD_ISSET(int fd, fd_set *set)：檢查指定的文件描述符 fd 是否在文件描述符集合 set 中，如果存在，則返回非零值（true）；否則，返回零值（false）。
實例
下面是一個利用select實現(xiàn)的客戶端與服務器端相互傳輸?shù)暮唵问纠?/p>
服務器端：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <iostream>
using namespace std;
int main() // 基于多路復用select函數(shù)實現(xiàn)的并行服務器
{
// 1 創(chuàng)建監(jiān)聽的fd
int lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
// 2 綁定
struct sockaddr_in addr; // struct sockaddr_in是用于表示IPv4地址的結構體，它是基于struct sockaddr的擴展。
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons(9997);
addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
bind(lfd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));
// 3 設置監(jiān)聽
listen(lfd, 128);
// 將監(jiān)聽的fd的狀態(tài)交給內(nèi)核檢測
int maxfd = lfd;
// 初始化檢測的讀集合
fd_set rdset;
fd_set rdtemp;
// 清零
FD_ZERO(&rdset);
// 將監(jiān)聽的lfd設置到集合當中
FD_SET(lfd, &rdset);
// 通過select委托內(nèi)核檢測讀集合中的文件描述符狀態(tài), 檢測read緩沖區(qū)有沒有數(shù)據(jù)
// 如果有數(shù)據(jù), select解除阻塞返回
while (1)
{
rdtemp = rdset;
int num = select(maxfd + 1, &rdtemp, NULL, NULL, NULL);
// 判斷連接請求還在不在里面，如果在，則運行accept
if (FD_ISSET(lfd, &rdtemp))
{
struct sockaddr_in cliaddr;
int cliaddrLen = sizeof(cliaddr);
int cfd = accept(lfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, (socklen_t *)&cliaddrLen);
// 得到了有效的客戶端文件描述符，將這個文件描述符放入讀集合當中，并更新最大值
FD_SET(cfd, &rdset);
maxfd = cfd > maxfd ? cfd : maxfd;
}
// 如果沒有建立新的連接，那么就直接通信
for (int i = 0; i < maxfd + 1; i++)
{
if (i != lfd && FD_ISSET(i, &rdtemp))
{
// 接收數(shù)據(jù)，一次接收10個字節(jié)，客戶端每次發(fā)送100個字節(jié),下一輪select檢測的時候, 內(nèi)核還會標記這個文件描述符緩沖區(qū)有數(shù)據(jù) -> 再讀一次
// 循環(huán)會一直持續(xù), 知道緩沖區(qū)數(shù)據(jù)被讀完位置
char buf[10] = {0};
int len = read(i, buf, sizeof(buf));
cout << "len=" <<len<< endl;
if (len == 0) // 客戶端關閉了連接，，因為如果正好讀完，會在select過程中刪除
{
printf("客戶端關閉了連接.....\n");
// 將該文件描述符從集合中刪除
FD_CLR(i, &rdset);
close(i);
}
else if (len > 0) // 收到了數(shù)據(jù)
{
// 發(fā)送數(shù)據(jù)
if (len > 2)
{
write(i, buf, strlen(buf) + 1);
cout << "寫了一次" << endl;
sleep(0.1);
}
}
else
{
// 異常
perror("read");
FD_CLR(i, &rdset);
}
}
}
}
return 0;
}客戶端：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <iostream>
using namespace std;
int main() //網(wǎng)絡通信的客戶端
{
// 1 創(chuàng)建用于通信的套接字
int fd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
if(fd==-1)
{
perror("socket");
exit(0);
}
// 2 連接服務器
struct sockaddr_in addr;
addr.sin_family=AF_INET; //ipv4
addr.sin_port=htons(9997);// 服務器監(jiān)聽的端口, 字節(jié)序應該是網(wǎng)絡字節(jié)序
inet_pton(AF_INET,"127.0.0.1",&addr.sin_addr.s_addr);
int ret=connect(fd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr));
if(ret==-1)
{
perror("connect");
exit(0);
}
//通信
while (1)
{
//讀數(shù)據(jù)
char recvBuf[1024];
//寫數(shù)據(jù)
fgets(recvBuf,sizeof(recvBuf),stdin);
write(fd,recvBuf,strlen(recvBuf)+1);
int oriLen=strlen(recvBuf)-1;
cout<<"strlen(recvBuf)="<<oriLen<<endl;
int total_get=0;
while (read(fd,recvBuf,sizeof(recvBuf)))
{
total_get+=10;
cout<<"total_get="<<total_get<<" strlen(recvBuf)="<<oriLen<<endl;
printf("recv buf: %s\n", recvBuf);
if (total_get>=oriLen)
{
cout<<"out"<<endl;
break;
}
}
sleep(1);
}
close(fd);
return 0;
}
注意的點
在服務器端中，調用select函數(shù)時，因為select函數(shù)會將檢測的結果寫回fd_set，所以如果不做其他操作的話，寫回的數(shù)據(jù)會覆蓋掉最初的fd_set，造成錯誤。所以我們在調用select函數(shù)之前可以將fd_set暫時先賦給一個臨時變量，如下：
fd_set rdset; fd_set rdtemp; rdtemp = rdset; int num = select(maxfd + 1, &rdtemp, NULL, NULL, NULL);
代碼整體工程、在以上內(nèi)容中加入線程和線程池實現(xiàn)通信的版本可參考：GitHub - BanLi-Official/CppSelect
poll方式
poll方式運行原理
poll 函數(shù)是一種 I/O 多路復用機制，類似于 select 函數(shù)，但相比 select 更加高效和靈活。poll 通過輪詢方式，在用戶空間和內(nèi)核空間之間進行交互。與 select 不同的是，poll 可以支持更大的文件描述符集合，且不會有文件描述符數(shù)量限制的問題。同時poll與select不同，select有跨平臺的特點，而poll只能在Linux上使用。
poll函數(shù)使用方法
poll函數(shù)原型如下：
#include <poll.h>
struct pollfd
{
int fd; /* File descriptor to poll. */
short int events; /* Types of events poller cares about. */
short int revents; /* Types of events that actually occurred. */
};
int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);fds：一個指向struct pollfd結構體數(shù)組的指針，用于指定待監(jiān)視的文件描述符及其感興趣的事件。每個struct pollfd結構包含一個文件描述符fd和一個短整型events，用于指定關注的事件類型。revents字段在poll返回時被內(nèi)核修改，用于指示發(fā)生的事件類型。nfds：表示fds數(shù)組的大小，即待監(jiān)視的文件描述符數(shù)量。timeout：指定阻塞等待的時間（以毫秒為單位）
poll 函數(shù)會阻塞，直到以下三種情況之一發(fā)生：
- 有一個或多個文件描述符準備好監(jiān)聽的事件。
- 指定的超時時間到達。
- 發(fā)生一個錯誤。
函數(shù)返回值如下：
poll 函數(shù)返回一個正整數(shù)表示就緒的文件描述符數(shù)量，或者返回以下幾種特定的值：
- 返回大于 0 的整數(shù)：表示有文件描述符就緒的數(shù)量?？梢酝ㄟ^遍歷監(jiān)視的文件描述符集合，檢查
revents字段來確定哪些文件描述符具體就緒。 - 返回 0：表示在無限等待模式下超時，即指定的超時時間到達，但沒有文件描述符就緒。
- 返回 -1：表示發(fā)生錯誤，可以使用
errno變量獲取具體的錯誤代碼。
值得注意的一些小細節(jié)：
poll 函數(shù)返回后，struct pollfd 結構中的 revents 字段會被修改，以指示每個文件描述符發(fā)生的事件類型?？梢酝ㄟ^遍歷 struct pollfd 數(shù)組，在 revents 字段中檢查位來判斷每個文件描述符的具體就緒事件。在處理 poll 的返回值時，通常的做法是使用 if 或 switch 語句根據(jù)每個文件描述符的 revents 值來執(zhí)行相應的操作，例如讀取數(shù)據(jù)、寫入數(shù)據(jù)、處理異常等。
實例
下面是一個利用poll實現(xiàn)的客戶端與服務器端相互傳輸?shù)暮唵问纠?/p>
服務器端：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <iostream>
#include <poll.h>
using namespace std;
int main() // 基于多路復用select函數(shù)實現(xiàn)的并行服務器
{
// 1 創(chuàng)建監(jiān)聽的fd
int lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
// 2 綁定
struct sockaddr_in addr; // struct sockaddr_in是用于表示IPv4地址的結構體，它是基于struct sockaddr的擴展。
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons(9995);
addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
bind(lfd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));
// 3 設置監(jiān)聽
listen(lfd, 128);
// 將監(jiān)聽的fd的狀態(tài)交給內(nèi)核檢測
int maxfd = lfd;
//創(chuàng)建文件描述符的隊列
struct pollfd myfd[100];
for(int i=0;i<100;i++)
{
myfd[i].fd=-1;
myfd[i].events=POLLIN;
}
myfd[0].fd=lfd;
while (1)
{
//sleep(5);
cout<<"poll等待開始"<<endl;
int num=poll(myfd,maxfd+1,-1);
cout<<"poll等待結束~"<<endl;
// 判斷連接請求還在不在里面，如果在，則運行accept
if(myfd[0].fd && myfd[0].revents==POLLIN)
{
struct sockaddr_in cliaddr;
int cliaddrLen = sizeof(cliaddr);
int cfd = accept(lfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, (socklen_t *)&cliaddrLen);
// 得到了有效的客戶端文件描述符，將這個文件描述符放入讀集合當中，并更新最大值
for(int i=0 ; i<1024 ;i++)//找到空的位置
{
if(myfd[i].fd==-1 && myfd[i].events==POLLIN)
{
myfd[i].fd=cfd;
cout<<"連接成功！ fd放在了"<<i<<endl;
break;
}
}
maxfd = cfd > maxfd ? cfd : maxfd;
}
// 如果沒有建立新的連接，那么就直接通信
for (int i = 0; i < maxfd + 1; i++)
{
if (myfd[i].fd && myfd[i].revents==POLLIN && i!=0)
{
// 接收數(shù)據(jù)，一次接收10個字節(jié)，客戶端每次發(fā)送100個字節(jié),下一輪select檢測的時候, 內(nèi)核還會標記這個文件描述符緩沖區(qū)有數(shù)據(jù) -> 再讀一次
// 循環(huán)會一直持續(xù), 知道緩沖區(qū)數(shù)據(jù)被讀完位置
char buf[10] = {0};
cout<<" 外讀"<<endl;
int len = read(myfd[i].fd, buf, sizeof(buf));
cout<<"len="<<len<<" i="<<i<<endl;
if(len==0) //外部中斷導致的連接中斷
{
printf("客戶端關閉了連接.....\n");
// 將該文件描述符從集合中刪除
myfd[i].fd=-1;
break;
}
cout<<"Get read len="<<len<<endl;
if (len == 0) // 客戶端關閉了連接，，因為如果正好讀完，會在select過程中刪除
{
printf("客戶端關閉了連接.....\n");
// 將該文件描述符從集合中刪除
myfd[i].fd=-1;
break;
}
else if (len > 0) // 收到了數(shù)據(jù)
{
// 發(fā)送數(shù)據(jù)
if(len<=2)
{
cout<<" out!!"<<endl;
break;
}
write(myfd[i].fd, buf, strlen(buf) + 1);
if(len<10)
{
cout<<" out!!"<<endl;
break;
}
sleep(0.1);
cout<<"寫了一次 寫的內(nèi)容是："<<string(buf)<<"###"<<endl;
}
else
{
// 異常
perror("read");
myfd[i].fd=-1;
break;
}
}
}
}
return 0;
}客戶端：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <iostream>
using namespace std;
int main() //網(wǎng)絡通信的客戶端
{
// 1 創(chuàng)建用于通信的套接字
int fd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
if(fd==-1)
{
perror("socket");
exit(0);
}
// 2 連接服務器
struct sockaddr_in addr;
addr.sin_family=AF_INET; //ipv4
addr.sin_port=htons(9995);// 服務器監(jiān)聽的端口, 字節(jié)序應該是網(wǎng)絡字節(jié)序
inet_pton(AF_INET,"127.0.0.1",&addr.sin_addr.s_addr);
int ret=connect(fd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr));
if(ret==-1)
{
perror("connect");
exit(0);
}
//通信
while (1)
{
//讀數(shù)據(jù)
char recvBuf[1024];
//寫數(shù)據(jù)
fgets(recvBuf,sizeof(recvBuf),stdin);
write(fd,recvBuf,strlen(recvBuf)+1);
int oriLen=strlen(recvBuf)-1;
cout<<"strlen(recvBuf)="<<oriLen<<endl;
int total_get=0;
while (total_get<oriLen)
{
//cout<<"開始讀"<<endl;
read(fd,recvBuf,sizeof(recvBuf));
total_get+=10;
//cout<<"total_get="<<total_get<<" strlen(recvBuf)="<<oriLen<<endl;
printf("recv buf: %s\n", recvBuf);
if (total_get>=oriLen)
{
cout<<"out"<<endl;
break;
}
}
sleep(1);
}
close(fd);
return 0;
}
整體工程與線程池版本可以參考：GitHub - BanLi-Official/CppPoll: C++ Network Programming: Linux Operating System Poll Example
epoll方式
epoll運行原理
epoll是Linux下的一種I/O 多路復用機制，可以高效地處理大量的并發(fā)連接。
epoll模型使用一個文件描述符(epoll fd)來管理多個其他文件描述符(event fd)。在epoll fd上注冊了感興趣的事件，當有感興趣的事件發(fā)生時，epoll會通知應用程序。相比于傳統(tǒng)的select和poll模型，epoll模型有以下幾個優(yōu)勢：
高效：在大規(guī)模并發(fā)連接的場景下，epoll模型可以顯著提高效率。使用一個文件描述符來管理多個連接，避免了遍歷所有連接的開銷。并且epoll使用了“事件通知”的方式，只有在有事件發(fā)生時才會通知應用程序，避免了無效輪詢。
更快的響應速度：由于epoll是基于事件驅動的模型，在有事件發(fā)生時立即通知應用程序，可以更快地響應客戶端的請求。
可擴展性好：epoll模型采用了無鎖設計，將連接集合的管理交給內(nèi)核處理，并利用回調函數(shù)機制處理連接的讀寫事件，減少了鎖競爭，提高了系統(tǒng)的可擴展性。
epoll使用紅黑樹來存儲和管理注冊的事件。紅黑樹是一種自平衡的二叉搜索樹，具有以下特點：
二叉搜索樹的性質：紅黑樹是一棵二叉搜索樹，即對于任意一個節(jié)點，其左子樹的值都小于該節(jié)點的值，右子樹的值都大于該節(jié)點的值。
自平衡性：紅黑樹通過對節(jié)點進行一系列旋轉和重新著色操作來保持樹的平衡。具體來說，紅黑樹通過五個性質來保持平衡：根節(jié)點是黑色的、葉子節(jié)點（NIL節(jié)點）是黑色的、紅色節(jié)點的兩個子節(jié)點都是黑色的、從任一節(jié)點到其葉子節(jié)點的所有路徑都包含相同數(shù)目的黑色節(jié)點、新插入的節(jié)點是紅色的。
紅黑樹介紹可以參考百度百科：紅黑樹_百度百科
在epoll模型中，當應用程序調用epoll_ctl函數(shù)注冊事件時，epoll將會將文件描述符和其對應的事件信息存儲到紅黑樹中，這樣可以方便地查詢和管理事件。紅黑樹的高效查詢特性可以快速找到特定文件描述符對應的事件信息，并且可以保持事件信息的有序性。
當有事件發(fā)生時，epoll調用epoll_wait函數(shù)去查詢紅黑樹上已注冊的事件，如果有匹配的事件發(fā)生，就會通知應用程序進行處理。紅黑樹是epoll實現(xiàn)高效I/O多路復用的關鍵技術之一。通過使用紅黑樹，epoll可以將事件的查詢、插入和刪除等操作的時間復雜度降低到O(log n)，使得在大規(guī)模并發(fā)連接的場景下也能夠高效地處理事件。
epoll函數(shù)使用方法
在Linux下，epoll函數(shù)主要包括以下幾個：
#include <sys/epoll.h> //頭文件
int epoll_create(int size); //創(chuàng)建一個epoll實例
int epoll_ctl(int epfd, int op,
int fd, struct epoll_event *event); //控制epoll上的事件
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events,
int maxevents, int timeout); //阻塞等待事件發(fā)生同時在這些參數(shù)中，有一個重要的數(shù)據(jù)結構epoll_event。epoll_event結構體用于描述事件，包括文件描述符、事件類型和事件數(shù)據(jù)。其中的定義如下：
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;其中，events是事件類型，包括以下幾種：
EPOLLIN：可讀事件，表示連接上有數(shù)據(jù)可讀。EPOLLOUT：可寫事件，表示連接上可以寫入數(shù)據(jù)。EPOLLPRI：緊急事件，表示連接上有緊急數(shù)據(jù)可讀。EPOLLRDHUP：連接關閉事件，表示連接已關閉。EPOLLERR：錯誤事件，表示連接上發(fā)生錯誤。EPOLLHUP：掛起事件，表示連接被掛起。
結構體中的epoll_data是一個聯(lián)合體，用于在epoll_event結構體中傳遞事件數(shù)據(jù)。它有四個成員變量，可以根據(jù)具體的需求選擇使用其中的一個。通?？梢赃x擇int類型的fd，用于存儲發(fā)生對應事件的文件描述符
epoll_create函數(shù)：創(chuàng)建一個epoll fd，返回一個新的epoll文件描述符。參數(shù)size用于指定監(jiān)聽的文件描述符個數(shù)，但是在Linux 2.6.8之后的版本，該參數(shù)已經(jīng)沒有實際意義。傳入一個大于0的值即可。
int epfd=epoll_create(1);
epoll_ctl函數(shù)：用于控制epoll事件的函數(shù)之一。它用于向epoll實例中添加、修改或刪除關注的文件描述符和對應事件。函數(shù)原型如下：
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
函數(shù)參數(shù)：
epfd：epoll文件描述符，通過epoll_create函數(shù)創(chuàng)建獲得。op：操作類型，可以是以下三種取值之一：EPOLL_CTL_ADD：將文件描述符添加到epoll實例中。EPOLL_CTL_MOD：修改已添加到epoll實例中的文件描述符的關注事件。EPOLL_CTL_DEL：從epoll實例中刪除文件描述符。
fd：要控制的文件描述符。event：指向epoll_event結構體的指針，用于指定要添加、修改或刪除的事件。
函數(shù)返回值：
- 成功時返回0，表示操作成功。
- 失敗時返回-1，并設置errno錯誤碼來指示具體錯誤原因。
epoll_wait函數(shù)：用于等待事件的發(fā)生。它會一直阻塞直到有事件發(fā)生或超時。函數(shù)原型如下：
#include <sys/epoll.h>
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events,
int maxevents, int timeout);函數(shù)參數(shù)：
epfd：epoll文件描述符，通過epoll_create函數(shù)創(chuàng)建獲得。events：用于接收事件的epoll_event結構體數(shù)組。maxevents：events數(shù)組的大小，表示最多可以接收多少個事件。timeout：超時時間，單位為毫秒，表示epoll_wait函數(shù)阻塞的最長時間。常用的取值有以下三種：-1：表示一直阻塞，直到有事件發(fā)生。0：表示立即返回，不管有沒有事件發(fā)生。> 0：表示等待指定的時間（以毫秒為單位），如果在指定時間內(nèi)沒有事件發(fā)生，則返回。
函數(shù)返回值：
- 成功時返回接收到的事件的數(shù)量。如果超時時間為0并且沒有事件發(fā)生，則返回0。
- 失敗時返回-1，并設置errno錯誤碼來指示具體錯誤原因。
一些要注意的點：
在epoll_wait函數(shù)中用于接收事件的epoll_event結構體數(shù)組是一個傳出參數(shù)，需要定義一個epoll_event的數(shù)組，比如：
struct epoll_event evens[100];//用于接取傳出的內(nèi)容
int len=sizeof(evens)/sizeof(struct epoll_event);工作模式
epoll的工作模式可以分為兩種：邊緣觸發(fā)（Edge Triggered, ET）模式和水平觸發(fā)（Level Triggered, LT）模式。一般epoll運行的模式默認是水平觸發(fā)模式。
水平模式
有事件就一直不斷通知（默認就是這個）
- 當被監(jiān)控的文件描述符上的狀態(tài)發(fā)生變化時，
epoll會不斷通知應用程序，直到應用程序處理完事件并返回。 - 如果應用程序沒有處理完事件，而文件描述符上的狀態(tài)再次發(fā)生變化，
epoll會再次通知應用程序。 - 應用程序可以使用阻塞或非阻塞I/O來處理事件。
- 水平觸發(fā)模式適合處理低并發(fā)的I/O場景。
實例
服務器端：
// server.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
// 1. 創(chuàng)建監(jiān)聽的套接字
int lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if(lfd == -1)
{
perror("socket");
exit(0);
}
// 2. 將socket()返回值和本地的IP端口綁定到一起
struct sockaddr_in addr;
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons(9996); // 大端端口
// INADDR_ANY代表本機的所有IP, 假設有三個網(wǎng)卡就有三個IP地址
// 這個宏可以代表任意一個IP地址
// 這個宏一般用于本地的綁定操作
addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 這個宏的值為0 == 0.0.0.0
// inet_pton(AF_INET, "192.168.8.161", &addr.sin_addr.s_addr);
int ret = bind(lfd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));
if(ret == -1)
{
perror("bind");
exit(0);
}
// 3. 設置監(jiān)聽
ret = listen(lfd, 128);
if(ret == -1)
{
perror("listen");
exit(0);
}
int epfd=epoll_create(1);
struct epoll_event even;
even.events=EPOLLIN; //用水平觸發(fā)模式來檢測
even.data.fd=lfd;
ret=epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,lfd,&even);
struct epoll_event evens[100];//用于接取傳出的內(nèi)容
int len=sizeof(evens)/sizeof(struct epoll_event);
while (1)
{
cout<<" 開始等待！?。?<<endl;
int num=epoll_wait(epfd,evens,len,-1);
cout<<" 等待結束?。?！"<<" num="<<num<<endl;
for(int i=0;i<num;i++)//取出所有的檢測到的事件
{
int curfd = evens[i].data.fd;
if(evens[i].data.fd==lfd)
{
struct sockaddr_in *add;
int len=sizeof(struct sockaddr_in);
int cfd=accept(evens[i].data.fd,NULL,NULL);
struct epoll_event even;
even.events=EPOLLIN;
even.data.fd=cfd;
//將接收到的cfd放入epoll檢測的紅黑樹當中
ret=epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,cfd,&even);
if(ret==-1)
{
cout<<"登錄失敗"<<endl;
}
else
{
cout<<"登陸成功，已加入紅黑樹"<<endl;
}
}
else
{
// 接收數(shù)據(jù)
char buf[10];
memset(buf, 0, sizeof(buf));
cout<<"正在讀?。。?！"<<endl;
int len = read(evens[i].data.fd, buf, sizeof(buf));
if(len > 0)
{
// 發(fā)送數(shù)據(jù)
if(len<=2)
{
cout<<" out!!"<<endl;
break;
}
printf("客戶端say: %s\n", buf);
write(evens[i].data.fd, buf, len);
sleep(0.1);
}
else if(len == 0)
{
printf("客戶端斷開了連接...\n");
ret=epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_DEL,evens[i].data.fd,NULL);
close(curfd);
//break;
}
else
{
perror("read");
ret=epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_DEL,evens[i].data.fd,NULL);
close(curfd);
//break;
}
}
}
}
return 0;
}
客戶端：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <iostream>
using namespace std;
int main() //網(wǎng)絡通信的客戶端
{
// 1 創(chuàng)建用于通信的套接字
int fd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
if(fd==-1)
{
perror("socket");
exit(0);
}
// 2 連接服務器
struct sockaddr_in addr;
addr.sin_family=AF_INET; //ipv4
addr.sin_port=htons(9996);// 服務器監(jiān)聽的端口, 字節(jié)序應該是網(wǎng)絡字節(jié)序
inet_pton(AF_INET,"127.0.0.1",&addr.sin_addr.s_addr);
int ret=connect(fd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr));
if(ret==-1)
{
perror("connect");
exit(0);
}
//通信
while (1)
{
//讀數(shù)據(jù)
char recvBuf[1024];
//寫數(shù)據(jù)
fgets(recvBuf,sizeof(recvBuf),stdin);
write(fd,recvBuf,strlen(recvBuf)+1);
int oriLen=strlen(recvBuf)-1;
cout<<"strlen(recvBuf)="<<oriLen<<endl;
int total_get=0;
while (total_get<oriLen)
{
//cout<<"開始讀"<<endl;
char recvBuf2[1024];
read(fd,recvBuf2,sizeof(recvBuf2));
total_get+=10;
cout<<"total_get="<<total_get<<" strlen(recvBuf)="<<oriLen<<endl;
printf("recv buf: %s\n", recvBuf2);
if (total_get>=oriLen)
{
cout<<"out"<<endl;
break;
}
}
sleep(1);
}
close(fd);
return 0;
}
邊沿模式
有事件只通知一次，后續(xù)一次處理沒解決玩的內(nèi)容需要程序員自己解決
- 僅當被監(jiān)控的文件描述符上的狀態(tài)發(fā)生變化時，
epoll才會通知應用程序。 - 當文件描述符上有數(shù)據(jù)可讀或可寫時，
epoll會立即通知應用程序，并且保證應用程序能夠全部讀取或寫入數(shù)據(jù)，直到讀寫緩沖區(qū)為空。 - 應用程序需要使用非阻塞I/O來處理事件，以避免阻塞其他文件描述符的事件通知。
- 邊緣觸發(fā)模式適合處理高并發(fā)的網(wǎng)絡通信場景。
實例
服務器端：
// server.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <iostream>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
using namespace std;
int main()
{
// 1. 創(chuàng)建監(jiān)聽的套接字
int lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (lfd == -1)
{
perror("socket");
exit(0);
}
// 2. 將socket()返回值和本地的IP端口綁定到一起
struct sockaddr_in addr;
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons(9996); // 大端端口
// INADDR_ANY代表本機的所有IP, 假設有三個網(wǎng)卡就有三個IP地址
// 這個宏可以代表任意一個IP地址
// 這個宏一般用于本地的綁定操作
addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 這個宏的值為0 == 0.0.0.0
// inet_pton(AF_INET, "192.168.8.161", &addr.sin_addr.s_addr);
int ret = bind(lfd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));
if (ret == -1)
{
perror("bind");
exit(0);
}
// 3. 設置監(jiān)聽
ret = listen(lfd, 128);
if (ret == -1)
{
perror("listen");
exit(0);
}
int epfd = epoll_create(1);
struct epoll_event even;
even.events = EPOLLIN | EPOLLET; //使用邊沿觸發(fā)模式檢測
even.data.fd = lfd;
ret = epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, lfd, &even);
struct epoll_event evens[100]; // 用于接取傳出的內(nèi)容
int len = sizeof(evens) / sizeof(struct epoll_event);
while (1)
{
cout << " 開始等待?。?！" << endl;
int num = epoll_wait(epfd, evens, len, -1);
cout << " 等待結束！?。?
<< " num=" << num << endl;
for (int i = 0; i < num; i++) // 取出所有的檢測到的事件
{
int curfd = evens[i].data.fd;
if (evens[i].data.fd == lfd)
{
struct sockaddr_in *add;
int len = sizeof(struct sockaddr_in);
int cfd = accept(evens[i].data.fd, NULL, NULL);
// 將這個文件標識符改為非阻塞模式
int flag = fcntl(cfd, F_GETFL); // 獲取該文件描述符的狀態(tài)標志
flag = O_NONBLOCK; // 設置為 O_NONBLOCK，即非阻塞模式。
fcntl(cfd, F_SETFL, flag); // 將新的狀態(tài)標志設置為非阻塞模式。
struct epoll_event even;
even.events = EPOLLIN | EPOLLET;//使用邊沿觸發(fā)模式檢測
even.data.fd = cfd;
// 將接收到的cfd放入epoll檢測的紅黑樹當中
ret = epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, cfd, &even);
if (ret == -1)
{
cout << "登錄失敗" << endl;
}
else
{
cout << "登陸成功，已加入紅黑樹" << endl;
}
}
else
{
// 接收數(shù)據(jù)
char buf[10];
memset(buf, 0, sizeof(buf));
cout << "正在讀！?。?！" << endl;
while (1) // 應對Epoll的ET模式而用的循環(huán)read，read要將文件標識符改為非阻塞版本
{
int len = read(evens[i].data.fd, buf, sizeof(buf));
if (len > 0)
{
// 發(fā)送數(shù)據(jù)
if (len <= 2)
{
cout << " out!!" << endl;
break;
}
printf("客戶端say: %s\n", buf);
write(evens[i].data.fd, buf, len);
sleep(0.1);
}
else if (len == 0)
{
printf("客戶端斷開了連接...\n");
ret = epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, evens[i].data.fd, NULL);
close(curfd);
break;
}
else
{
perror("read");
//ret = epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, evens[i].data.fd, NULL);
//close(curfd);
if (errno == EAGAIN)
{
cout << "接收完畢！" << endl;
break;
}
// break;
}
}
}
}
}
return 0;
}
客戶端：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <iostream>
using namespace std;
int main() //網(wǎng)絡通信的客戶端
{
// 1 創(chuàng)建用于通信的套接字
int fd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
if(fd==-1)
{
perror("socket");
exit(0);
}
// 2 連接服務器
struct sockaddr_in addr;
addr.sin_family=AF_INET; //ipv4
addr.sin_port=htons(9996);// 服務器監(jiān)聽的端口, 字節(jié)序應該是網(wǎng)絡字節(jié)序
inet_pton(AF_INET,"127.0.0.1",&addr.sin_addr.s_addr);
int ret=connect(fd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr));
if(ret==-1)
{
perror("connect");
exit(0);
}
//通信
while (1)
{
//讀數(shù)據(jù)
char recvBuf[1024];
//寫數(shù)據(jù)
fgets(recvBuf,sizeof(recvBuf),stdin);
write(fd,recvBuf,strlen(recvBuf)+1);
int oriLen=strlen(recvBuf)-1;
cout<<"strlen(recvBuf)="<<oriLen<<endl;
int total_get=0;
while (total_get<oriLen)
{
//cout<<"開始讀"<<endl;
char recvBuf2[1024];
read(fd,recvBuf2,sizeof(recvBuf2));
total_get+=10;
cout<<"total_get="<<total_get<<" strlen(recvBuf)="<<oriLen<<endl;
printf("recv buf: %s\n", recvBuf2);
if (total_get>=oriLen)
{
cout<<"out"<<endl;
break;
}
}
sleep(1);
}
close(fd);
return 0;
}
邊沿模式需要注意的點
由于邊沿模式只通知一次事件發(fā)生，所以當我們服務器端接收來自客戶端的較為長的內(nèi)容時，可能會出現(xiàn)，一次無法完全接收的情況。而邊沿模式又只通知一次，所以此時沒讀取完的內(nèi)容可能無法及時讀取。為了應對這個問題，我們可以采取循環(huán)接收的方法，如：
while (1) // 應對Epoll的ET模式而用的循環(huán)read，
{
int len = read(evens[i].data.fd, buf, sizeof(buf));
if (len > 0)
{
// 發(fā)送數(shù)據(jù)
}
else if (len == 0)
{
printf("客戶端斷開了連接...\n");
break;
}
else
{
perror("read");
break;
}
}應用程序在處理事件時需要使用非阻塞I/O，確保能夠立即處理事件并避免阻塞其他事件的通知。需要注意將被監(jiān)控的文件描述符設置為非阻塞狀態(tài)，以確保事件的及時處理?？梢允褂?code>fcntl函數(shù)的O_NONBLOCK標志來將文件描述符設置為非阻塞模式。（因為如果不設置為非阻塞模式的話，服務器端在循環(huán)讀取客戶端發(fā)來的內(nèi)容時，如果讀完了內(nèi)容，應用程序就會阻塞在read函數(shù)部分）將其設置為非阻塞模式后，我們在讀取完內(nèi)容之后，就可以根據(jù)read返回的EAGAIN錯誤（接收緩沖區(qū)為空時會報）來跳出循環(huán)。設置方式如下：
int cfd = accept(evens[i].data.fd, NULL, NULL); // 將這個文件標識符改為非阻塞模式 int flag = fcntl(cfd, F_GETFL); // 獲取該文件描述符的狀態(tài)標志 flag = O_NONBLOCK; // 設置為 O_NONBLOCK，即非阻塞模式。 fcntl(cfd, F_SETFL, flag); // 將新的狀態(tài)標志設置為非阻塞模式。 struct epoll_event even; even.events = EPOLLIN | EPOLLET; //使用邊沿觸發(fā)模式檢測讀緩沖區(qū) even.data.fd = cfd; // 將接收到的cfd放入epoll檢測的紅黑樹當中 ret = epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, cfd, &even);
退出時判斷的EAGAIN錯誤，存在erron.h庫中。errno（error number）是C語言標準庫（C Standard Library）提供的一個全局變量，用于表示上一次發(fā)生的錯誤代碼。errno庫提供了一些宏定義和函數(shù)，用于獲取和處理錯誤代碼。需要注意的是，errno是全局變量，在多線程環(huán)境下需要注意線程安全。如：
while (1) // 應對Epoll的ET模式而用的循環(huán)read，
{
int len = read(evens[i].data.fd, buf, sizeof(buf));
if (len > 0)
{
// 發(fā)送數(shù)據(jù)
}
else if (len == 0)
{
printf("客戶端斷開了連接...\n");
break;
}
else
{
perror("read");
if (errno == EAGAIN) //判斷是否讀取完畢
{
cout << "接收完畢！" << endl;
break;
}
}
}整體工程與線程池版本可以參考：https://github.com/BanLi-Official/CppEpoll
參考資料
感謝蘇丙榅大佬的教程
（C++通訊架構學習筆記）：epoll介紹及原理詳解_c++ epoll-CSDN博客
C++網(wǎng)絡編程select函數(shù)原理詳解_c++ select-CSDN博客
到此這篇關于C++中IO多路復用(select、poll、epoll)的實現(xiàn)的文章就介紹到這了,更多相關C++ IO多路復用內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章希望大家以后多多支持腳本之家！
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