C++网络编程实践：使用C++11基于epoll技术实现一个超大并发TCP服务器 ...

东湖之滨 · 2024-8-5 21:52:41

理解epoll

epoll 是一种 I/O 复用技术，它允许一个线程有用地管理多个文件描述符（在本例中为套接字），而无需为每个连接创建单独的线程。这是通过事件驱动的方式来实现的，epoll 可以大概通知你哪些套接字已经预备好进行读写操纵。
在传统的基于线程的模子中，每当有一个新的连接，服务器就会创建一个新的线程来处理这个连接。这种方法在连接数量较少时工作良好，但在高并发场景下会碰到线程上下文切换开销大、系统资源斲丧过多等问题。
相比之下，epoll 允许你在一个线程中处理数千乃至数百万个连接，而不会因为线程管理带来额外的开销。epoll 通过注册事件（如 EPOLLIN 表示可读，EPOLLOUT 表示可写）来监控多个套接字。当某些套接字预备好时，epoll_wait 函数会立刻返回这些套接字的列表，然后服务器可以依次处理这些事件，而无需创建新线程。
使用epoll的优势

使用 epoll 进行网络编程相比于传统的 select 和 poll 方法具有显著的优势，尤其在处理大量并发连接的场景下更为显着

高服从： epoll 使用更高效的数据布局和算法，例如基于红黑树的实现，使得它在处理大量文件描述符时服从远高于 select 和 poll。它可以大概快速查找和更新事件状态，减少了系统调用的次数和上下文切换的开销。
扩展性： epoll 支持水平触发（Level Triggered, LT）和边缘触发（Edge Triggered, ET）两种模式。ET 模式下，epoll 只在事件首次发生时陈诉，这可以减少不必要的事件陈诉，提高服从。LT 模式则允许重复陈诉事件直到被处理。
节省资源： epoll 不必要为每一个文件描述符维护一个内核数据布局，而是使用一个文件描述符来管理多个连接，如许减少了内存使用和系统资源的斲丧。
无连接数限制： select 的最大限制是受 FD_SETSIZE 的束缚，而 epoll 没有硬性的连接数限制，理论上可以处理成千上万乃至更多数量的并发连接。
准确的超时控制： epoll 提供了更准确的超时控制，这对于必要高精度超时的网络应用尤为告急。
低延迟和高吞吐量： epoll 的事件通知机制允许快速响应网络事件，降低延迟并提高整体吞吐量。
事件驱动模子： epoll 基于事件驱动，这意味着只有当套接字上的事件真正发生时才会有通知，这制止了轮询全部连接所带来的开销。
支持多路复用： epoll 可以同时处理多个套接字的读写事件，使得服务器可以有用地处理大量并发哀求，而无需为每个连接创建额外的线程或历程。
低内存拷贝开销：在处理事件时，epoll 可以直接访问内核中的数据布局，减少了用户空间和内核空间之间不必要的内存拷贝。
机动的通知机制： epoll 允许应用程序注册差别类型的事件，包括读事件、写事件等，以及错误条件和挂起事件。

代码样例

下面用epoll技术实现一个TCP服务器，详细方法和思绪看注释

#include <iostream>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h> // socket, bind, listen, accept
#include <netinet/in.h> // sockaddr_in
#include <arpa/inet.h> // inet_addr
#include <fcntl.h> // fcntl
#include <errno.h>
#include <sys/epoll.h> // epoll
#include <unordered_map>
#include <string>
#include <vector>
#define MAX_EVENTS 3000
class TCPServer {
public:
//构造函数
TCPServer(int port) : listenSocket(-1), port(port){}
~TCPServer() {
if (listenSocket != -1)
close(listenSocket);
}
void start() {
initSocket();
setupEpoll();
listen(listenSocket, SOMAXCONN);
std::cout << "Server started on port " << port << std::endl;
run();
}
private:
int listenSocket;
int epollFd;
int port;
int msgCount;
/**
* 初始化监听套接字
* 该函数创建一个监听套接字，并将其绑定到指定的IP地址和端口上。
* 如果创建或绑定套接字时发生错误，程序将输出错误信息并退出。
*/
void initSocket() {
// 创建一个流式套接字
listenSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (listenSocket == -1) {
perror("Error creating socket");
exit(EXIT_FAILURE);
}
// 设置套接字选项，允许重复使用地址
// 这在重启服务时特别有用，可以避免因为地址还处于TIME_WAIT状态而无法绑定
int optval = 1;
setsockopt(listenSocket, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &optval, sizeof(optval));
// 初始化sockaddr_in结构体，用于指定套接字要绑定的地址和端口
struct sockaddr_in addr;
memset(&addr, 0, sizeof(addr));
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons(port);
addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
// 将套接字绑定到指定的地址和端口上
if (bind(listenSocket, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr)) == -1) {
perror("Error binding socket");
close(listenSocket);
exit(EXIT_FAILURE);
}
}
/**
* 演示epoll的使用
* 初始化epoll监听结构体
* 本函数用于创建epoll实例，并将监听socket添加到epoll中，以非阻塞方式监听客户端连接请求。
*
* @note 如果创建epoll实例或添加监听socket到epoll中失败，程序将退出。
*/
void setupEpoll() {
// 创建epoll实例
epollFd = epoll_create1(0);
if (epollFd == -1) {
// 如果创建失败，输出错误信息，关闭监听socket，并退出程序
perror("Error creating epoll instance");
close(listenSocket);
exit(EXIT_FAILURE);
}
struct epoll_event ev;
// 设置epoll事件类型为可读事件和边缘触发
ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;
// 将监听socket关联到epoll事件中
ev.data.fd = listenSocket;
if (epoll_ctl(epollFd, EPOLL_CTL_ADD, listenSocket, &ev) == -1) {
// 如果添加监听socket到epoll失败，输出错误信息，关闭监听socket和epoll实例，并退出程序
perror("Error adding listen socket to epoll");
close(listenSocket);
close(epollFd);
exit(EXIT_FAILURE);
}
// 将监听socket设置为非阻塞模式
fcntl(listenSocket, F_SETFL, O_NONBLOCK);
}
/**
* 主循环，负责监听和处理客户端连接。
* 该循环将持续运行，直到发生无法恢复的错误。
* 它通过epoll_wait监控客户端连接和已建立的连接上的活动。
*/
void run() {
while (true) {
// 准备接收epoll_wait返回的事件。
std::vector<struct epoll_event> events(MAX_EVENTS);
// 调用epoll_wait阻塞，直到有事件发生或超时。超时时间为-1，表示无限等待。
int numEvents = epoll_wait(epollFd, events.data(), MAX_EVENTS, -1);
// 检查epoll_wait调用是否失败。
if (numEvents == -1) {
perror("Error in epoll_wait");
break;
}
// 遍历发生的事件，区分监听套接字和客户端套接字的事件。
for (int i = 0; i < numEvents; ++i) {
// 如果事件来源是监听套接字，则处理新的客户端连接请求。
if (events[i].data.fd == listenSocket) {
handleNewConnection();
}
else {
// 如果事件来源是已建立的客户端套接字，则处理客户端的请求或数据。
handleClient(events[i].data.fd);
}
}
}
}
/**
* 接收新连接
*/
void handleNewConnection() {
int clientSocket = accept(listenSocket, nullptr, nullptr);
if (clientSocket == -1) {
if (errno != EAGAIN && errno != EWOULDBLOCK) {
perror("Error accepting new connection");
}
return;
}
//添加到epoll中
struct epoll_event ev;
ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;
ev.data.fd = clientSocket;
if (epoll_ctl(epollFd, EPOLL_CTL_ADD, clientSocket, &ev) == -1) {
perror("Error adding client socket to epoll");
close(clientSocket);
return;
}
//设置非阻塞模式
fcntl(clientSocket, F_SETFL, O_NONBLOCK);
struct sockaddr_in addr;
socklen_t len = sizeof(addr);
getpeername(clientSocket, (struct sockaddr*)&addr, &len);
std::string address = inet_ntoa(addr.sin_addr);
std::cout << "Client connected " << address << std::endl;
}
/**
* 处理客户端消息
*/
void handleClient(int clientSocket) {
ssize_t bytesRead = read(clientSocket, buffer, sizeof(buffer) - 1);
if (bytesRead == -1) {
if (errno != EAGAIN && errno != EWOULDBLOCK) {
perror("Error reading from client");
}
return -1;
}else if(bytesRead == 0){
close(clientSocket);
epoll_ctl(epollFd, EPOLL_CTL_DEL, clientSocket, nullptr);
std::cout << "Client Disconnected " << std::endl;
return 0;
}
std::cout << "Received data " << bytesRead << std::endl;
//回复一些数据
//write(clientSocket, buffer, len);
}
};
int main(int argc, char* argv[]) {
int PORT = 8080;
if (argc >= 2) {
PORT = std::atoi(argv[1]);
}
TCPServer server(PORT);
server.start();
return 0;
}

复制代码

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