epoll实现并发服务器

商道如狼道 · 2024-11-2 02:14:29

1、epoll是什么

epoll 是 Linux 上一种高性能的多路复用机制，用于监视大量文件形貌符并在它们停当时关照应用程序。它是在 select 和 poll 的底子上进一步优化和改进而来的。
2、epoll的特点

1.没有文件形貌符数量限制：
与 select 和 poll 差别，epoll 接纳了基于事件的停当关照机制，没有预界说的文件形貌符数量限制，可以支持更大规模的并发连接。
2.高效的事件关照：
epoll 使用了内核和用户空间共享的事件数据结构，将文件形貌符的事件注册到内核空间，当事件停当时，内核直接将停当的事件关照给用户空间，制止了每次调用都须要遍历整个文件形貌符数组的性能开销。
3.分离的停当事件集合：
epoll 将停当的事件从内核空间复制到用户空间，形成一个分离的停当事件集合，用户可以直接遍历这个集合来处置惩罚停当的事件，而不须要遍历整个文件形貌符数组。
4.支持边沿触发和程度触发：
epoll 提供了两种模式来处置惩罚事件，一种是边沿触发模式（EPOLLET），只在状态发生变革时关照应用程序，另一种是程度触发模式（默认），在事件停当期间一直关照应用程序。
5.更低的内存拷贝开销：
epoll 使用内存映射技能，制止了每次调用都须要将事件数据从内核复制到用户空间的开销，从而淘汰了系统调用的次数和内存拷贝的开销。
6.支持较高精度的超时控制：
与 poll 差别，epoll 的超时参数以毫秒和纳秒为单位，提供了较高精度的超时控制。
总体来说：epoll 在性能上相比于 select 和 poll 有较大的上风，特别适用于高并发场景下的网络编程。它的高效事件停当关照、支持大规模并发连接、较低的内存拷贝开销以及较高的超时精度，使得它成为开辟高性能服务器和网络应用的首选机制。
3、epoll实现高并发原理

在Linux内核中，epoll使用红黑树作为其重要的数据结构，用于维护注册的文件形貌符集合。红黑树是一种自平衡的二叉搜索树，具有较快的插入、删除和搜索操作的时间复杂度。通过使用红黑树，epoll能够高效地检索和管理大量的文件形貌符。
当文件形貌符发生事件时，epoll通过红黑树的查找操作快速定位到相应的结点，并触发注册的回调函数举行事件处置惩罚。使用红黑树的原因是它可以或许保持良好的平衡性，保证搜索、插入和删除操作的最坏情况时间复杂度为O（log n），从而保证了epoll的高性能和可伸缩性。
总结来说，epoll是利用红黑树作为其底层数据结构实现的，这使得它在处置惩罚大量并发连接时可以或许提供高效的事件关照机制。
4、epoll相关函数

1、epoll_create

（1）epoll_create函数原型：
int epoll_create(int size);
功能：epoll_create 函数创建一个 epoll 实例，并返回一个文件形貌符，用于标识该 epoll 实
例。
  2、epoll_ctl

（2）epoll_ctl函数原型：
  int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
  功能：操作epoll实例
  3、epoll_wait

（3）epoll_wait()函数原型：
  int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);
  功能：等候epoll 文件形貌符的IO事件
  5、epoll实现并发服务器的步调

当使用epoll实现并发服务器时，通常的步调包罗以下几个重要环节：
1.创建socket：使用socket函数创建一个监听套接字，用于接受客户端的连接请求。
2.绑定socket：使用bind函数将监听套接字绑定到一个特定的IP所在和端口。
3.监听连接：使用listen函数开始监听连接请求，指定服务器可接受的最大连接数。
4.创建epoll实例：使用epoll_create函数创建一个epoll实例，返回一个文件形貌符。
5.将监听套接字添加到epoll实例：使用epoll_ctl函数将监听套接字添加到epoll实例中，并注册对读事件的关注（默以为程度触发）。
6.进入事件循环：循环调用epoll_wait函数来等候事件的发生，该函数会壅闭当进步程直至有事件发生。一旦有事件发生，它将返回一个停当事件的列表。
7.处置惩罚停当事件：遍历停当事件列表，对每个事件举行处置惩罚。根据事件类型，可以举行接受连接、读取数据、发送数据或关闭连接等操作。
8.根据须要添加或删除文件形貌符：在处置惩罚完一个事件后，可以根据须要使用epoll_ctl函数动态地添加或删除文件形貌符，以便继续监听其他事件。
9.重复步调6-8：继续循环实行步调6-8，处置惩罚新的停当事件，直到服务器主动关闭或出现错误条件为止。
6、使用epoll实现并发服务器的代码

1、net.h

#ifndef _NET_H_
#define _NET_H_
//定义枚举，表示返回值
enum VALUE_RET
{
QUIT = -9,
SOCK_ERROR = -8,
BIND_ERROR,
LISTEN_ERROR,
ACCEPT_ERROR,
SEND_ERROR,
RECV_ERROR,
CONNECT_ERROR,
ERROR,
OK
};
//添加所需的头文件以及函数声明
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <string.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdlib.h>
#include <strings.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int server_initial_func(const char *IP, const char *Port);
int client_initial_func(const char *IP, const char *Port);
int server_com_func(int newfd);
void parseString_func(char *buf, char **result);
#endif

复制代码

2、client.c

#include "./net.h"
int client_initial_func(const char *IP, const char *Port)
{
//创建套接字
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if(sockfd < 0)
{
perror("socket error");
return SOCK_ERROR;
}
printf("socket ok!\n");
//定义地址信息结构，存储服务器的IP地址和端口号
struct sockaddr_in serverAddr;
//清空
memset(&serverAddr, '\0', sizeof(serverAddr));
//赋值
serverAddr.sin_family = AF_INET;
serverAddr.sin_port = htons((short)atoi(Port));
serverAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(IP);
//发起连接请求
int ret = connect(sockfd, (struct sockaddr *)&serverAddr, sizeof(serverAddr));
if(ret < 0)
{
perror("connect error");
return CONNECT_ERROR;
}
printf("connect ok!\n");
return sockfd;
}
int client_com_func(int sockfd)
{
int send_count = 0, recv_count = 0;
int wr_count = 0, rd_count = 0;
//请求客户端，完成业务办理
char func[20] = {0};
char data[20] = {0};
char buf[1024] = {0};
char Data[1024] = {0};
printf("请输入办理的业务和数据:");
scanf("%s%*c", func);
scanf("%s", data);
//将func和data写入到buf中，发送给服务器
sprintf(buf, "%s#%s",func, data);
send_count = send(sockfd, buf, strlen(buf), 0);
if(send_count < 0)
{
perror("send func+data to server error");
return ERROR;
}
printf("send func+data to server ok!\n");
//挑选业务执行的空间
if(0 == strncasecmp("download", func, 8))
{
//下载
recv_count = recv(sockfd, Data, sizeof(Data), 0);
if(recv_count < 0){
perror("recv error");
return ERROR;
}
//解析Data
char *result[4] = {NULL};
parseString_func(Data, result);
printf("服务器回应:业务编号%s 业务数据%s\n",result[0], result[1]);
if(0 == strncasecmp("FILESIZE", result[0], 8))
{
//可以接收result[1]作为所需下载资源的大小
long filesize = atol(result[1]);
printf("服务器发送的资源大小为:%ld个字节!\n",filesize);
//只写方式打开下载的文件
int fw = open(data, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0664);
if(fw < 0){
perror("open error");
return ERROR;
}
printf("open_write %s ok!\n",data);
char Message[512] = {0};
while(1)
{
//判断可读字节数是否为0
if(0 == filesize)
{
printf("下载成功!\n");
break;
}
memset(Message, 0, sizeof(Message));
//接收
recv_count = recv(sockfd, Message, sizeof(Message), 0);
if(recv_count < 0){
perror("recv error");
return ERROR;
}
else{
printf("成功接收服务器发送%d个字节,即将写入...\n", recv_count);
//写入
wr_count = write(fw, Message, recv_count);
if(wr_count < 0)
{
perror("write error");
return ERROR;
}
else if(0 == wr_count){
printf("nothing was be written...\n");
return ERROR;
}
else{
printf("本次写入到文件成功，共计写入%d个字节!\n",wr_count);
}
//更新filesize的可读字节数
filesize -= wr_count;
printf("剩余%ld个字节未被读取...\n", filesize);
}
printf("**************************************\n");
}
}
}
return OK;
}
//void parseString_func(char buf[], char *result[]);
void parseString_func(char *buf, char **result)//download#1.txt
{
//将buf的首地址存储在result[0]
int index = 0;
result[index++] = buf;
while(*buf)
{
//判断*buf是否为'#'
if('#' == *buf)
{
*buf = '\0';
buf++;
result[index++] = buf;
}
else
{
buf++;
}
}
return;
}
int main(int argc, const char *argv[])
{
//搭建TCP客户端
//客户端端初始化
int sockfd = client_initial_func(argv[1], argv[2]);
if(sockfd < 0)
{
return ERROR;
}
printf("server_initial success!\n");
//通信
while(1)
{
if(client_com_func(sockfd) < 0)
{
break;
}
}
//关闭套接字
close(sockfd);
return 0;
}

复制代码

3、server.c

#include "./net.h"
int server_initial_func(const char *IP, const char *Port)
{
//创建套接字
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if(sockfd < 0)
{
perror("socket error");
return SOCK_ERROR;
}
printf("socket ok!\n");
//定义地址信息结构，存储服务器的IP地址和端口号
struct sockaddr_in serverAddr;
//清空
memset(&serverAddr, '\0', sizeof(serverAddr));
//赋值
serverAddr.sin_family = AF_INET;
serverAddr.sin_port = htons((short)atoi(Port));
serverAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(IP);
//绑定IP地址和端口
if(bind(sockfd, (struct sockaddr *)&serverAddr, sizeof(serverAddr)) < 0)
{
perror("bind error");
return BIND_ERROR;
}
printf("bind IP+Port ok!\n");
//创建监听队列
if(listen(sockfd, 5) < 0)
{
perror("listen error");
return LISTEN_ERROR;
}
printf("listening......\n");
return sockfd;
}
int server_com_func(int newfd)
{
//处理客户端的业务
char buf[1024] = {0};
char Data[1024] = {0};
int send_count = 0, recv_count = 0;
int wr_count = 0, rd_count = 0;
int ret = recv(newfd, buf, sizeof(buf), 0);
if(ret < 0){
perror("recv function+data error");
return ERROR;
}
printf("客户端业务+数据:%s\n",buf);
//解析buf，拿到业务编号以及数据
char *result[4] = {NULL};
parseString_func(buf, result);
//解析结果呈现
printf("业务：%s\t业务数据:%s\n", result[0],result[1]);
//根据业务进入不同操作空间
if(0 == strncasecmp("logon", result[0], 5))
{
//登陆
printf("登陆中...\n");
}
else if(0 == strncasecmp("register", result[0], 8))
{
//注册
printf("注册中...\n");
}
else if(0 == strncasecmp("download", result[0], 8))
{
//上传
//获取客户端指定下载文件的大小
struct stat MyStat;
long filesize = 0;
if(lstat(result[1], &MyStat) < 0)
{
perror("lstat error");
return ERROR;
}
printf("测试%s文件属性OK!\n", result[1]);
//获取大小，赋值给filesize
filesize = MyStat.st_size;
printf("成功获取的文件%s大小为:%ld个字节\n", \
result[1], filesize);
//将filesize发送给客户端（带上业务编号:FILESIZE）
memset(Data, '\0', sizeof(Data));
sprintf(Data, "FILESIZE#%ld", filesize);
//发送Data的内容(发送有效字符个数-->15个)
send_count = send(newfd, Data, strlen(Data), 0);
//send_count = send(newfd, Data, sizeof(Data), 0);
if(send_count < 0)
{
perror("send filesize to client error");
return ERROR;
}
printf("send filesize to client success!\n");
//延时1秒
sleep(1);
//只读打开result[1]
int fr = open(result[1], O_RDONLY);
if(fr < 0){
perror("open_read error");
return ERROR;
}
printf("open_read ok!\n");
//循环，边读边发
char Message[512] = {0};
while(1)
{
memset(Message, 0,sizeof(Message));
//读取
rd_count = read(fr, Message, sizeof(Message));
if(rd_count < 0){
perror("read error");
return ERROR;
}
else if(0 == rd_count){
//读取到文件末尾
printf("上传成功!\n");
break;
}
else{
printf("本次读取成功，共计读取%d个字节!\n",rd_count);
//发送读取的字节内容给客户端
send_count = send(newfd, Message, rd_count, 0);
if(send_count < 0)
{
perror("send data to client error");
return ERROR;
}
printf("send ok! 共计发送%d个字节!\n",send_count);
}
printf("*************************************\n");
}
}
else
{
printf("业务无法响应~\n");
return ERROR;
}
return OK;
}
//void parseString_func(char buf[], char *result[]);
void parseString_func(char *buf, char **result)//download#1.txt
{
//将buf的首地址存储在result[0]
int index = 0;
result[index++] = buf;
while(*buf)
{
//判断*buf是否为'#'
if('#' == *buf)
{
*buf = '\0';
buf++;
result[index++] = buf;
}
else
{
buf++;
}
}
return;
}
int main(int argc, const char *argv[])
{
//搭建TCP服务器
//服务器端初始化
int listenfd = server_initial_func(argv[1], argv[2]);
if(listenfd < 0)
{
return ERROR;
}
printf("server_initial success!\n");
//epoll实现并发服务器
int epfd = epoll_create(12);
if(-1 == epfd)
{
perror("epoll_create error");
return -1;
}
printf("epoll_create ok!\n");
//5、将监听套接字加入到epoll实例中（注册在红黑树中）
//定义epoll事件结构体变量
struct epoll_event event;
//赋值
event.events = EPOLLIN;//EPOLLIN表示对于其可读事件感兴趣默认为水平触发
event.data.fd = listenfd;
if(epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, listenfd, &event) == -1)
{
perror("add listenfd error");
return -1;
}
printf("add lisenfd ok!");
//6、进入事件循环
//定义数组，存储就绪的所有描述符
struct epoll_event events[MAXEVENTS];
//定义保存连接成功的新的客户端的地址信息
struct sockaddr_in newClientAddr;
memset(&newClientAddr, 0, sizeof(newClientAddr));
int len_NewClient = sizeof(newClientAddr);
int newfd;//存储每一连接成功的客户端对应的套接字
while(1)
{
//等待就绪事件发生
int numEventsReady = epoll_wait(epfd, events, MAXEVENTS, -1);//-1代表阻塞等待
if(-1 == numEventsReady)
{
perror("epoll_wait error");
return -1;
}
printf("有事件就绪，准备处理...\n");
//根据返回值numEventsReady去遍历数组events
int i;
for(i=0; i<numEventsReady; i++)
{
//判断事件类型（监听套接字就绪or通信套接字就绪）
if(listenfd == events[i].data.fd)
{
//有新的客户端发来了连接请求
//获取与新的客户端通信的套接字newfd;
newfd = accept(events[i].data.fd, (struct sockaddr *)&newClientAddr, &len_NewClient);
if(newfd < 0)
{
perror("accept new client error");
return -1;
}
printf("新客户端newfd = %d连接服务器成功, IP = %s\tPort = %d\n", \
newfd, inet_ntoa(newClientAddr.sin_addr), ntohs(newClientAddr.sin_port));
//将新的newfd注册
event.events = EPOLLIN;//EPOLLIN表示对于其可读事件感兴趣默认为水平触发
event.data.fd = newfd;
if(epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, newfd, &event) == -1)
{
perror("add newfd error");
return -1;
}
printf("注册newfd = %d 到epoll实力中 ok!\n", newfd);
}
else
{
//有客户端需要业务处理
printf("客户端newfd = %d发来了业务，请求处理~\n", events[i].data.fd);
if(server_com_func(events[i].data.fd) < 0)
{
//将该客户端的套接字从epoll实例（红黑树中）删除
if(epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, events[i].data.fd, &events[i]) == -1)
{
perror("delete error");
return -1;
}
printf("从epoll实例中删除fd = %d的客户端套接字成功!\n", events[i].data.fd);
//关闭套接字
close(events[i].data.fd);
}
}
}
}
return 0;
}

复制代码

恁可以在Linux下建立一个epoll文件，再创建两个子文件。一个为server文件夹，存放server.c和net.h；另一个为client文件夹，存放client.c和net.h。
在server文件夹下，gcc server.c -o s，天生可实行文件s，再运行：./s 127.0.0.1 6666
127.0.0.1为ip 6666可以在1024~49151里随意选择。
在client文件夹下，gcc client.c -o c，天生可实行文件c，再运行：./c 127.0.0.1 6666
127.0.0.1为ip 6666可以在1024~49151里随意选择。
可以运行多个客户端，实现并发服务器。上面代码实现了文件的下载！
在客户端中使用download 文件名，下载server文件夹内已有的文件。

如图

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