From 5a47b86471c6cba16ced11b608f5befe42c4747c Mon Sep 17 00:00:00 2001 From: riba2534 Date: Fri, 1 Feb 2019 18:51:41 +0800 Subject: [PATCH] =?UTF-8?q?17.3=20=E4=B9=A0=E9=A2=98?= MIME-Version: 1.0 Content-Type: text/plain; charset=UTF-8 Content-Transfer-Encoding: 8bit --- README.md | 229 ++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++ ch17/echo_EDGEserv.c | 96 ++++++++++++++++++ ch17/echo_EPETserv.c | 115 +++++++++++++++++++++ ch17/echo_EPLTserv.c | 96 ++++++++++++++++++ ch17/echo_epollserv.c | 95 ++++++++++++++++++ 5 files changed, 631 insertions(+) create mode 100644 ch17/echo_EDGEserv.c create mode 100644 ch17/echo_EPETserv.c create mode 100644 ch17/echo_EPLTserv.c create mode 100644 ch17/echo_epollserv.c diff --git a/README.md b/README.md index b8befe4..19c0f4a 100644 --- a/README.md +++ b/README.md @@ -4368,7 +4368,236 @@ epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,sockfd,&event); #### 17.1.6 epoll_wait +下面是函数原型： +```c +#include +int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout); +/* +成功时返回发生事件的文件描述符，失败时返回 -1 +epfd : 表示事件发生监视范围的 epoll 例程的文件描述符 +events : 保存发生事件的文件描述符集合的结构体地址值 +maxevents : 第二个参数中可以保存的最大事件数 +timeout : 以 1/1000 秒为单位的等待时间，传递 -1 时，一直等待直到发生事件 +*/ +``` + +该函数调用方式如下。需要注意的是，第二个参数所指缓冲需要动态分配。 + +```c +int event_cnt; +struct epoll_event *ep_events; +... +ep_events=malloc(sizeof(struct epoll_event)*EPOLL_SIZE);//EPOLL_SIZE是宏常量 +... +event_cnt=epoll_wait(epfd,ep_events,EPOLL_SIZE,-1); +... +``` + +调用函数后，返回发生事件的文件描述符，同时在第二个参数指向的缓冲中保存发生事件的文件描述符集合。因此，无需像 select 一样插入针对所有文件描述符的循环。 + +#### 17.1.7 基于 epoll 的回声服务器端 + +下面是回声服务器端的代码（修改自第 12 章 [echo_selectserv.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch12/echo_selectserv.c)）： + +- [echo_epollserv.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch17/echo_epollserv.c) + +编译运行： + +```shell +gcc echo_epollserv.c -o serv +./serv 9190 +``` + +运行结果： + +![](https://i.loli.net/2019/02/01/5c53f5b6d4acf.png) + +可以看出运行结果和以前 select 实现的和 fork 实现的结果一样，都可以支持多客户端同时运行。 + +但是这里运用了 epoll 效率高于 select + +总结一下 epoll 的流程： + +1. epoll_create 创建一个保存 epoll 文件描述符的空间，可以没有参数 +2. 动态分配内存，给将要监视的 epoll_wait +3. 利用 epoll_ctl 控制 添加 删除，监听事件 +4. 利用 epoll_wait 来获取改变的文件描述符,来执行程序 + +select 和 epoll 的区别： + +- 每次调用 select 函数都会向操作系统传递监视对象信息，浪费大量时间 +- epoll 仅向操作系统传递一次监视对象，监视范围或内容发生变化时只通知发生变化的事项 + +### 17.2 条件触发和边缘触发 + +学习 epoll 时要了解条件触发（Level Trigger）和边缘触发（Edge Trigger）。 + +#### 17.2.1 条件触发和边缘触发的区别在于发生事件的时间点 + +**条件触发的特性**： + +> 条件触发方式中，只要输入缓冲有数据就会一直通知该事件 + +例如，服务器端输入缓冲收到 50 字节数据时，服务器端操作系统将通知该事件（注册到发生变化的文件描述符）。但是服务器端读取 20 字节后还剩下 30 字节的情况下，仍会注册事件。也就是说，条件触发方式中，只要输入缓冲中还剩有数据，就将以事件方式再次注册。 + +**边缘触发特性**： + +边缘触发中输入缓冲收到数据时仅注册 1 次该事件。即使输入缓冲中还留有数据，也不会再进行注册。 + +#### 17.2.2 掌握条件触发的事件特性 + +下面代码修改自 [echo_epollserv.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch17/echo_epollserv.c) 。epoll 默认以条件触发的方式工作，因此可以通过该示例验证条件触发的特性。 + +- [echo_EPLTserv.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch17/echo_EPLTserv.c) + +上面的代码把调用 read 函数时使用的缓冲大小缩小到了 4 个字节，插入了验证 epoll_wait 调用次数的验证函数。减少缓冲大小是为了阻止服务器端一次性读取接收的数据。换言之，调用 read 函数后，输入缓冲中仍有数据要读取，而且会因此注册新的事件并从 epoll_wait 函数返回时将循环输出「return epoll_wait」字符串。 + +编译运行: + +```shell +gcc echo_EPLTserv.c -o serv +./serv 9190 +``` + +运行结果： + +![](https://i.loli.net/2019/02/01/5c540825ae415.png) + +从结果可以看出，每当收到客户端数据时，都回注册该事件，并因此调用 epoll_wait 函数。 + +下面的代码是修改后的边缘触发方式的代码，仅仅是把上面的代码改为： + +```c + event.events = EPOLLIN | EPOLLET; +``` + +代码： + +- [echo_EDGEserv.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch17/echo_EDGEserv.c) + +编译运行： + +```shell +gcc echo_EDGEserv.c -o serv +./serv 9190 +``` + +结果： + +![](https://i.loli.net/2019/02/01/5c54097b6469f.png) + +从上面的例子看出，接收到客户端的消息时，只输出一次「return epoll_wait」字符串，这证明仅注册了一次事件。 + +#### 17.2.3 边缘触发的服务器端必知的两点 + +- 通过 errno 变量验证错误原因 +- 为了完成非阻塞（Non-blocking）I/O ，更改了套接字特性。 + +Linux 套接字相关函数一般通过 -1 通知发生了错误。虽然知道发生了错误，但仅凭这些内容无法得知产生错误的原因。因此，为了在发生错误的时候提额外的信息，Linux 声明了如下全局变量： + +```c +int errno; +``` + +为了访问该变量，需要引入 `error.h` 头文件，因此此头文件有上述变量的 extren 声明。另外，每种函数发生错误时，保存在 errno 变量中的值都不同。 + +> read 函数发现输入缓冲中没有数据可读时返回 -1，同时在 errno 中保存 EAGAIN 常量 + +下面是 Linux 中提供的改变和更改文件属性的办法： + +```c +#include +int fcntl(int fields, int cmd, ...); +/* +成功时返回 cmd 参数相关值，失败时返回 -1 +filedes : 属性更改目标的文件描述符 +cmd : 表示函数调用目的 +*/ +``` + +从上述声明可以看出 fcntl 有可变参数的形式。如果向第二个参数传递 F_GETFL ，可以获得第一个参数所指的文件描述符属性（int 型）。反之，如果传递 F_SETFL ，可以更改文件描述符属性。若希望将文件（套接字）改为非阻塞模式，需要如下 2 条语句。 + +```C +int flag = fcntl(fd,F_GETFL,0); +fcntl(fd,F_SETFL | O_NONBLOCK) +``` + +通过第一条语句，获取之前设置的属性信息，通过第二条语句在此基础上添加非阻塞 O_NONBLOCK 标志。调用 read/write 函数时，无论是否存在数据，都会形成非阻塞文件（套接字）。fcntl 函数的适用范围很广。 + +#### 17.2.4 实现边缘触发回声服务器端 + +通过 errno 确认错误的原因是：边缘触发方式中，接收数据仅注册一次该事件。 + +因为这种特点，一旦发生输入相关事件时，就应该读取输入缓冲中的全部数据。因此需要验证输入缓冲是否为空。 + +> read 函数返回 -1，变量 errno 中的值变成 EAGAIN 时，说明没有数据可读。 + +既然如此，为什么要将套接字变成非阻塞模式？边缘触发条件下，以阻塞方式工作的 read & write 函数有可能引起服务端的长时间停顿。因此，边缘触发方式中一定要采用非阻塞 read & write 函数。 + +下面是以边缘触发方式工作的回声服务端代码： + +- [echo_EPETserv.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch17/echo_EPETserv.c) + +编译运行： + +```shell +gcc echo_EPETserv.c -o serv +./serv +``` + +结果： + +![](https://i.loli.net/2019/02/01/5c542149c0cee.png) + +#### 17.2.5 条件触发和边缘触发孰优孰劣 + +边缘触发方式可以做到这点： + +> 可以分离接收数据和处理数据的时间点！ + +下面是边缘触发的图 + +![](https://i.loli.net/2019/02/01/5c5421e3b3f2b.png) + +运行流程如下： + +- 服务器端分别从 A B C 接收数据 +- 服务器端按照 A B C 的顺序重新组合接收到的数据 +- 组合的数据将发送给任意主机。 + +为了完成这个过程，如果可以按照如下流程运行，服务端的实现并不难： + +- 客户端按照 A B C 的顺序连接服务器，并且按照次序向服务器发送数据 +- 需要接收数据的客户端应在客户端 A B C 之前连接到服务器端并等待 + +但是实际情况中可能是下面这样： + +- 客户端 C 和 B 正在向服务器发送数据，但是 A 并没有连接到服务器 +- 客户端 A B C 乱序发送数据 +- 服务端已经接收到数据，但是要接收数据的目标客户端并没有连接到服务器端。 + +因此，即使输入缓冲收到数据，服务器端也能决定读取和处理这些数据的时间点，这样就给服务器端的实现带来很大灵活性。 + +### 17.3 习题 + +1. 利用 select 函数实现服务器端时，代码层面存在的两个缺点是？ +2. 无论是 select 方式还是 epoll 方式，都需要将监视对象文件描述符信息通过函数调用传递给操作系统。请解释传递该信息的原因。 +3. select 方式和 epoll 方式的最大差异在于监视对象文件描述符传递给操作系统的方式。请说明具体差异，并解释为何存在这种差异。 +4. 虽然 epoll 是 select 的改进反感，但 select 也有自己的优点。在何种情况下使用 select 更加合理。 +5. epoll 是以条件触发和边缘触发方式工作。二者有何差别？从输入缓冲的角度说明这两种方式通知事件的时间点差异。 +6. 采用边缘触发时可以分离数据的接收和处理时间点。请说明其优点和原因。 +7. + + + + + + + + + + ## License diff --git a/ch17/echo_EDGEserv.c b/ch17/echo_EDGEserv.c new file mode 100644 index 0000000..06735de --- /dev/null +++ b/ch17/echo_EDGEserv.c @@ -0,0 +1,96 @@ +#include +#include +#include +#include +#include +#include +#include + +#define BUF_SIZE 2 +#define EPOLL_SIZE 50 +void error_handling(char *message); + +int main(int argc, char *argv[]) +{ + int serv_sock, clnt_sock; + struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr; + socklen_t adr_sz; + int str_len, i; + char buf[BUF_SIZE]; + + struct epoll_event *ep_events; + struct epoll_event event; + int epfd, event_cnt; + + if (argc != 2) + { + printf("Usage : %s \n", argv[0]); + exit(1); + } + serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0); + memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr)); + serv_adr.sin_family = AF_INET; + serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); + serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1])); + + if (bind(serv_sock, (struct sockaddr *)&serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1) + error_handling("bind() error"); + if (listen(serv_sock, 5) == -1) + error_handling("listen() error"); + + epfd = epoll_create(EPOLL_SIZE); //可以忽略这个参数，填入的参数为操作系统参考 + ep_events = malloc(sizeof(struct epoll_event) * EPOLL_SIZE); + + event.events = EPOLLIN; //需要读取数据的情况 + event.data.fd = serv_sock; + epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, serv_sock, &event); //例程epfd 中添加文件描述符 serv_sock，目的是监听 enevt 中的事件 + + while (1) + { + event_cnt = epoll_wait(epfd, ep_events, EPOLL_SIZE, -1); //获取改变了的文件描述符，返回数量 + if (event_cnt == -1) + { + puts("epoll_wait() error"); + break; + } + + puts("return epoll_wait"); + for (i = 0; i < event_cnt; i++) + { + if (ep_events[i].data.fd == serv_sock) //客户端请求连接时 + { + adr_sz = sizeof(clnt_adr); + clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr *)&clnt_adr, &adr_sz); + event.events = EPOLLIN | EPOLLET; + event.data.fd = clnt_sock; //把客户端套接字添加进去 + epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, clnt_sock, &event); + printf("connected client : %d \n", clnt_sock); + } + else //是客户端套接字时 + { + str_len = read(ep_events[i].data.fd, buf, BUF_SIZE); + if (str_len == 0) + { + epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, ep_events[i].data.fd, NULL); //从epoll中删除套接字 + close(ep_events[i].data.fd); + printf("closed client : %d \n", ep_events[i].data.fd); + } + else + { + write(ep_events[i].data.fd, buf, str_len); + } + } + } + } + close(serv_sock); + close(epfd); + + return 0; +} + +void error_handling(char *message) +{ + fputs(message, stderr); + fputc('\n', stderr); + exit(1); +} diff --git a/ch17/echo_EPETserv.c b/ch17/echo_EPETserv.c new file mode 100644 index 0000000..2d5ec8a --- /dev/null +++ b/ch17/echo_EPETserv.c @@ -0,0 +1,115 @@ +#include +#include +#include +#include +#include +#include +#include +#include +#include + +#define BUF_SIZE 4 //缓冲区设置为 4 字节 +#define EPOLL_SIZE 50 +void setnonblockingmode(int fd); +void error_handling(char *message); + +int main(int argc, char *argv[]) +{ + int serv_sock, clnt_sock; + struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr; + socklen_t adr_sz; + int str_len, i; + char buf[BUF_SIZE]; + + struct epoll_event *ep_events; + struct epoll_event event; + int epfd, event_cnt; + + if (argc != 2) + { + printf("Usage : %s \n", argv[0]); + exit(1); + } + serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0); + memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr)); + serv_adr.sin_family = AF_INET; + serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); + serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1])); + + if (bind(serv_sock, (struct sockaddr *)&serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1) + error_handling("bind() error"); + if (listen(serv_sock, 5) == -1) + error_handling("listen() error"); + + epfd = epoll_create(EPOLL_SIZE); //可以忽略这个参数，填入的参数为操作系统参考 + ep_events = malloc(sizeof(struct epoll_event) * EPOLL_SIZE); + + setnonblockingmode(serv_sock); + event.events = EPOLLIN; //需要读取数据的情况 + event.data.fd = serv_sock; + epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, serv_sock, &event); //例程epfd 中添加文件描述符 serv_sock，目的是监听 enevt 中的事件 + + while (1) + { + event_cnt = epoll_wait(epfd, ep_events, EPOLL_SIZE, -1); //获取改变了的文件描述符，返回数量 + if (event_cnt == -1) + { + puts("epoll_wait() error"); + break; + } + + puts("return epoll_wait"); + for (i = 0; i < event_cnt; i++) + { + if (ep_events[i].data.fd == serv_sock) //客户端请求连接时 + { + adr_sz = sizeof(clnt_adr); + clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr *)&clnt_adr, &adr_sz); + setnonblockingmode(clnt_sock); //将 accept 创建的套接字改为非阻塞模式 + event.events = EPOLLIN | EPOLLET; //改成边缘触发 + event.data.fd = clnt_sock; //把客户端套接字添加进去 + epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, clnt_sock, &event); + printf("connected client : %d \n", clnt_sock); + } + else //是客户端套接字时 + { + while (1) + { + str_len = read(ep_events[i].data.fd, buf, BUF_SIZE); + if (str_len == 0) + { + epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, ep_events[i].data.fd, NULL); //从epoll中删除套接字 + close(ep_events[i].data.fd); + printf("closed client : %d \n", ep_events[i].data.fd); + break; + } + else if (str_len < 0) + { + if (errno == EAGAIN) //read 返回-1 且 errno 值为 EAGAIN ，意味读取了输入缓冲的全部数据 + break; + } + else + { + write(ep_events[i].data.fd, buf, str_len); + } + } + } + } + } + close(serv_sock); + close(epfd); + + return 0; +} + +void error_handling(char *message) +{ + fputs(message, stderr); + fputc('\n', stderr); + exit(1); +} +void setnonblockingmode(int fd) +{ + int flag = fcntl(fd, F_GETFL, 0); + fcntl(fd, F_SETFL, flag | O_NONBLOCK); +} \ No newline at end of file diff --git a/ch17/echo_EPLTserv.c b/ch17/echo_EPLTserv.c new file mode 100644 index 0000000..d45ae19 --- /dev/null +++ b/ch17/echo_EPLTserv.c @@ -0,0 +1,96 @@ +#include +#include +#include +#include +#include +#include +#include + +#define BUF_SIZE 2 +#define EPOLL_SIZE 50 +void error_handling(char *message); + +int main(int argc, char *argv[]) +{ + int serv_sock, clnt_sock; + struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr; + socklen_t adr_sz; + int str_len, i; + char buf[BUF_SIZE]; + + struct epoll_event *ep_events; + struct epoll_event event; + int epfd, event_cnt; + + if (argc != 2) + { + printf("Usage : %s \n", argv[0]); + exit(1); + } + serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0); + memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr)); + serv_adr.sin_family = AF_INET; + serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); + serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1])); + + if (bind(serv_sock, (struct sockaddr *)&serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1) + error_handling("bind() error"); + if (listen(serv_sock, 5) == -1) + error_handling("listen() error"); + + epfd = epoll_create(EPOLL_SIZE); //可以忽略这个参数，填入的参数为操作系统参考 + ep_events = malloc(sizeof(struct epoll_event) * EPOLL_SIZE); + + event.events = EPOLLIN; //需要读取数据的情况 + event.data.fd = serv_sock; + epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, serv_sock, &event); //例程epfd 中添加文件描述符 serv_sock，目的是监听 enevt 中的事件 + + while (1) + { + event_cnt = epoll_wait(epfd, ep_events, EPOLL_SIZE, -1); //获取改变了的文件描述符，返回数量 + if (event_cnt == -1) + { + puts("epoll_wait() error"); + break; + } + + puts("return epoll_wait"); + for (i = 0; i < event_cnt; i++) + { + if (ep_events[i].data.fd == serv_sock) //客户端请求连接时 + { + adr_sz = sizeof(clnt_adr); + clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr *)&clnt_adr, &adr_sz); + event.events = EPOLLIN; + event.data.fd = clnt_sock; //把客户端套接字添加进去 + epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, clnt_sock, &event); + printf("connected client : %d \n", clnt_sock); + } + else //是客户端套接字时 + { + str_len = read(ep_events[i].data.fd, buf, BUF_SIZE); + if (str_len == 0) + { + epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, ep_events[i].data.fd, NULL); //从epoll中删除套接字 + close(ep_events[i].data.fd); + printf("closed client : %d \n", ep_events[i].data.fd); + } + else + { + write(ep_events[i].data.fd, buf, str_len); + } + } + } + } + close(serv_sock); + close(epfd); + + return 0; +} + +void error_handling(char *message) +{ + fputs(message, stderr); + fputc('\n', stderr); + exit(1); +} diff --git a/ch17/echo_epollserv.c b/ch17/echo_epollserv.c new file mode 100644 index 0000000..0a3792a --- /dev/null +++ b/ch17/echo_epollserv.c @@ -0,0 +1,95 @@ +#include +#include +#include +#include +#include +#include +#include + +#define BUF_SIZE 100 +#define EPOLL_SIZE 50 +void error_handling(char *message); + +int main(int argc, char *argv[]) +{ + int serv_sock, clnt_sock; + struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr; + socklen_t adr_sz; + int str_len, i; + char buf[BUF_SIZE]; + + struct epoll_event *ep_events; + struct epoll_event event; + int epfd, event_cnt; + + if (argc != 2) + { + printf("Usage : %s \n", argv[0]); + exit(1); + } + serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0); + memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr)); + serv_adr.sin_family = AF_INET; + serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); + serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1])); + + if (bind(serv_sock, (struct sockaddr *)&serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1) + error_handling("bind() error"); + if (listen(serv_sock, 5) == -1) + error_handling("listen() error"); + + epfd = epoll_create(EPOLL_SIZE); //可以忽略这个参数，填入的参数为操作系统参考 + ep_events = malloc(sizeof(struct epoll_event) * EPOLL_SIZE); + + event.events = EPOLLIN; //需要读取数据的情况 + event.data.fd = serv_sock; + epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, serv_sock, &event); //例程epfd 中添加文件描述符 serv_sock，目的是监听 enevt 中的事件 + + while (1) + { + event_cnt = epoll_wait(epfd, ep_events, EPOLL_SIZE, -1); //获取改变了的文件描述符，返回数量 + if (event_cnt == -1) + { + puts("epoll_wait() error"); + break; + } + + for (i = 0; i < event_cnt; i++) + { + if (ep_events[i].data.fd == serv_sock) //客户端请求连接时 + { + adr_sz = sizeof(clnt_adr); + clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr *)&clnt_adr, &adr_sz); + event.events = EPOLLIN; + event.data.fd = clnt_sock; //把客户端套接字添加进去 + epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, clnt_sock, &event); + printf("connected client : %d \n", clnt_sock); + } + else //是客户端套接字时 + { + str_len = read(ep_events[i].data.fd, buf, BUF_SIZE); + if (str_len == 0) + { + epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, ep_events[i].data.fd, NULL); //从epoll中删除套接字 + close(ep_events[i].data.fd); + printf("closed client : %d \n", ep_events[i].data.fd); + } + else + { + write(ep_events[i].data.fd, buf, str_len); + } + } + } + } + close(serv_sock); + close(epfd); + + return 0; +} + +void error_handling(char *message) +{ + fputs(message, stderr); + fputc('\n', stderr); + exit(1); +}