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如何用C写一个web服务器之I/O多路复用

作者:枕边书

本文主要介绍了如何用C写一个web服务器之I/O多路复用,本次选择了 I/O 模型的优化,因为它是服务器的基础,这个先完成的话,后面的优化就可以选择各个模块来进行,不必进行全局化的改动了。

前言

I/O模型

接触过 socket 编程的同学应该都知道一些 I/O 模型的概念,linux 中有阻塞 I/O、非阻塞 I/O、I/O 多路复用、信号驱动 I/O 和 异步 I/O 五种模型。

其他模型的具体概念这里不多介绍,只简单地提一下自己理解的 I/O 多路复用:简单的说就是由一个进程来管理多个 socket,即将多个 socket 放入一个表中,在其中有 socket 可操作时,通知进程来处理, I/O 多路复用的实现方式有 select、poll 和 epoll。

select/poll/epoll

在 linux下,通过文件描述符(file descriptor, 下 fd)来进行 socket 的操作,所以下文均是对 fd 操作。

首先说最开始实现的 select 的问题:

随着网络技术的发展,出现了 poll:poll 相对于 select,使用 pollfd 表(链表实现) 来代替 fd,它没有上限,但受系统内存的限制,它同样使用 fd 遍历的方式,在并发高时效率仍然是一个问题。

最终,epoll 在 Linux 2.6 的内核面世,它使用事件机制,在每一个 fd 上添加事件,当fd 的事件被触发时,会调用回调函数来处理对应的事件,epoll 的优势总之如下:

为了一步到位,也是为了学习最先进的I/O多路复用模型,直接使用了 epoll 机制,接下来介绍一下 epoll 相关基础和自己服务器的实现过程。

epoll介绍

epoll 需要引入<sys/epoll.h>文件,首先介绍一下 epoll 系列函数:

epoll_create

int epoll_create(int size);

创建一个 epoll 实例,返回一个指向此 epoll 实例的文件描述符,当 epoll 实例不再使用时,需要使用close()方法来关闭它。

在最初的实现中, size 作为期望打开的最大 fd 数传入,以便系统分配足够大的空间。在最新版本的内核中,系统内核动态分配内存,已不再需要此参数了,但为了避免程序运行在旧内核中会有问题,还是要求此值必须大于0;

epoll_ctl

int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

它的结构如下:

typedef union epoll_data {
   void        *ptr;
   int          fd;
   uint32_t     u32;
   uint64_t     u64;
} epoll_data_t;

struct epoll_event {
   uint32_t     events;      /* epoll事件 */
   epoll_data_t data;        /* 事件相关数据 */
};

epoll_wait

int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout); 监听 epoll 事件:

epoll行为

在 epoll_ctl 的 event 参数中,事件 events 有如下可选项:

EPOLLIN(可读)、EPOLLOUT(可写)、EPOLLRDHUP(连接关闭)、EPOLLPRI(紧急数据可读),此外 EPOLLERR(错误),EPOLLHUP(连接挂断)事件会被 epoll 默认一直监听。

除了设置事件外,还可以对监听的行为设置:

当监听事件和行为需求同时设置时,使用运算符 |即可。

代码实现

整体处理逻辑

使用 epoll 时的服务器受理客户端请求逻辑如下:

1.创建服务器 socket,注册服务器 socket 读事件;

2.客户端连接服务器,触发服务器 socket 可读,服务器创建客户端 socket,注册客户端socket 读事件;

3.客户端发送数据,触发客户端 socket 可读,服务器读取客户端信息,将响应写入 socket;

4.客户端关闭连接,触发客户端 socket 可读,服务器读取客户端信息为空,注销客户端 socket 读事件;

erver_fd = server_start();
epoll_fd = epoll_create(FD_SIZE);
epoll_register(epoll_fd, server_fd, EPOLLIN|EPOLLET);// 这里注册socketEPOLL事件为ET模式

while (1) {
    event_num = epoll_wait(epoll_fd, events, MAX_EVENTS, 0);
    for (i = 0; i < event_num; i++) {
        fd = events[i].data.fd;
        // 如果是服务器socket可读,则处理连接请求
        if ((fd == server_fd) && (events[i].events == EPOLLIN)){
            accept_client(server_fd, epoll_fd);
        // 如果是客户端socket可读,则获取请求信息,响应客户端
        } else if (events[i].events == EPOLLIN){
            deal_client(fd, epoll_fd);
        } else if (events[i].events == EPOLLOUT)
            // todo 数据过大,缓冲区不足的情况待处理
            continue;
    }
}

需要注意的是,客户端socket在可读之后也是立刻可写的,我这里直接读取一次请求,然后将响应信息 write 进去,没有考虑读数据时缓冲区满的问题。

这里提出的解决方案为:

1.设置一个客户端 socket 和 buffer 的哈希表;

2.在读入一次信息缓冲区满时 recv 会返回 EAGIN 错误,这时将数据放入 buffer,暂时不响应。

3.后续读事件中读取到数据尾后,再注册 socket 可写事件。

4.在处理可写事件时,读取 buffer 内的全部请求内容,处理完毕后响应给客户端。

5.最后注销 socket 写事件。

设置epoll ET(edge trigger)模式

上文说过,ET模式是 epoll 的高效模式,事件只会通知一次,但处理良好的情况下会更适用于高并发。它需要 socket 在非阻塞模式下才可用,这里我们实现它。

sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

// 获取服务器socket的设置,并添加"不阻塞"选项
flags = fcntl(sock_fd, F_GETFL, 0);
fcntl(sock_fd, F_SETFL, flags|O_NONBLOCK);

.....
// 这里注册服务器socket EPOLL事件为ET模式
epoll_register(epoll_fd, server_fd, EPOLLIN|EPOLLET);

我将处理事件注掉后使用一次客户端连接请求进行了测试,很清晰地说明了 ET模式下,事件只触发一次的现象,前后对比图如下:

小结

Mac OS X 操作系统的某些部分是基于 FreeBSD 的,FreeBSD 不支持,MAC 也不支持(不过有相似的 kqueue),跑到开发机上开发的,作为一个最基础的 C learner, 靠着printf()和fflush()两个函数来调试的,不过搞了很久总算是完成了,有用 C 的前辈推荐一下调试方式就最好了

以上就是如何用C写一个web服务器之I/O多路复用的详细内容,更多关于用C写一个web服务器之I/O多路复用的资料请关注脚本之家其它相关文章!

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