c++网络编程下Linux的epoll技术和Windows下的IOCP模型
作者：aircraft
一、IOCP和Epoll之间的异同
1、异
1).IOCP是WINDOWS系统下使用。Epoll是Linux系统下使用。
2).IOCP是IO操作完毕之后，通过Get函数获得一个完成的事件通知。
Epoll是当你希望进行一个IO操作时，向Epoll查询是否可读或可写，若处于可读或可写状态，Epoll会通过epoll_wait进行通知。
3).IOCP封装了异步的消息事件的通知机制，同时封装了部分IO操作。但Epoll仅仅封装了一个异步事件的通知机制，并不负责IO读写操作。Epoll保持了事件通知和IO操作间的独立性，更加简单灵活。
4).基于上面的描述，我们可以知道Epoll不负责IO操作，所以它只告诉你当前可读可写了，并且将协议读写缓冲填充，由用户去读写控制，此时我们可以做出额外的许多操作。IOCP则直接将IO通道里的读写操作都做完了才通知用户，当IO通道里发生了堵塞等状况我们是无法控制的。
2、同
1).它们都是异步的事件驱动的网络模型。
2).它们都可以向底层进行指针数据传递，当返回事件时，除可通知事件类型外，还可以通知事件相关数据。
二：Epoll理解与应用。
1、epoll是什么？
epoll是当前在Linux下开发大规模并发网络程序的热门人选，epoll 在Linux2.6内核中正式引入，和select相似，都是I/O多路复用(IO multiplexing)技术。
Linux下设计并发网络程序，常用的模型有：
Apache模型（Process Per Connection，简称PPC）
TPC（Thread PerConnection）模型
select模型和poll模型。
epoll模型
2、epoll与select对比优化
基于select的I/O复用技术速度慢的原因：
1)，调用select函数后常见的针对所有文件描述符的循环语句。它每次事件发生需要遍历所有文件描述符，找出发生变化的文件描述符。(以前写的示例没加循环)
2)，每次调用select函数时都需要向该函数传递监视对象信息。即每次调用select函数时向操作系统传递监视对象信息，至于为什么要传？是因为我们监视的套接字变化的函数，而套接字是操作系统管理的。(这个才是最耗效率的)
注释：基于这样的原因并不是说select就没用了，在这样的情况下就适合选用select：1，服务端接入者少 2，程序应具有兼容性。
3、epoll是怎么优化select问题的
1)，每次发生事件它不需要循环遍历所有文件描述符，它把发生变化的文件描述符单独集中到了一起。
2)，仅向操作系统传递1次监视对象信息，监视范围或内容发生变化时只通知发生变化的事项。
实现epoll时必要的函数和结构体:
函数：
epoll_create：创建保存epoll文件描述符的空间，该函数也会返回文件描述符，所以终止时，也要调用close函数。(创建内存空间)
epoll_ctl：向空间注册，添加或修改文件描述符。(注册监听事件)
epoll_wait：与select函数类似，等待文件描述符发生变化。(监听事件回调)
结构体：
struct epoll_event
{
__uint32_t events;
epoll_data_t data;
}
typedef union epoll_data
{
void *ptr;
int fd;
__uinit32_t u32;
__uint64_t u64;
} epoll_data_t;
三、epoll的几个函数的介绍：
1、epoll_create函数
/** * @brief 该函数生成一个epoll专用的文件描述符。它其实是在内核申请一空间，用来存放你想关注的socket fd上是否发生以及发生了什么事件。 * * @param size size就是你在这个epoll fd上能关注的最大socket fd数 * * @return 生成的文件描述符 */ int epoll_create(int size);
2、epoll_ctl函数
/** * @brief 该函数用于控制某个epoll文件描述符上的事件，可以注册事件，修改事件，删除事件。 * * @param epfd 由 epoll_create 生成的epoll专用的文件描述符 * @param op 要进行的操作例如注册事件，可能的取值EPOLL_CTL_ADD 注册、EPOLL_CTL_MOD 修 改、EPOLL_CTL_DEL 删除 * @param fd 关联的文件描述符 * @param event 指向epoll_event的指针 * * @return 0 succ * -1 fail */ int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
其中用到的数据结构结构如下
op值：
- EPOLL_CTL_ADD：注册新的fd到epfd中；
- EPOLL_CTL_MOD：修改已经注册的fd的监听事件；
- EPOLL_CTL_DEL：从epfd中删除一个fd；
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 */
};
常用的事件类型:
- EPOLLIN ：表示对应的文件描述符可以读；
- EPOLLOUT：表示对应的文件描述符可以写；
- EPOLLPRI：表示对应的文件描述符有紧急的数据可读
- EPOLLERR：表示对应的文件描述符发生错误；
- EPOLLHUP：表示对应的文件描述符被挂断；
- EPOLLET： 表示对应的文件描述符有事件发生；
例：
struct epoll_event ev;
//设置与要处理的事件相关的文件描述符
ev.data.fd=listenfd;
//设置要处理的事件类型
ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;
//注册epoll事件
epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,listenfd,&ev);
3、epoll_wait函数
/** * @brief 该函数用于轮询I/O事件的发生 * * @param epfd 由epoll_create 生成的epoll专用的文件描述符 * @param events 用于回传代处理事件的数组 * @param maxevents 每次能处理的事件数 * @param timeout 等待I/O事件发生的超时值；-1相当于阻塞，0相当于非阻塞。一般用-1即可 * * @return >=0 返回发生事件数 * -1 错误 */ int epoll_wait(int epfd,struct epoll_event * events,int maxevents,int timeout);
用改良的epoll实现回声服务端代码：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/epoll.h>
#define BUF_SIZE 100
#define EPOLL_SIZE 50
void error_handling(char *buf);
int main(int argc, const 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];
//类似select的fd_set变量查看监视对象的状态变化，epoll_event结构体将发生变化的文件描述符单独集中到一起
struct epoll_event *ep_events;
struct epoll_event event;
int epfd, event_cnt;
if(argc != 2)
{
printf("Usage: %s <port> \n", argv[0]);
exit(1);
}
serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if(serv_sock == -1)
error_handling("socket() error");
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");
//创建文件描述符的保存空间称为“epoll例程”
epfd = epoll_create(EPOLL_SIZE);
ep_events = malloc(sizeof(struct epoll_event) *EPOLL_SIZE);
//添加读取事件的监视(注册事件)
event.events = EPOLLIN; //读取数据事件
event.data.fd = serv_sock;
epoll_ctl(epdf, EPOLL_CTL_ADD, serv_sock, &event);
while (1)
{
//响应事件，返回发生事件的文件描述符数
event_cnt = epoll_wait(epfd, ep_events, EPOLL_SIZE, -1); //传-1时，一直等待直到事件发生
if(event_cnt == -1)
{
puts("epoll_wait() error");
break;
}
//服务端套接字和客服端套接字
for (i = 0; i < event_cnt; i++) {
if(ep_events[i].data.fd == serv_sock)//服务端与客服端建立连接
{
adr_sz = sizeof(clnt_adr);
clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr *)&clnt_adr, &adr_sz);
event.events = EPOLLIN;
event.data.fd = clnt_sock;
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, clnt_sock, &event);
printf("connected client: %d \n", clnt_sock);
}
else //连接之后传递数据
{
str_len = read(ep_events[i].data.fd, buf, BUF_SIZE);
if(str_len == 0)
{
//删除事件
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, ep_events[i].data.fd, NULL);
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);
}
epoll客户端代码：
#define _GNU_SOURCE
#include "sysutil.h"
#include "buffer.h"
#include <sys/epoll.h>
int main(int argc, char const *argv[])
{
//创建client套接字
int sockfd = tcp_client(0);
//调用非阻塞connect函数
int ret = nonblocking_connect(sockfd, "localhost", 9981, 5000);
if(ret == -1)
{
perror("Connect Timeout .");
exit(EXIT_FAILURE);
}
//将三个fd设置为Non-Blocking
activate_nonblock(sockfd);
activate_nonblock(STDIN_FILENO);
activate_nonblock(STDOUT_FILENO);
buffer_t recvbuf; //sockfd -> Buffer -> stdout
buffer_t sendbuf; //stdin -> Buffer -> sockfd
//初始化缓冲区
buffer_init(&recvbuf);
buffer_init(&sendbuf);
//创建epoll
int epollfd = epoll_create1(0);
if(epollfd == -1)
ERR_EXIT("create epoll");
struct epoll_event events[1024];
uint32_t sockfd_event = 0;
uint32_t stdin_event = 0;
uint32_t stdout_event = 0;
epoll_add_fd(epollfd, sockfd, sockfd_event);
epoll_add_fd(epollfd, STDIN_FILENO, stdin_event);
epoll_add_fd(epollfd, STDOUT_FILENO, stdout_event);
while(1)
{
//重新装填epoll事件
sockfd_event = 0;
stdin_event = 0;
stdout_event = 0;
//epoll无法每次都重新装填，所以给每个fd添加一个空事件
if(buffer_is_readable(&sendbuf))
{
sockfd_event |= kWriteEvent;
}
if(buffer_is_writeable(&sendbuf))
{
stdin_event |= kReadEvent;
}
if(buffer_is_readable(&recvbuf))
{
stdout_event |= kWriteEvent;
}
if(buffer_is_writeable(&recvbuf))
{
sockfd_event |= kReadEvent;
}
epoll_mod_fd(epollfd, sockfd, sockfd_event);
epoll_mod_fd(epollfd, STDIN_FILENO, stdin_event);
epoll_mod_fd(epollfd, STDOUT_FILENO, stdout_event);
//监听fd数组
int nready = epoll_wait(epollfd, events, 1024, 5000);
if(nready == -1)
ERR_EXIT("epoll wait");
else if(nready == 0)
{
printf("epoll timeout.\n");
continue;
}
else
{
int i;
for(i = 0; i < nready; ++i)
{
int peerfd = events[i].data.fd;
int revents = events[i].events;
if(peerfd == sockfd && revents & kReadREvent)
{
//从sockfd接收数据到recvbuf
if(buffer_read(&recvbuf, peerfd) == 0)
{
fprintf(stderr, "server close.\n");
exit(EXIT_SUCCESS);
}
}
if(peerfd == sockfd && revents & kWriteREvent)
{
buffer_write(&sendbuf, peerfd); //将sendbuf中的数据写入sockfd
}
if(peerfd == STDIN_FILENO && revents & kReadREvent)
{
//从stdin接收数据写入sendbuf
if(buffer_read(&sendbuf, peerfd) == 0)
{
fprintf(stderr, "exit.\n");
exit(EXIT_SUCCESS);
}
}
if(peerfd == STDOUT_FILENO && revents & kWriteREvent)
{
buffer_write(&recvbuf, peerfd); //将recvbuf中的数据输出至stdout
}
}
}
}
}
4、条件触发和边缘触发
什么是条件触发和边缘触发？它们是指事件响应的方式，epoll默认是条件触发的方式。条件触发是指：只要输入缓冲中有数据就会一直通知该事件，循环响应epoll_wait。而边缘触发是指：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，只响应一次。
边缘触发相对条件触发的优点：可以分离接收数据和处理数据的时间点，从实现模型的角度看，边缘触发更有可能带来高性能。
将上面epoll实例改为边缘触发：
1).首先改写 event.events = EPOLLIN | EPOLLET; （EPOLLIN:读取数据事件 EPOLLET:边缘触发方式）
2).边缘触发只响应一次接收数据事件，所以要一次性全部读取输入缓冲中的数据，那么就需要判断什么时候数据读取完了？Linux声明了一个全局的变量：int errno; (error.h中)，它能记录发生错误时提供额外的信息。这里就可以用它来判断是否读取完数据
str_len = read(...);
if(str_len < 0)
{
if(errno == EAGAIN) //读取输入缓冲中的全部数据的标志
break;
}
3).边缘触发方式下，以阻塞方式工作的read&write有可能会引起服务端的长时间停顿。所以边缘触发一定要采用非阻塞的套接字数据传输形式。那么怎么将套接字的read,write数据传输形式修改为非阻塞模式呢？
//fd套接字文件描述符，将此套接字数据传输模式修改为非阻塞
void setnonblockingmode(int fd)
{
int flag = fcntl(fd, F_GETFL,0); //得到套接字原来属性
fcntl(fd, F_SETFL, flag | O_NONBLOCK);//在原有属性基础上设置添加非阻塞模式
}
四、IOCP理解与应用
1、传统服务器的网络IO流程
接到一个客户端连接->创建一个线程负责这个连接的IO操作->持续对新线程进行数据处理->全部数据处理完毕->终止线程。
设计代价可分为四点：
1).每个连接创建一个线程，将导致过多的线程。
2).维护线程所消耗的堆栈内存过大。
3).操作系统创建和销毁线程过大。
4).线程之间切换的上下文代价过大。
这种传统的服务器网络结构称之为会话模型，为防止大量线程的维护，我们可以创建I/O模型。
创建I/O模型要求:
1).允许一个线程在不同时刻给多个客户端进行服务。
2).允许一个客户端在不同时间被多个线程服务。
缺点是会使线程大幅度减少
根据上述则要求一下两点：
1).客户端状态的分离，之前会话模式我们可以通过线程状态得知客户端状态，但现在客户端状态要通过其他方式获取。
2).I/O请求的分离。一个线程不再服务于一个客户端会话，则要求客户端对这个线程提交I/O处理请求。
根据上要求会产生以下模式：
1).会话状态管理模块。它负责接收到一个客户端连接，就创建一个会话状态。
2).当会话状态发生改变，例如断掉连接，接收到网络消息，就发送一个I/O请求给 I/O工作模块进行处理。
3).I/O工作模块接收到一个I/O请求后，从线程池里唤醒一个工作线程，让该工作线程处理这个I/O请求，处理完毕后，该工作线程继续挂起。
则将网络连接 和I/O工作线程分离为三个部分，相互通讯仅依靠 I/O请求。
根据上模式给出一下介意：
1).在进行I/O请求处理的工作线程是被唤醒的工作线程，一个CPU对应一个的话，可以最大化利用CPU。所以 活跃线程的个数 建议等于 硬件CPU个数。
2).工作线程我们开始创建了线程池，免除创建和销毁线程的代价。因为线程是对I/O进行操作的，且一一对应，那么当I/O全部并行时，工作线程必须满足I/O并行操作需求，所以 线程池内最大工作线程个数 建议大于或者等于 I/O并行个数。
3).但是我们可知CPU个数又限制了活跃的线程个数，那么线程池过大意义很低，所以按常规建议 线程池大小 等于 CPU个数*2 左右为佳。例如，8核服务器建议创建16个工作线程的线程池。 上面描述的依然是I/O模型并非IOCP，那么IOCP是什么呢，全称 IO完成端口。
它是一种WIN32的网络I/O模型，既包括了网络连接部分，也负责了部分的I/O操作功能，用于方便我们控制有并发性的网络I/O操作。
WIN32网络I/O模型有如下特点：
1).它是一个WIN32内核对象，所以无法运行于Linux.
2).它自己负责维护了工作线程池，同时也负责了I/O通道的内存池。
3).它自己实现了线程的管理以及I/O请求通知，最小化的做到了线程的上下文切换。
4).它自己实现了线程的优化调度，提高了CPU和内存缓冲的使用率。
2、使用IOCP的基本步骤
1).创建IOCP对象，由它负责管理多个Socket和I/O请求。CreateIoCompletionPort需要将IOCP对象和IOCP句柄绑定。
2).创建一个工作线程池，以便Socket发送I/O请求给IOCP对象后，由这些工作线程进行I/O操作。注意，创建这些线程的时候，将这些线程绑定到IOCP上。
3).创建一个监听的socket。
4).轮询，当接收到了新的连接后，将socket和完成端口进行关联并且投递给IOCP一个I/O请求。注意：将Socket和IOCP进行关联的函数和创建IOCP的函数一样，都是CreateIoCompletionPort，不过注意传参必然是不同的。
5).因为是异步的，我们可以去做其他，等待IOCP将I/O操作完成会回馈我们一个消息，我们再进行处理。
其中需要知道的是：I/O请求被放在一个I/O请求队列里面，对，是队列，LIFO机制。当一个设备处理完I/O请求后，将会将这个完成后的I/O请求丢回IOCP的I/O完成队列。
我们应用程序则需要在GetQueuedCompletionStatus去询问IOCP，该I/O请求是否完成。
其中有一些特殊的事情要说明一下，我们有时有需要人工的去投递一些I/O请求，则需要使用PostQueuedCompletionStatus函数向IOCP投递一个I/O请求到它的请求队列中。
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