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如何用C寫一個(gè)web服務(wù)器之I/O多路復(fù)用

 更新時(shí)間:2021年05月27日 09:36:18   作者:枕邊書  
本文主要介紹了如何用C寫一個(gè)web服務(wù)器之I/O多路復(fù)用,本次選擇了 I/O 模型的優(yōu)化,因?yàn)樗欠?wù)器的基礎(chǔ),這個(gè)先完成的話,后面的優(yōu)化就可以選擇各個(gè)模塊來進(jìn)行,不必進(jìn)行全局化的改動了。

前言

I/O模型

接觸過 socket 編程的同學(xué)應(yīng)該都知道一些 I/O 模型的概念,linux 中有阻塞 I/O、非阻塞 I/O、I/O 多路復(fù)用、信號驅(qū)動 I/O 和 異步 I/O 五種模型。

其他模型的具體概念這里不多介紹,只簡單地提一下自己理解的 I/O 多路復(fù)用:簡單的說就是由一個(gè)進(jìn)程來管理多個(gè) socket,即將多個(gè) socket 放入一個(gè)表中,在其中有 socket 可操作時(shí),通知進(jìn)程來處理, I/O 多路復(fù)用的實(shí)現(xiàn)方式有 select、poll 和 epoll。

select/poll/epoll

在 linux下,通過文件描述符(file descriptor, 下 fd)來進(jìn)行 socket 的操作,所以下文均是對 fd 操作。

首先說最開始實(shí)現(xiàn)的 select 的問題:

  • select 打開的 fd 最大數(shù)目有限制,一般為1024,在當(dāng)前計(jì)算系統(tǒng)的并發(fā)量前顯然有點(diǎn)不適用了。
  • select 在收到有 fd 可操作的通知時(shí),是無法得知具體是哪個(gè) fd 的,需要線性掃描 fd 表,效率較低。
  • 當(dāng)有 fd 可操作時(shí),fd 會將 fd 表復(fù)制到內(nèi)核來遍歷,消耗也較大。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了 poll:poll 相對于 select,使用 pollfd 表(鏈表實(shí)現(xiàn)) 來代替 fd,它沒有上限,但受系統(tǒng)內(nèi)存的限制,它同樣使用 fd 遍歷的方式,在并發(fā)高時(shí)效率仍然是一個(gè)問題。

最終,epoll 在 Linux 2.6 的內(nèi)核面世,它使用事件機(jī)制,在每一個(gè) fd 上添加事件,當(dāng)fd 的事件被觸發(fā)時(shí),會調(diào)用回調(diào)函數(shù)來處理對應(yīng)的事件,epoll 的優(yōu)勢總之如下:

  • 只關(guān)心活躍的 fd,精確定位,改變了poll的時(shí)間效率 O(n) 到 O(1);
  • fd 數(shù)量限制是系統(tǒng)能打開的最大文件數(shù),會受系統(tǒng)內(nèi)存和每個(gè) fd 消耗內(nèi)存的影響,以當(dāng)前的系統(tǒng)硬件配置,并發(fā)數(shù)量絕對不是問題。
  • 內(nèi)核使用內(nèi)存映射,大量 fd 向內(nèi)核態(tài)的傳輸不再是問題。

為了一步到位,也是為了學(xué)習(xí)最先進(jìn)的I/O多路復(fù)用模型,直接使用了 epoll 機(jī)制,接下來介紹一下 epoll 相關(guān)基礎(chǔ)和自己服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)過程。

epoll介紹

epoll 需要引入<sys/epoll.h>文件,首先介紹一下 epoll 系列函數(shù):

epoll_create

int epoll_create(int size);

創(chuàng)建一個(gè) epoll 實(shí)例,返回一個(gè)指向此 epoll 實(shí)例的文件描述符,當(dāng) epoll 實(shí)例不再使用時(shí),需要使用close()方法來關(guān)閉它。

在最初的實(shí)現(xiàn)中, size 作為期望打開的最大 fd 數(shù)傳入,以便系統(tǒng)分配足夠大的空間。在最新版本的內(nèi)核中,系統(tǒng)內(nèi)核動態(tài)分配內(nèi)存,已不再需要此參數(shù)了,但為了避免程序運(yùn)行在舊內(nèi)核中會有問題,還是要求此值必須大于0;

epoll_ctl

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

  • epfd 是通過 epoll_create 返回的文件描述符
  • op 則是文件描述符監(jiān)聽事件的操作方式,EPOLL_CTL_ADD/EPOLL_CTL_MOD/EPOLL_CTL_DEL 分別表示添加、修改和刪除一個(gè)監(jiān)聽事件。
  • fd 為要監(jiān)聽的文件描述符。
  • event 為要監(jiān)聽的事件,可選事件和行為會在下面描述

它的結(jié)構(gòu)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;        /* 事件相關(guān)數(shù)據(jù) */
};

epoll_wait

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

  • events 是 epoll 事件數(shù)組,epoll 事件的結(jié)構(gòu)上面已經(jīng)介紹過。
  • maxevents 是一次監(jiān)聽獲取到的最大事件數(shù)目。
  • timeout 是一次監(jiān)聽中獲取不到事件的最長等待時(shí)間,設(shè)置成 -1 會一直阻塞等待,0 則會立即返回。

epoll行為

在 epoll_ctl 的 event 參數(shù)中,事件 events 有如下可選項(xiàng):

EPOLLIN(可讀)、EPOLLOUT(可寫)、EPOLLRDHUP(連接關(guān)閉)、EPOLLPRI(緊急數(shù)據(jù)可讀),此外 EPOLLERR(錯誤),EPOLLHUP(連接掛斷)事件會被 epoll 默認(rèn)一直監(jiān)聽。

除了設(shè)置事件外,還可以對監(jiān)聽的行為設(shè)置:

  • level trigger:此行為被 epoll 默認(rèn)支持,不必設(shè)置。在 epoll_wait 得到一個(gè)事件時(shí),如果應(yīng)用程序不處理此事件,在 level trigger 模式下,epoll_wait 會持續(xù)觸發(fā)此事件,直到事件被程序處理;
  • EPOLLET(edge trigger):在 edge trigger 模式下,事件只會被 epoll_wait 觸發(fā)一次,如果用戶不處理此事件,不會在下次 epoll_wait 再次觸發(fā)。在處理得當(dāng)?shù)那闆r下,此模式無疑是高效的。需要注意的是此模式需求 socket 處理非阻塞模式,下面會實(shí)現(xiàn)此模式。
  • EPOLLONESHOT:在單次命中模式下,對同一個(gè)文件描述符來說,同類型的事件只會被觸發(fā)一次,若想重復(fù)觸發(fā),需要重新給文件描述符注冊事件。
  • EPOLLWAKEUP:3.5版本加入,如果設(shè)置了單次命中和ET模式,而且進(jìn)程有休眠喚醒能力,當(dāng)事件被掛起和處理時(shí),此選項(xiàng)確保系統(tǒng)不進(jìn)入暫停或休眠狀態(tài)。 事件被 epoll_wait 調(diào)起后,直到下次 epoll_wait 再次調(diào)起此事件、文件描述符被關(guān)閉,事件被注銷或修改,都會被認(rèn)為是處于處理中狀態(tài)。
  • EPOLLEXCLUSIVE:4.5版本加入,為一個(gè)關(guān)聯(lián)到目標(biāo)文件描述符的 epoll 句柄設(shè)置獨(dú)占喚醒模式。如果目標(biāo)文件描述符被關(guān)聯(lián)到多個(gè) epoll 句柄,當(dāng)有喚醒事件發(fā)生時(shí),默認(rèn)所有 epoll 句柄都會被喚醒。而都設(shè)置此標(biāo)識后,epoll 句柄之一被喚醒,以避免“驚群”現(xiàn)象。

當(dāng)監(jiān)聽事件和行為需求同時(shí)設(shè)置時(shí),使用運(yùn)算符 |即可。

代碼實(shí)現(xiàn)

整體處理邏輯

使用 epoll 時(shí)的服務(wù)器受理客戶端請求邏輯如下:

1.創(chuàng)建服務(wù)器 socket,注冊服務(wù)器 socket 讀事件;

2.客戶端連接服務(wù)器,觸發(fā)服務(wù)器 socket 可讀,服務(wù)器創(chuàng)建客戶端 socket,注冊客戶端socket 讀事件;

3.客戶端發(fā)送數(shù)據(jù),觸發(fā)客戶端 socket 可讀,服務(wù)器讀取客戶端信息,將響應(yīng)寫入 socket;

4.客戶端關(guān)閉連接,觸發(fā)客戶端 socket 可讀,服務(wù)器讀取客戶端信息為空,注銷客戶端 socket 讀事件;

erver_fd = server_start();
epoll_fd = epoll_create(FD_SIZE);
epoll_register(epoll_fd, server_fd, EPOLLIN|EPOLLET);// 這里注冊socketEPOLL事件為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;
        // 如果是服務(wù)器socket可讀,則處理連接請求
        if ((fd == server_fd) && (events[i].events == EPOLLIN)){
            accept_client(server_fd, epoll_fd);
        // 如果是客戶端socket可讀,則獲取請求信息,響應(yīng)客戶端
        } else if (events[i].events == EPOLLIN){
            deal_client(fd, epoll_fd);
        } else if (events[i].events == EPOLLOUT)
            // todo 數(shù)據(jù)過大,緩沖區(qū)不足的情況待處理
            continue;
    }
}

需要注意的是,客戶端socket在可讀之后也是立刻可寫的,我這里直接讀取一次請求,然后將響應(yīng)信息 write 進(jìn)去,沒有考慮讀數(shù)據(jù)時(shí)緩沖區(qū)滿的問題。

這里提出的解決方案為:

1.設(shè)置一個(gè)客戶端 socket 和 buffer 的哈希表;

2.在讀入一次信息緩沖區(qū)滿時(shí) recv 會返回 EAGIN 錯誤,這時(shí)將數(shù)據(jù)放入 buffer,暫時(shí)不響應(yīng)。

3.后續(xù)讀事件中讀取到數(shù)據(jù)尾后,再注冊 socket 可寫事件。

4.在處理可寫事件時(shí),讀取 buffer 內(nèi)的全部請求內(nèi)容,處理完畢后響應(yīng)給客戶端。

5.最后注銷 socket 寫事件。

設(shè)置epoll ET(edge trigger)模式

上文說過,ET模式是 epoll 的高效模式,事件只會通知一次,但處理良好的情況下會更適用于高并發(fā)。它需要 socket 在非阻塞模式下才可用,這里我們實(shí)現(xiàn)它。

sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

// 獲取服務(wù)器socket的設(shè)置,并添加"不阻塞"選項(xiàng)
flags = fcntl(sock_fd, F_GETFL, 0);
fcntl(sock_fd, F_SETFL, flags|O_NONBLOCK);

.....
// 這里注冊服務(wù)器socket EPOLL事件為ET模式
epoll_register(epoll_fd, server_fd, EPOLLIN|EPOLLET);

我將處理事件注掉后使用一次客戶端連接請求進(jìn)行了測試,很清晰地說明了 ET模式下,事件只觸發(fā)一次的現(xiàn)象,前后對比圖如下:

小結(jié)

Mac OS X 操作系統(tǒng)的某些部分是基于 FreeBSD 的,F(xiàn)reeBSD 不支持,MAC 也不支持(不過有相似的 kqueue),跑到開發(fā)機(jī)上開發(fā)的,作為一個(gè)最基礎(chǔ)的 C learner, 靠著printf()和fflush()兩個(gè)函數(shù)來調(diào)試的,不過搞了很久總算是完成了,有用 C 的前輩推薦一下調(diào)試方式就最好了

以上就是如何用C寫一個(gè)web服務(wù)器之I/O多路復(fù)用的詳細(xì)內(nèi)容,更多關(guān)于用C寫一個(gè)web服務(wù)器之I/O多路復(fù)用的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章!

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