前言

I/O模型

接觸過 socket 編程的同學應該都知道一些 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 多路復用：簡單的說就是由一個進程來管理多個 socket，即將多個 socket 放入一個表中，在其中有 socket 可操作時，通知進程來處理， I/O 多路復用的實現(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）來進行 socket 的操作，所以下文均是對 fd 操作。

首先說最開始實現(xiàn)的 select 的問題：

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

隨著網(wǎng)絡技術的發(fā)展，出現(xiàn)了 poll：poll 相對于 select，使用 pollfd 表（鏈表實現(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)高時效率仍然是一個問題。

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

• 只關心活躍的 fd，精確定位，改變了poll的時間效率 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 fd 消耗內(nèi)存的影響，以當前的系統(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，也是為了學習最先進的I/O多路復用模型，直接使用了 epoll 機制，接下來介紹一下 epoll 相關基礎和自己服務器的實現(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 epoll 實例，返回一個指向此 epoll 實例的文件描述符，當 epoll 實例不再使用時，需要使用close()方法來關閉它。

在最初的實現(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

它的結構如下：

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 事件的結構上面已經(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間，設置成 -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：

EPOLLIN（可讀）、EPOLLOUT（可寫）、EPOLLRDHUP（連接關閉）、EPOLLPRI（緊急數(shù)據(jù)可讀），此外 EPOLLERR（錯誤），EPOLLHUP（連接掛斷）事件會被 epoll 默認一直監(jiān)聽。

除了設置事件外，還可以對監(jiān)聽的行為設置：

• level trigger：此行為被 epoll 默認支持，不必設置。在 epoll_wait 得到一個事件時，如果應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?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，下面會實現(xiàn)此模式。
• EPOLLONESHOT：在單次命中模式下，對同一個文件描述符來說，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，如果設置了單次命中和ET模式，而且進程有休眠喚醒能力，當事件被掛起和處理時，此選項確保系統(tǒng)不進入暫?；蛐菝郀顟B(tài)。 事件被 epoll_wait 調(diào)起后，直到下次 epoll_wait 再次調(diào)起此事件、文件描述符被關閉，事件被注銷或修改，都會被認為是處于處理中狀態(tài)。
• EPOLLEXCLUSIVE：4.5版本加入，為一個關聯(lián)到目標文件描述符的 epoll 句柄設置獨占喚醒模式。如果目標文件描述符被關聯(lián)到多個 epoll 句柄，當有喚醒事件發(fā)生時，默認所有 epoll 句柄都會被喚醒。而都設置此標識后，epoll 句柄之一被喚醒,以避免“驚群”現(xiàn)象。

當監(jiān)聽事件和行為需求同時設置時，使用運算符 |即可。

代碼實現(xiàn)

整體處理邏輯

使用 epoll 時的服務器受理客戶端請求邏輯如下：

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

2.客戶端連接服務器，觸發(fā)服務器 socket 可讀，服務器創(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，服務器讀取客戶端信息，將響應寫入 socket；

4.客戶端關閉連接，觸發(fā)客戶端 socket 可讀，服務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，然后將響應信息 write 進去，沒有考慮讀數(shù)據(jù)時緩沖區(qū)滿的問題。

這里提出的解決方案為：

1.設置一個客戶端 socket 和 buffer 的哈希表；

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

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，讀取 buffer 內(nèi)的全部請求內(nèi)容，處理完畢后響應給客戶端。

5.最后注銷 socket 寫事件。

設置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，這里我們實現(xiàn)它。

sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

// 獲取服務器socket的設置，并添加"不阻塞"選項
flags = fcntl(sock_fd, F_GETFL, 0);
fcntl(sock_fd, F_SETFL, flags|O_NONBLOCK);

.....
// 這里注冊服務器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

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)機上開發(fā)的，作為一個最基礎的 C learner, 靠著printf()和fflush()兩個函數(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web服務器之I/O多路復用的詳細內(nèi)容，更多關于用C寫一個web服務器之I/O多路復用的資料請關注腳本之家其它相關文章！

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