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2.1.2事件驱动reactor的原理与实现

网友: 文章列表 2024-03-22 00:49:20

2.1.2事件驱动reactor的原理与实现

先来了解一下epoll

select(maxfd, rfds, wfds, efds, timeout);poll(pfds, length, timeout);#include <sys/epoll.h>
int epoll_create(int size);
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);

对比三种IO多路复用调用，可以发现，epoll有三个系统调用。
epoll把用户关心的文件描述符上的事件放在内核的一个事件表中，通过epoll_create返回一个文件描述符epollfd，该描述符用来唯一标识内核中的这个事件表。epoll_create中的size参数无关紧要，但要给一个大于0的值，这是一个历史遗留问题，来看一下man手册中的介绍：
2.1.2事件驱动reactor的原理与实现
2.1.2事件驱动reactor的原理与实现
为了兼容，这里传入一个大于0的值。
epoll_ctl第一个参数传入epollfd，op表示操作类型，fd是要操作的文件描述符，event是事件类型。
操作类型op有3种：

EPOLL_CTL_ADD 往事件表中注册fd上的事件
EPOLL_CTL_MOD 修改fd上的注册事件
EPOLL_CTL_DEL 删除fd上的注册事件

epoll_event的定义：

The struct epoll_event is defined as :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 */
};

epoll_event中的events用来描述事件类型，epoll支持的事件类型和poll基本相同。表示epoll事件类型的宏是在poll对应的宏前加上“E”，比如epoll的数据可读事件是EPOLLIN。data用来存放用户数据，epoll_data_t中fd可以存放用户fd，ptr用来指定与fd相关的用户数据，但由于epoll_data是一个联合体，所以不能同时使用ptr和fd，因此我们可以在ptr指向的用户数据中包含fd。

epoll_wait在一段超时时间内等待一组文件描述符上的事件，函数成功时返回就绪的文件描述符的个数。events是传出参数，epoll_wait函数如果检测到事件，就将所有就绪的事件从内核事件表中复制到它的第二个参数events指向的数组中。这个数组只用于输出epoll_wait检测到的就绪事件，因此，当epoll_wait返回时，我们只需要遍历这个数组就好了，大大提高了效率。
来看一下poll和epoll的区别：

int ret = poll(fds, MAX_EVENT_NUMBER, -1);
//遍历所有sockfd
for (int i = 0; i < MAX_EVENT_NUMBER; i++) {if (fds[i].revents & POLLIN) {int sockfd = fds[i].fd;//处理事件}
}int ret = epoll_wait(epollfd, events, MAX_EVENT_NUMBER, -1);
//遍历就绪sockfd
for (int i = 0; i < ret; i++) {int sockfd = events[i].data.fd;//处理事件
}

让我们改写一下之前的例子：

#include <sys/epoll.h>
...int clientfd = 0;int epfd = epoll_create(1);struct epoll_event ev;ev.events = EPOLLIN;ev.data.fd = sockfd;epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, sockfd, &ev);struct epoll_event events[1024] = {0};while (1) {int nready = epoll_wait(epfd, events, 1024, -1);if (nready < 0) continue;int i = 0; for (i = 0; i < nready; i++) {int connfd = events[i].data.fd;if (sockfd == connfd) {clientfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &len);if (clientfd < 0) {continue;}printf("clientfd: %d\\n", clientfd);ev.events = EPOLLIN;ev.data.fd = clientfd;epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, clientfd, &ev);} else if (events[i].events & EPOLLIN) {char buffer[BUFFER_LENGTH] = {0};int n = recv(connfd, buffer, BUFFER_LENGTH, 0);if (n > 0) {printf("recv : %s\\n", buffer);send(connfd, buffer, n, 0);} else if (n == 0) {printf("close\\n");epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, connfd, NULL);close(connfd);}}}}
...

运行程序发现，这个程序也可以支持多个客户端连接并发送数据。
2.1.2事件驱动reactor的原理与实现
epoll比较高效的原因还有一个是它对文件描述符的操作有两种模式：LT（水平触发）和ET（边缘触发）。select和poll都只能工作在相对低效的LT模式。epoll默认是水平触发，这种模式下epoll相当于一个效率较高的poll。当往epoll内核事件表中注册一个文件描述符上的EPOLLET事件时，epoll将以ET模式来操作该文件描述符。ET模式是epoll的高效工作模式。
对于采用LT工作模式的文件描述符，当epoll_wait检测到其上有事件发生并将此事件通知应用程序后，应用程序可以不立即处理该事件。这样，当应用程序下一次调用epoll_wait时，epoll_wait还会再次向应用程序通告此事件，直到该事件被处理。而对于采用ET工作模式的文件描述符，当epoll_wait检测到其上有事件发生并将此事件通知应用程序后，应用程序必须立即处理该事件，因为后续的epoll_wait调用将不再向应用程序通知这一事件。可见，ET模式在很大程度上降低了同一个epoll事件被重复触发的次数，因此效率要比LT模式高。
关于水平触发和边缘触发在我脑海中一直有一个电信号的图：
2.1.2事件驱动reactor的原理与实现
水平触发在于看当前状态，比如当前状态是高电平就会一直触发，而边沿触发在于看状态变化，比如从低电平变为高电平，这个过程只会触发一次，想要再次触发，只能状态发生改变。

让我们来验证一下，epoll默认是水平触发方式，我们把接收缓存区改小，发送的数据长度大于接收缓存区，这样，一次接收不完，事件会一直触发，直到把所有的数据都接收完：

...} else if (events[i].events & EPOLLIN) {char buffer[10] = {0};int n = recv(connfd, buffer, 10, 0);if (n > 0) {
...

连接发送“http://www.cmsoft.cn QQ:10865600”
输出显示：

clientfd: 5
recv : http://www
recv : .cmsoft.cn
recv :  QQ:108656
recv : 00

而如果我们在添加事件时加上边缘触发，recv则只调用一次：

			printf("clientfd: %d\\n", clientfd);//hereev.events = EPOLLIN | EPOLLET;ev.data.fd = clientfd;epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, clientfd, &ev);} else if (events[i].events & EPOLLIN) {char buffer[10] = {0};int n = recv(connfd, buffer, 10, 0);if (n > 0) {printf("recv : %s\\n", buffer);send(connfd, buffer, n, 0);

输出：

clientfd: 5
recv : http://www

并且再次触发事件后，recv会接着处理上次没接收完的数据！
所以，ET模式效率高的原因就在于同一事件（比如可读或可写事件）只会触发一次，而LT只要状态不变就会一直触发。同时这也引出了一个问题，对于ET模式，当有事件来时，就要一次把这个事件处理完，因为之后不会再触发该事件，即使上一次该事件没处理完。
以上便是epoll相关的内容，epoll是对IO的管理，接下来的reactor则是对事件的管理。

文章参考与<零声教育>的C/C++linux服务期高级架构系统教程学习:https://ke.qq.com/course/417774?flowToken=1020253

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