如何用C写一个web服务器之I/O多路复用

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：

• select 打开的 fd 最大数目有限制，一般为1024，在当前计算系统的并发量前显然有点不适用了。
• select 在收到有 fd 可操作的通知时，是无法得知具体是哪个 fd 的，需要线性扫描 fd 表，效率较低。
• 当有 fd 可操作时，fd 会将 fd 表复制到内核来遍历，消耗也较大。

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：

• 只关心活跃的 fd，精确定位，改变了poll的时间效率 O(n) 到 O(1);
• fd 数量限制是系统能打开的最大文件数，会受系统内存和每个 fd 消耗内存的影响，以当前的系统硬件配置，并发数量绝对不是问题。
• 内核使用内存映射，大量 fd 向内核态的传输不再是问题。

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);

• epfd 是通过 epoll_create 返回的文件描述符
• op 则是文件描述符监听事件的操作方式，EPOLL_CTL_ADD/EPOLL_CTL_MOD/EPOLL_CTL_DEL 分别表示添加、修改和删除一个监听事件。
• fd 为要监听的文件描述符。
• event 为要监听的事件，可选事件和行为会在下面描述

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：

• events 是 epoll 事件数组，epoll 事件的结构上面已经介绍过。
• maxevents 是一次监听获取到的最大事件数目。
• timeout 是一次监听中获取不到事件的最长等待时间，设置成 -1 会一直阻塞等待，0 则会立即返回。

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：

• level trigger：此行为被 epoll 默认支持，不必设置。在 epoll_wait 得到一个事件时，如果应用程序不处理此事件，在 level trigger 模式下，epoll_wait 会持续触发此事件，直到事件被程序处理；
• EPOLLET(edge trigger)：在 edge trigger 模式下，事件只会被 epoll_wait 触发一次，如果用户不处理此事件，不会在下次 epoll_wait 再次触发。在处理得当的情况下，此模式无疑是高效的。需要注意的是此模式需求 socket 处理非阻塞模式，下面会实现此模式。
• EPOLLONESHOT：在单次命中模式下，对同一个文件描述符来说，同类型的事件只会被触发一次，若想重复触发，需要重新给文件描述符注册事件。
• EPOLLWAKEUP：3.5版本加入，如果设置了单次命中和ET模式，而且进程有休眠唤醒能力，当事件被挂起和处理时，此选项确保系统不进入暂停或休眠状态。 事件被 epoll_wait 调起后，直到下次 epoll_wait 再次调起此事件、文件描述符被关闭，事件被注销或修改，都会被认为是处于处理中状态。
• EPOLLEXCLUSIVE：4.5版本加入，为一个关联到目标文件描述符的 epoll 句柄设置独占唤醒模式。如果目标文件描述符被关联到多个 epoll 句柄，当有唤醒事件发生时，默认所有 epoll 句柄都会被唤醒。而都设置此标识后，epoll 句柄之一被唤醒,以避免“惊群”现象。

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

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