如何用C寫一個web服務器之I/O多路復用

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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、信號驅動 I/O 和 異步 I/O 五種模型。

其他模型的具體概念這裡不多介紹，隻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。

首先說最開始實現的 select 的問題：

  • select 打開的 fd 最大數目有限制，一般為1024，在當前計算系統的並發量前顯然有點不適用瞭。
  • 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 表復制到內核來遍歷，消耗也較大。

隨著網絡技術的發展，出現瞭 poll：poll 相對於 select，使用 pollfd 表（鏈表實現） 來代替 fd，它沒有上限，但受系統內存的限制，它同樣使用 fd 遍歷的方式，在並發高時效率仍然是一個問題。

最終，epoll 在 Linux 2.6 的內核面世，它使用事件機制，在每一個 fd 上添加事件，當fd 的事件被觸發時，會調用回調函數來處理對應的事件，epoll 的優勢總之如下：

  • 隻關心活躍的 fd，精確定位，改變瞭poll的時間效率 O(n) 到 O(1);
  • fd 數量限制是系統能打開的最大文件數，會受系統內存和每個 fd 消耗內存的影響，以當前的系統硬件配置，並發數量絕對不是問題。
  • 內核使用內存映射，大量 fd 向內核態的傳輸不再是問題。

為瞭一步到位，也是為瞭學習最先進的I/O多路復用模型，直接使用瞭 epoll 機制，接下來介紹一下 epoll 相關基礎和自己服務器的實現過程。

epoll介紹

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

epoll_create

int epoll_create(int size);

創建一個 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。

在最初的實現中， size 作為期望打開的最大 fd 數傳入，以便系統分配足夠大的空間。在最新版本的內核中，系統內核動態分配內存，已不再需要此參數瞭，但為瞭避免程序運行在舊內核中會有問題，還是要求此值必須大於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、修改和刪除一個監聽事件。
  • fd 為要監聽的文件描述符。
  • event 為要監聽的事件，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;        /* 事件相關數據 */
};

epoll_wait

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

  • events 是 epoll 事件數組，epoll 事件的結構上面已經介紹過。
  • maxevents 是一次監聽獲取到的最大事件數目。
  • timeout 是一次監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（緊急數據可讀），此外 EPOLLERR（錯誤），EPOLLHUP（連接掛斷）事件會被 epoll 默認一直監聽。

除瞭設置事件外，還可以對監聽的行為設置：

  • 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 會持續觸發此事件，直到事件被程序處理；
  • EPOLLET(edge trigger)：在 edge trigger 模式下，事件隻會被 epoll_wait 觸發一次，如果用戶不處理此事件，不會在下次 epoll_wait 再次觸發。在處理得當的情況下，此模式無疑是高效的。需要註意的是此模式需求 socket 處理非阻塞模式，下面會實現此模式。
  • EPOLLONESHOT：在單次命中模式下，對同一個文件描述符來說，同類型的事件隻會被觸發一次，若想重復觸發，需要重新給文件描述符註冊事件。
  • EPOLLWAKEUP：3.5版本加入，如果設置瞭單次命中和ET模式，而且進程有休眠喚醒能力，當事件被掛起和處理時，此選項確保系統不進入暫停或休眠狀態。 事件被 epoll_wait 調起後，直到下次 epoll_wait 再次調起此事件、文件描述符被關閉，事件被註銷或修改，都會被認為是處於處理中狀態。
  • EPOLLEXCLUSIVE：4.5版本加入，為一個關聯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到多個 epoll 句柄，當有喚醒事件發生時，默認所有 epoll 句柄都會被喚醒。而都設置此標識後，epoll 句柄之一被喚醒,以避免“驚群”現象。

當監聽事件和行為需求同時設置時，使用運算符 |即可。

代碼實現

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.創建服務器 socket，註冊服務器 socket 讀事件；

2.客戶端連接服務器，觸發服務器 socket 可讀，服務器創建客戶端 socket，註冊客戶端socket 讀事件；

3.客戶端發送數據，觸發客戶端 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，觸發客戶端 socket 可讀，服務器讀取客戶端信息為空，註銷客戶端 socket 讀事件；

erver_fd = server_start();
epoll_fd = epoll_create(FD_SIZE);
epoll_register(epoll_fd, server_fd, EPOLLIN|EPOLLET);// 這裡註冊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 數據過大，緩沖區不足的情況待處理
            continue;
    }
}

需要註意的是，客戶端socket在可讀之後也是立刻可寫的，我這裡直接讀取一次請求，然後將響應信息 write 進去，沒有考慮讀數據時緩沖區滿的問題。

這裡提出的解決方案為：

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滿時 recv 會返回 EAGIN 錯誤，這時將數據放入 buffer，暫時不響應。

3.後續讀事件中讀取到數據尾後，再註冊 socket 可寫事件。

4.在處理可寫事件時，讀取 buffer 內的全部請求內容，處理完畢後響應給客戶端。

5.最後註銷 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，事件隻會通知一次，但處理良好的情況下會更適用於高並發。它需要 socket 在非阻塞模式下才可用，這裡我們實現它。

sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

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

.....
// 這裡註冊服務器socket EPOLL事件為ET模式
epoll_register(epoll_fd, server_fd, EPOLLIN|EPOLLET);

我將處理事件註掉後使用一次客戶端連接請求進行瞭測試，很清晰地說明瞭 ET模式下，事件隻觸發一次的現象，前後對比圖如下：

小結

Mac OS X 操作系統的某些部分是基於 FreeBSD 的，FreeBSD 不支持，MAC 也不支持（不過有相似的 kqueue），跑到開發機上開發的，作為一個最基礎的 C learner, 靠著printf()和fflush()兩個函數來調試的，不過搞瞭很久總算是完成瞭，有用 C 的前輩推薦一下調試方式就最好瞭

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