程序员经验分享-hwhale

epoll函数之边缘触发、水平触发、非阻塞IO模式

2023-05-16

1 边沿触发与水平触发

这两个实际是由模拟电路上的高低电频来的，低电压(0)到高电压(1)为上升沿，高电压(1)到低电压(0)为下降沿，高电压(1)到高电压(1)为水平沿。水平沿对应水平触发，上升、下降沿对应边沿触发

  • 边沿触发：epoll ET模式

  • 水平触发：epoll LT模式

通俗的说，当客户端向服务端写数据，假如1000B的数据，服务端第一次读了500B后，还剩下500B在缓冲区中，假如此时能触发epoll_wait函数的监听读事件，就叫水平触发，假如此时epoll_wait函数不触发，那么就叫边沿触发。

代码演示

如下客户端与服务端之间的演示。客户端先写五个字节’aaaa\n’，再写’bbbb\n’五个字节共十个字节一次发给服务端，然后睡眠5秒；服务端将event.events=属性设置EPOLLIN时为水平触发，此时服务端每次读5个字节，读完5个字节后，剩下的5个字节会存在缓冲区，因为此时为水平触发，所以epoll_wait函数仍然会触发读监听事件，会再次调用然后将这5个字节读出来，最后打印结果为：

aaaa
bbbb
//隔5秒后
cccc
dddd
...//每次间隔5秒

此时服务端将将event.events=属性设置改为EPOLLIN | EPOLLET，将会开启边沿触发模式，此时服务端读走5个字符后，缓冲区内还剩5个字符，epoll_wait函数也不会被调用去将这五个字符读出，只会等到5秒后客户端在发来数据时再调用，将缓冲区内的5个字符读出。此时的打印结果为：

aaaa
//隔5秒后
bbbb
//隔5秒后
cccc
...

服务端

#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>
#include <ctype.h>
#include <sys/epoll.h>

#define IP "127.0.0.1"
#define PORT 8888
#define READNUM 10

int main()
{
    int sfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);

    struct sockaddr_in serv_addr;
    bzero(&serv_addr,sizeof (serv_addr));
    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_port = htons(PORT);
    inet_pton(AF_INET,IP,&serv_addr.sin_addr.s_addr);
    socklen_t serv_len = sizeof (serv_addr);
    bind(sfd,(struct sockaddr*)&serv_addr,serv_len);

    listen(sfd,128);

    struct sockaddr_in clie_addr;
    socklen_t clie_len = sizeof (clie_addr);
    int cfd = accept(sfd,(struct sockaddr*)&clie_addr,&clie_len);
    char acceptbuf[BUFSIZ];
    printf("%s connected, port = %d\n",inet_ntop(AF_INET,&clie_addr.sin_addr.s_addr,acceptbuf,sizeof (acceptbuf))
           ,ntohs(clie_addr.sin_port));

    //创建监听的红黑树
    int epfd = epoll_create(10);

    struct epoll_event event;
    //event.events = EPOLLIN;//水平触发
    event.events = EPOLLIN|EPOLLET;//边沿触发
    event.data.fd = cfd;
    epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,cfd,&event);

    while(1){
        struct epoll_event outevent[10];
        //返回的就是直接满足监听条件的文件描述符个数
        int nready = epoll_wait(epfd,outevent,sizeof (outevent),-1);
        for(int i = 0; i < nready; i++){
            //如果监听的不是读事件 就跳过
            if(!(outevent[i].events & EPOLLIN))
                continue;
            char buf[BUFSIZ];
            memset(buf,0,sizeof (buf));
            if(outevent[i].data.fd == cfd){
                int len = read(cfd,buf,READNUM/2);
                write(STDOUT_FILENO,buf,len);
            }
        }
    }
    close(sfd);
    return 0;
}

客户端

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>

#define PORT 8888
#define IP "127.0.0.1"

int main()
{
    int sfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);

    struct sockaddr_in clie_addr;
    bzero(&clie_addr,sizeof (clie_addr));
    clie_addr.sin_family = AF_INET;
    clie_addr.sin_port = htons(PORT);
    inet_pton(AF_INET,IP,&clie_addr.sin_addr.s_addr);
    socklen_t clie_len = sizeof (clie_addr);
    connect(sfd,(struct sockaddr*)&clie_addr,clie_len);

    char buf[BUFSIZ];
    memset(buf,0,sizeof (buf));
    char ch = 'a';

    while(1){
        int i = 0;
        for(; i < 5; i++){
            buf[i] = ch;
        }
        buf[i-1] = '\n';
        ch++;
        for(;i<10;i++){
            buf[i] = ch;
        }
        buf[i-1] = '\n';
        ch++;
        write(sfd,buf,10);
        sleep(5);
    }

    return 0;
}

边沿触发与水平触发对比

情况一

当客户端与服务端通信时，假如每次要发5000B的数据，假设这5000B数据中前50B数据包含了剩下的4950B数据的信息

  • 此情况下边沿触发好过水平触发，因为读50B就可以做出判定剩下的4950B数据对客户端有没有用，需不需要读，不需要就不读，清空缓冲区即可
  • 水平触发即便知道剩下的数据不需要也要一直读完才行，会拖慢程序执行效率。

情况二

在使用readn函数要读取500B数据时，假设此时服务端只发来了200B数据，readn函数会发生阻塞，等待剩下300B数据的到来，此时如果采用边沿触发模式

  • readn会在下一次数据到来前阻塞，而readn函数阻塞等待，导致epoll_wait函数无法监听下次数据的到来，readn又在阻塞等下次数据到来，最后的结果就是形成“死锁”。

此时可以使用fcntl函数设置readn函数为不阻塞。这也就引出了第三种模型epoll非阻塞IO模型。

2 epoll非阻塞IO模型

代码实例

客户端同上，服务端有所修改

/*
 * 边缘触发与水平触发对比
*/
#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>
#include <ctype.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <fcntl.h>

#define IP "127.0.0.1"
#define PORT 8888
#define READNUM 10

int main()
{
    int sfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);

    struct sockaddr_in serv_addr;
    bzero(&serv_addr,sizeof (serv_addr));
    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_port = htons(PORT);
    inet_pton(AF_INET,IP,&serv_addr.sin_addr.s_addr);
    socklen_t serv_len = sizeof (serv_addr);
    bind(sfd,(struct sockaddr*)&serv_addr,serv_len);

    listen(sfd,128);



    //创建监听的红黑树
    int epfd = epoll_create(10);
    struct epoll_event event;
    //event.events = EPOLLIN;
    event.events = EPOLLIN|EPOLLET;


    struct sockaddr_in clie_addr;
    socklen_t clie_len = sizeof (clie_addr);
    int cfd = accept(sfd,(struct sockaddr*)&clie_addr,&clie_len);
    char acceptbuf[BUFSIZ];
    printf("%s connected, port = %d\n",inet_ntop(AF_INET,&clie_addr.sin_addr.s_addr,acceptbuf,sizeof (acceptbuf))
           ,ntohs(clie_addr.sin_port));

	//通过fcntl将文件属性设置为非阻塞
    int flag = fcntl(cfd,F_GETFL);
    flag |= O_NONBLOCK;
    fcntl(cfd,F_SETFL,flag);

    event.data.fd = cfd;
    //将cfd加入到红黑树中监听
    epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,cfd,&event);

    while(1){
        struct epoll_event outevent[10];
        //返回的就是直接满足监听条件的文件描述符个数
        int nready = epoll_wait(epfd,outevent,sizeof (outevent),-1);
        for(int i = 0; i < nready; i++){
            //如果监听的不是读事件 就跳过
            if(!(outevent[i].events & EPOLLIN))
                continue;
            char buf[BUFSIZ];
            memset(buf,0,sizeof (buf));
            int len = 0;
            if(outevent[i].data.fd == cfd){
            //使用while语句，当缓冲区还有数据时会直接读完，减少了重复调用epoll_wait的次数。
            //且此处即使使用readn函数一次读不够且不会发生阻塞，因为使用fcntl函数改变属性为非阻塞了
                while((len = read(cfd,buf,READNUM/2)) > 0)
                    write(STDOUT_FILENO,buf,len);
            }
        }
    }
    close(sfd);
    return 0;
}

运行结果：

aaaa
bbbb
//隔5秒后
cccc
dddd
...//每次间隔5秒

采用边沿触发模式，通过fcntl函数修改文件属性为非阻塞，相当于使用边沿触发实现了水平触发的效果。这种方法相比单纯的水平触发与边沿触发模式都要好。相比较于单纯的水平触发，调用epoll_wait函数的次数少了，增加了代码的执行效率。相比较于单纯的边沿触发，增加了灵活性，且有效避免了“死锁”的出现。

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