Epoll封装类实现
描述
关于epoll的原理，以及和poll、select、IOCP之间的比较，网上的资料很多，这些都属于I/O复用的实现方法，即可以同时监听发生在多个I/O端口（socket套接字描述符或文件描述符）的事件，并将事件从内核通知到用户区，实现对特定事件的响应处理，而epoll可认为是poll的改进版，在多个方面大幅度提高了性能（当然也是在监听描述符多、活跃描述符少的条件下）。
epoll的主要特点有以下几点：
- 1.支持一个进程打开最大数目的socket描述符，通常数目只受限于系统内存；
- 2.IO效率不随FD数目的增加而下降，它只对“活跃”的socket进行操作；
- 3.使用内存映射加速内核与用户空间的消息传递。
这里只是简单介绍了epoll的几个重要特征，总之，epoll的高性能使其在服务器网络连接层开发中应用的很广泛，包括很多开源的服务器框架底层也采用了epoll。下面我们主要来设计实现一个epoll操作封装类。
首先说明一下，epoll主要三个操作函数：
- int epoll_create(int size);
创建一个epoll的句柄。自从linux2.6.8之后，size参数是被忽略的。需要注意的是，当创建好epoll句柄后，它就是会占用一个fd值，在linux下如果查看/proc/进程id/fd/，是能够看到这个fd的，所以在使用完epoll后，必须调用close()关闭，否则可能导致fd被耗尽。
- int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
epoll的事件注册函数，它不同于select()是在监听事件时告诉内核要监听什么类型的事件，而是在这里先注册要监听的事件类型。
第一个参数是epoll_create()的返回值。
第二个参数表示动作，用三个宏来表示：
EPOLL_CTL_ADD：注册新的fd到epfd中；
EPOLL_CTL_MOD：修改已经注册的fd的监听事件；
EPOLL_CTL_DEL：从epfd中删除一个fd；
第三个参数是需要监听的fd。
第四个参数是告诉内核需要监听什么事件，struct epoll_event结构如下：
typedef union epoll_data
{
pointer ptr;
int fd;
uint u32;
uint64 u64;
} epoll_data_t;
struct epoll_event
{
uint events; /* Epoll events */
epoll_data_t data; /* User data variable */
};
events可以是以下几个宏的集合：
- EPOLLIN ：表示对应的文件描述符可以读（包括对端SOCKET正常关闭）；
- EPOLLOUT：表示对应的文件描述符可以写；
- EPOLLPRI：表示对应的文件描述符有紧急的数据可读（这里应该表示有带外数据到来）；
- EPOLLERR：表示对应的文件描述符发生错误；
- EPOLLHUP：表示对应的文件描述符被挂断；
- EPOLLET：将EPOLL设为边缘触发(Edge Triggered)模式，这是相对于水平触发(Level Triggered)来说的。
- EPOLLONESHOT：只监听一次事件，当监听完这次事件之后，如果还需要继续监听这个socket的话，需要再次把这个socket加入到EPOLL队列里。
epoll_data_t是一个联合结构，64位大小，可以存fd。这里具体实现中我们存一个CEpollObject对象的指针，以确保epoll_wait从网络中接收到的消息确实是我们通过一个CEpollObject对象监听到的。
- int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);
收集在epoll监控的事件中已经发送的事件。参数events是分配好的epoll_event结构体数组，epoll将会把发生的事件赋值到events数组中（events不可以是空指针，内核只负责把数据复制到这个events数组中，不会去帮助我们在用户态中分配内存）。maxevents告之内核这个events有多大，这个 maxevents的值不能大于创建epoll_create()时的size，参数timeout是超时时间（毫秒，0会立即返回，-1将不确定，也有说法说是永久阻塞）。如果函数调用成功，返回对应I/O上已准备好的文件描述符数目，如返回0表示已超时。
Epoll封装类实现
设计思想：通过一个模板类实现向Epoll注册、修改和删除事件等操作，需要使用epoll类都必须走这个模块类，类似一种委托的功能回调模板类实例化对象的epoll监听事件响应处理操作，主要实现类：CEpollObjectInf、CEpoll和CEpollObject模板类。
CEpollObjectInf类的实现
主要功能：表达epoll_data_t的存储内容，以及提供对epoll_wait监听到的事件提供响应处理接口
实现代码：
#include < sys/socket.h >
#include < netinet/in.h >
#include < arpa/inet.h >
#include < sys/epoll.h >
#define INVAILD_SOKET (~0)
class CEpoll;
class CEpollObjectInf
{
friend class CEpoll;
protected:
//这两个变量为CEpoll的WaitAndEvent中做对象合法检验，
//如果是64位系统，则不要SOCKET变量
CEpoll *m_pstEpoll;
SOCKET m_iSocket;
public:
CEpollObjectInf()
:m_pstEpoll(NULL),
m_iSocket(INVAILD_SOKET )
{}
virtual CEpollObjectInf(){}
protected:
virtual void OnEpollEvent(int iEvent) = 0;
}
CEpoll类的实现
主要功能：封装epoll的各项操作
代码实现：
#define UINT64_MAKE(high, low) ((uint64)(((unsigned int)((low) & 0xFFFFFFFF)) | ((uint64)((unsigned int)((high) & 0xFFFFFFFF))) < < 32))
#define UINT64_LOW(i) ((unsigned int)((uint64)(i) & 0xFFFFFFFF))
#define UINT64_HIGH(i) ((unsigned int)((uint64)(i) > > 32))
class CEpoll
{
public:
CEpoll()
:m_kdpfd(0),
m_size(0),
m_iWaitSize(0),
m_astEvents(0)
{}
virtual ~CEpoll()
{
Exit();
}
public:
//初始化
int Init(int iEpollSize, int iWaitSize)
{
m_size = iEpollSize;
m_iWaitSize = iWaitSize;
m_astEvents = new epoll_event[m_iWaitSize];
if(!m_astEvents)
return -1;
m_kdpfd = epoll_create(m_size);
if(m_kdpfd < 0)
return -2;
return 0;
}
/**
*等待时间发生或超时
*iTimeout 等待的超时时限单位毫秒
*return < 0 表示出错 =0表示超过时间 >0 表示收到并处理的事件个数
**/
int Wait(int iTimeOut)
{
return epoll_wait(m_kdpfd,m_astEvents,m_iWaitSize,iTimeOut);
}
/**
*等待事件发生或超时，并调用方法
*iTimeOut 等待超时时限，单位毫秒
*return < 0 表示出错 =0 表示没有 >0 表示收到并处理的事件个数
*/
int WaitAndEvent(int iTimeOut)
{
int iEventCount = Wait(iTimeOut);
if(iEventCount < 0)
{
return iEventCount;
}
else if(iEventCount == 0) // 超时
{
return 0;
}
//一次最多处理1000个事件
for(int i = 0;i < iEventCount && i < 1000; ++i)
{
//在64位系统下uData只能存放一个指针
uint64 uData = GetData(i);
#ifdef BIT64
CEpollObjectInf *pstObjectPos = (CEpollObjectInf *)uData;
#else
CEpollObjectInf *pstObjectPos = (CEpollObjectInf *)(UINT64_LOW(uData));
#endif
uint uiEvent = GetEvent(i); // event
//判断对象是否合法
if(pstObjectPos == NULL || pstObjectPos- >m_pstEpoll != this)
{
//不处理本次事件，继续处理下一个事件
continue;
}
pstObjectPos- >OnEpollEvent(uiEvent);
}
return iEventCount;
}
uint64 GetData(int i) const
{
ASSERT(i < m_iWaitSize)
return m_astEvents[i].data.u64;
}
uint GetEvent(int i) const
{
ASSERT(i < m_iWaitSize)
return m_astEvents[i].events;
}
static bool IsInputEvent(int iEvent)
{
return (iEvent & EPOLLIN) != 0;
}
static bool IsOutputEvent(int iEvent)
{
return (iEvent & EPOLLOUT) != 0;
}
static bool IsCloseEvent(int iEvent)
{
return (iEvent & (EPOLLHUP|EPOLLERR)) != 0;
}
int Add(SOCKET s, uint64 data, uint event)
{
m_stEvent.events = event|EPOLLERR|EPOLLHUP;
m_stEvent.data.u64 = data;
int iRet = epoll_ctl(m_kdpfd,EPOLL_CTL_ADD,s,&m_stEvent);
return iRet;
}
int Del(SOCKET s, uint64 data = 0, uint event = EPOLLIN)
{
m_stEvent.events = 0;
m_stEvent.data.u64 = data;
int iRet = epoll_ctl(m_kdpfd,EPOLL_CTL_DEL,s,&m_stEvent);
return iRet;
}
int Mod(SOCKET s, uint64 data, uint event)
{
m_stEvent.events = event|EPOLLERR|EPOLLHUP;
m_stEvent.data.u64 = data;
int iRet = epoll_ctl(m_kdpfd,EPOLL_CTL_MOD,s,&m_stEvent);
return iRet;
}
protected:
void Exit()
{
if(m_astEvents)
{
delete []m_astEvents;
m_astEvents = 0;
}
if(m_kdpfd > 0)
{
close(m_kdpfd);
mkdpfd = 0;
}
}
protected:
int m_kdpfd;
int m_size;
int m_iWaitSize;
struct epoll_event *m_astEvents;
struct epoll_event m_stEvent;
};
CEpollObject模版类的实现
主要功能：托管CEpoll类的具体操作，注册事件到Epoll，必须实例化CEpollObject模版类，并覆盖实现具体的事件处理函数，以回调不同对象对事件的处理函数。
代码实现：
template< typename Owner >
class CEpollObject: public CEpollObjectInf
{
friend class CEpoll;
public:
typedef void (Owner::*PF_EPOLL_EVENT)(CEpollObject *pstObject,Socket iSocket, int iEvnet);
protected:
Owner *m_pstOwner;
PF_EPOLL_EVENT m_pfEvent;
unsigned int m_iRegEvent;
public:
CEpollObject()
:m_pstOwner(NULL),
m_pfEvent(NULL),
m_iRegEvent(0)
{}
virtual ~CEpollObject() {Unregister();}
/**
*注册到Epoll中
**/
int Register(Owner &stOwner, PF_EPOLL_EVENT pfEvent,CEpoll &stEpoll,SOCKET iSocket, unsigned int iRegEvent)
{
ASSERT(iSocket != INVALID_SOCKET && iRegEvent > 0 && pfEvent != NULL);
int iRet = Unregister();
if(iRet)
return iRet;
m_pstOwner = &stOwner;
m_pstEpoll = &stEpoll;
m_pfEvent = pfEvent;
m_iRegEvent = iRegEvent;
m_iSocket = iSocket;
uint64 uData = CreateData(m_iSocket);
iRet = m_pstEpoll- >Add(m_iSocket,uData,m_iRegEvent);
return iRet;
}
/**
*更改关注的事件
**/
int ModRegEvent(int iRegEvent)
{
m_iRegEvent = iRegEvent;
if(m_pstEpoll)
{
uint64 uData = CreateData(m_iSocket);
return m_pstEpoll- >Mod(m_iSocket,uData,m_iRegEvent);
}
return 0;
}
protected:
virtual void OnEpollEvent(int iEvent)
{
ASSERT(m_pstOwner != NULL && m_pfEvent != NULL);
(m_pstOwner- >*m_pfEvent)(this,m_iSocket,iEvent);
}
int Unregister()
{
int iRet = 0;
if(m_pstEpoll)
{
iRet = m_pstEpoll- >Del(m_iSocket);
m_pstEpoll = NULL;
}
m_pstOwner = NULL;
m_pfEvent = NULL;
m_iRegEvent = 0;
m_iSocket = INVALID_SOCKET;
return iRet;
}
uint64 CreateData(SOCKET iSocket)
{
#ifdef BIT64
return (uint64)this;
#else
return UINT64_MAKE(iSocket, (unsigned int)this);
#endif
}
};
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