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IO多路转接技术 —— poll/epoll详解

• • 1. poll详解
  • 2. epoll详解
  • • （1）API介绍
    • （2）epoll树
    • （3）epoll模型
    • （4）epoll的三种工作模式
    • （5）文件描述符1024限制
  • 图书推荐 -《构建高性能嵌入式系统》

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专栏：《Linux从小白到大神》《网络编程》

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1. poll详解

• 函数原型

  int poll(struct pollfd *fd, nfds_t nfds, int timeout);
  

• 函数参数

  • fd：数组的地址，struct pollfd all[120]; 其中struct pollfd结构体如下

    struct pollfd {int   fd;         /* 文件描述符 */short events;     /* 等待的事件 */short revents;    /* 实际发生的事件 */
    };
    

    结构体红各项含义如下：

    • 文件描述符fd：表示要坚持测的fd，通过 open(“a.txt”, O_wronly | O_append); 获得。

    • events：要等待的事件

      

    • revents：实际发生的事件，它是内核给的反馈，在select的时候，会有一个备份来供内核修改并传出。

  • nfds：数组的最大长度, 数组中最后一个使用的元素下标+1

  • • 内核会轮询检测fd数组的每个文件描述符

  • timeout:

  • • -1：永久阻塞
    • 0：调用完成立即返回
    • >0：等待的时长毫秒

• 函数返回值：IO发生变化的文件描述符的个数。

2. epoll详解

（1）API介绍

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int epoll_create(int size);

• 函数功能：生成一个epoll专用的文件描述符，实际上就是生成一个epoll树的根结点。
• 函数参数：size，epoll树上能挂的最大文件描述符数量。表示我想在这个树节点上挂size个节点，假如实际上的节点大于size的话epoll会自动扩展，所以这个大小可以随便传，不用太在意。但是这个扩展也是有上限的，如果电脑内存是1G，那么扩展的上限是10万（2G就是20万。。。通过加内存可以扩大上限）。
• 函数返回值：函数返回值是树的根节点，在后面用到epft参数的时候，都是指这个返回值，也就是树的根节点。

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int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

• 函数功能：用于控制某个epoll文件描述符事件，可以注册、修改、删除。

• 函数参数：

  • epfd：epoll_create()函数生成的专用文件描述符。

  • op：

    • EPOLL_CTL_ADD —— 注册
    • EPOLL_CTL_MOD —— 修改
    • EPOLL_CTL_DEL —— 删除

  • fd：关联的文件描述符

  • event：告诉内核要监听什么事件

    • EPOLLIN —— 读

    • EPOLLOUT —— 写

    • EPOLLERR —— 异常

    • struct epoll_event { /* 该结构体主要存放和fd有关的信息 */uint32_t     events;                          epoll_data_t data; 
      };typedef union epoll_data {void         *ptr;int          fd;uint32_t     u32;uint64_t     u64;
      } epoll_data_t;
      

      • epoll_data_t是一个联合体union，四个成员共用同一块内存，也就是说四个成员我们只能用一个，一般情况下我们用fd，这个fd实际上就是epoll_ctl()函数的第三个参数fd。

      • 如果我们想在epoll树上挂载更多信息，而不仅仅是fd文件描述符的话，我们可以把更多信息封装在结构体中，并把该结构体传给epoll_data_t结构体的ptr指针，这样就可以在epoll树上挂载和fd有关的更多信息。

        struct sockInfo
        {int 				fd;struct sockaddr_in 	addr;
        };
        

        比如说，要获取发生变化的fd对应的client的IP和port，就可以利用指针ptr，这样的话联合epoll_data_t中的fd就不能用了，我们把文件描述符传给sockInfo的fd即可完成fd信息的挂载。

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int epoll_wait(int epfd,struct epoll_event* events,  /* 结构体数组 */int maxevents,int timeout);

• 函数功能：等待IO事件发生（可以设置阻塞），epoll_wait()函数相当于前面讲的select()或poll()函数，表示委托内核去进行检测。epoll_event通过返回值和传出参数events来实现把哪几个fd发生变化告诉server进程的目的。首先，每当有fd变化，就把这个fd对应的树节点拷贝到events数组中，最后，有几个fd变化，就返回几。这样只要根据返回值和参数events就可以遍历出所有变化的fd以及相关信息。

• 函数参数：

  • epfd：要检测的句柄

  • events：用于回传待处理事件的数组。它是一个传出参数，需要提前分配内存，哪个fd发生变化了，就把哪个fd的树节点(struct epoll_event)拷贝一份放到这个数组中。这样epoll就能返回是哪个fd发生了变化。

  • maxevents：告诉内核events的大小，因为内核要把发生变化的fd对应的树节点拷贝到数组中，所以要知道数组大小。

  • timeout：为超时时间

  • • -1：永久阻塞
    • 0：立即返回
    • >0

• 函数返回值：有多少个fd发生了变化就返回几（变化的fd信息存在events数组中）。

（2）epoll树

（3）epoll模型

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <ctype.h>
#include <sys/epoll.h>int main(int argc, const char* argv[])
{if(argc < 2){printf("eg: ./a.out port\n");exit(1);}struct sockaddr_in serv_addr;socklen_t serv_len = sizeof(serv_addr);int port = atoi(argv[1]); //字符串转整形值// 创建套接字int lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);// 初始化服务器 sockaddr_in memset(&serv_addr, 0, serv_len);serv_addr.sin_family = AF_INET; // 地址族 serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 监听本机所有的IPserv_addr.sin_port = htons(port); // 设置端口 // 绑定IP和端口bind(lfd, (struct sockaddr*)&serv_addr, serv_len);// 设置同时监听的最大个数listen(lfd, 36);printf("Start accept ......\n");struct sockaddr_in client_addr;socklen_t cli_len = sizeof(client_addr);// 创建epoll树根节点int epfd = epoll_create(2000);// 初始化epoll树struct epoll_event ev;ev.events = EPOLLIN;ev.data.fd = lfd;epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, lfd, &ev);//存放发生变化的fd对应的树节点struct epoll_event all[2000];while(1){// 使用epoll通知内核fd 文件IO检测int ret = epoll_wait(epfd, all, sizeof(all)/sizeof(all[0]), -1);// 遍历all数组中的前ret个元素 //ret表示有几个变化的fd，变化的fd都存在all数组中for(int i=0; i<ret; ++i){int fd = all[i].data.fd;// 判断是否有新连接if(fd == lfd){// 接受连接请求 // accept不阻塞，因为已经有连接int cfd = accept(lfd, (struct sockaddr*)&client_addr, &cli_len);if(cfd == -1){perror("accept error");exit(1);}// 将新得到的cfd挂到树上struct epoll_event temp;temp.events = EPOLLIN; //检测cfd对应的读缓冲区，是否有数据传入temp.data.fd = cfd;epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, cfd, &temp);// 打印客户端信息char ip[64] = {0};printf("New Client IP: %s, Port: %d\n",inet_ntop(AF_INET, &client_addr.sin_addr.s_addr, ip, sizeof(ip)),ntohs(client_addr.sin_port));}else{// 处理已经连接的客户端发送过来的数据if(!all[i].events & EPOLLIN) //只处理读事件{continue;}/*假如说client发送过了100个数据，也就是serve的read缓冲区有100个数据，但是调用recv函数的时候只能读50个数据，而本次循环只调用了一次recv，那么只能下次循环再读剩余的50个数据，所以下次循环检测的时候，epoll_wait还是会返回，因为缓冲区还是剩余数据。这就是水平触发模式。这样的话虽然client只发了1次，但是epoll_wait会通知两次server去读数据。*/// 读数据char buf[1024] = {0};int len = recv(fd, buf, sizeof(buf), 0);if(len == -1){perror("recv error");exit(1);}else if(len == 0){printf("client disconnected ....\n");//close(fd);// fd从epoll树上删除ret = epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, fd, NULL);// 挂树的时候需要ev,把ev挂在树上删除写NULL就行了if(ret == -1){perror("epoll_ctl del error");exit(1);}close(fd);}else{printf(" recv buf: %s\n", buf);write(fd, buf, len);}}}}close(lfd);return 0;
}

epoll维护的红黑树是存在一个共享内存中，内核和用户都可以通过操作这个共享内存来操作树，不需要内核态和用户态的切换，也不需要两种状态之间的数据拷贝，所以效率更高。

（4）epoll的三种工作模式

• 水平触发模式 - （根据读来解释）

• • 只要fd对应的缓冲区有数据，epoll_wait就会返回
  • 返回的次数与发送数据的次数没有关系
  • epoll默认的工作模式

• 边沿触发模式 - ET

• • fd - 默认阻塞属性

  • 客户端给server发数据:

  • • 发一次数据server 的 epoll_wait就返回一次

    • 不在乎数据是否读完

    • 如果读不完，如何把数据全部读出来?

    • • while(recv());

      • • 数据读完之后recv会阻塞
        • 解决阻塞问题 —— 设置非阻塞fd

对于epoll_wait()来说，epoll_wait 调用次数越多, 系统的开销越大。

水平触发模式会多次返回，只要server的read缓冲区有数据，epoll_wait就返回，也就会通知server去读数据，那么在循环检测的时候，只要server的read缓冲区有数据，epoll_wait就会多次调用，多次返回，并通知server去读数据；假如说client发送过了100个数据，也就是serve的read缓冲区有100个数据，但是调用recv函数的时候只能读50个数据，而本次循环只调用了一次recv，那么只能下次循环再读剩余的50个数据，所以下次循环检测的时候，epoll_wait还是会返回，因为缓冲区还是剩余数据。这就是水平触发模式。这样的话虽然client只发了1次，但是epoll_wait会通知两次server去读数据。 —— （printf函数是标准C库函数，C库函数都有一个默认缓冲区，printf的大小是8K。printf函数是行缓冲，使用printf函数的时候，如果不加 \n 会默认等到写满的时候才打印内容，加 \n 会强制把缓冲区的内容打印出来。另外 \0 表示结束，不加 \0 就会一直输出直到遇到 \0，用write(STDOUT_FILENO)替代printf函数就可以解决这些问题。）

边沿触发模式，client发一次数据epoll_wait只返回一次，也就只读一次，这样的话server的read缓冲区可能会有很多数据堆积，server读数据的时候可能读到的是上一次剩余的数据，并且只有client发的时候，epoll_wait才会通知server去读数据，边沿触发模式尽可能减少了epoll_wait的调用次数，缺点是数据有可能读不完导致堆积；

• 边沿非阻塞触发

1. • 效率最高

   • 如何设置非阻塞

   • • open()

     • • 设置flags
       • 必须 O_WDRW | O_NONBLOCK
       • 终端文件: /dev/tty

     • fcntl

     • • int flag = fcntl(fd, F_GETFL);
       • flag |= O_NONBLOCK;
       • fcntl(fd, F_SETFL, flag);

   • 如何将缓冲区的全部数据都读出？

     while(recv() > 0)

     {

     ​ printf();

     }

   • 当缓冲区数据读完之后, 返回值是否为0?

   • • 阻塞状态
       • 数据读完之后，recv阻塞
   • • 非阻塞状态
       • 强行读了一个没有数据的缓冲区(fd)，数据已经被读完了，因为是非阻塞，所以在while循环中recv还要继续读，导致返回-1
       • 判断 errno == EAGAIN

示例

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <ctype.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>int main(int argc, const char* argv[])
{if(argc < 2){printf("eg: ./a.out port\n");exit(1);}struct sockaddr_in serv_addr;socklen_t serv_len = sizeof(serv_addr);int port = atoi(argv[1]);// 创建套接字int lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);// 初始化服务器 sockaddr_in memset(&serv_addr, 0, serv_len);serv_addr.sin_family = AF_INET;                   // 地址族 serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);    // 监听本机所有的IPserv_addr.sin_port = htons(port);            // 设置端口 // 绑定IP和端口bind(lfd, (struct sockaddr*)&serv_addr, serv_len);// 设置同时监听的最大个数listen(lfd, 36);printf("Start accept ......\n");struct sockaddr_in client_addr;socklen_t cli_len = sizeof(client_addr);// 创建epoll树根节点int epfd = epoll_create(2000);// 初始化epoll树struct epoll_event ev;// 设置边沿触发ev.events = EPOLLIN; //监听的文件描述符没必要边沿触发，主要是通信的cfdev.data.fd = lfd;epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, lfd, &ev);struct epoll_event all[2000];while(1){// 使用epoll通知内核fd 文件IO检测int ret = epoll_wait(epfd, all, sizeof(all)/sizeof(all[0]), -1);printf("================== epoll_wait =============\n");// 遍历all数组中的前ret个元素for(int i=0; i<ret; ++i){int fd = all[i].data.fd;// 判断是否有新连接if(fd == lfd){// 接受连接请求int cfd = accept(lfd, (struct sockaddr*)&client_addr, &cli_len);if(cfd == -1){perror("accept error");exit(1);}// 设置文件cfd为非阻塞模式int flag = fcntl(cfd, F_GETFL);flag |= O_NONBLOCK;fcntl(cfd, F_SETFL, flag);// 将新得到的cfd挂到树上struct epoll_event temp;// 设置边沿触发temp.events = EPOLLIN | EPOLLET;temp.data.fd = cfd;epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, cfd, &temp);// 打印客户端信息char ip[64] = {0};printf("New Client IP: %s, Port: %d\n",inet_ntop(AF_INET, &client_addr.sin_addr.s_addr, ip, sizeof(ip)),ntohs(client_addr.sin_port));}else{// 处理已经连接的客户端发送过来的数据if(!all[i].events & EPOLLIN) {continue;}// 读数据char buf[5] = {0};int len;// 循环读数据while( (len = recv(fd, buf, sizeof(buf), 0)) > 0 ){// 数据打印到终端//不要用printf，因为printf如果找不到 \0 \n 字符会出现乱码，打印不出来等问题write(STDOUT_FILENO, buf, len);// 发送给客户端send(fd, buf, len, 0);}if(len == 0){printf("客户端断开了连接\n");ret = epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, fd, NULL);if(ret == -1){perror("epoll_ctl - del error");exit(1);}close(fd);}else if(len == -1){//数据已经被读完了，因为是非阻塞，所以在while循环中recv还要继续读，导致返回-1if(errno == EAGAIN){printf("缓冲区数据已经读完\n");}else{//这才是真正的recv错误printf("recv error----\n");exit(1);}}
#if 0if(len == -1){perror("recv error");exit(1);}else if(len == 0){printf("client disconnected ....\n");// fd从epoll树上删除ret = epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, fd, NULL);if(ret == -1){perror("epoll_ctl - del error");exit(1);}close(fd);}else{// printf(" recv buf: %s\n", buf);write(STDOUT_FILENO, buf, len);write(fd, buf, len);}
#endif}}}close(lfd);return 0;
}

（5）文件描述符1024限制

对于select来说，无法突破文件描述符1024上限，因为select是通过数组实现的。poll和epoll可以突破1024限制，poll是内部链表实现，而epoll是红黑树实现。

查看受计算机硬件限制的文件描述符上限可以通过下面命令

cat /proc/sys/fs/file-max

同样，我们也可以通过修改配置文件来修改这个上限，但是，我们在程序中设置的时候不能超过硬件限制的上限

vim /etc/security/limits.conf

• soft nofile 8000 —— 也可以通过命令ulimit -n 2000来修改为2000

• hard nofile 8000 —— 硬件资源限制

修改后重启系统即可起效。

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内容简介：
《构建高性能嵌入式系统》本书详细阐述了与构建高性能嵌入式系统相关的基本解决方案，主要包括构建高性能嵌入式系统、传感器、实时操作、FPGA项目、KiCad设计电路、构建高性能数字电路、固件开发、测试和调试嵌入式系统等内容。此外，本书还提供了相应的示例、代码，以帮助读者进一步理解相关方案的实现过程。

前 言
用于家庭、汽车和个人的现代数字设备包含越来越复杂的计算能力。这些嵌入式系统以每秒数千兆位的速率生成、接收和处理数字数据流。本书将教你如何使用现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）和高速数字电路设计技术来设计创建你自己的尖端数字设备。
本书读者
本书适用于软件开发人员、硬件工程师、物联网（IoT）开发人员以及其他任何寻求了解开发高性能嵌入式系统过程的人员。潜在受众包括有兴趣了解FPGA开发基础知识以及 C和C 固件开发所有方面的任何人。读者应当对C/C 语言、数字电路和焊接电子元件等有基本了解。
内容介绍
本书分为3篇，共10章，具体介绍如下。
第1篇：高性能嵌入式系统的基础知识，包括第1～3章。
第1章“高性能嵌入式系统”，详细阐释了嵌入式系统架构的元素，并讨论了在各种嵌入式应用中通用的一些关键系统特性。嵌入式系统通常包括至少一个微控制器或微处理器、传感器、执行器、电源，在许多情况下，还会有一个或多个网络接口。本章还深入探讨了嵌入式系统和物联网之间的关系。
第2章“感知世界”，详细介绍了在各种嵌入式应用中使用的传感器的原理和实现。无源传感器可测量周围环境的属性，如温度、压力、湿度、光强度和大气成分等。有源传感器则可以使用雷达和激光雷达等能量发射技术来探测物体并测量其位置和速度。此外，本章还介绍了与传感器通信的接口。
第3章“实时操作”，探讨了嵌入式系统对从传感器和其他来源测量的输入生成实时响应的需求，介绍了实时操作系统（RTOS）的概念及其关键特性，以及在实时应用程序中实现多任务处理时常见的一些挑战。此外，本章还介绍了一些流行的开源和商业RTOS实现的重要特征。
第2篇：设计和构建高性能嵌入式系统，包括第4～7章。
第4章“开发你的个FPGA项目”，首先讨论了实时嵌入式系统中 FPGA 设备的有效使用，然后阐释了标准FPGA中包含的功能元素。本章介绍了一系列FPGA设计语言，包括硬件描述语言（hardware description language，HDL）、原理图方法和流行的软件编程语言（包括C和C ）。本章介绍了FPGA开发过程，并提供了一个FPGA开发周期的完整示例。
第5章“使用FPGA实现系统”，深入探讨了使用FPGA设计和实现嵌入式设备的过程。本章首先介绍了FPGA编译软件工具和编译过程，使用工具可将编程语言中的逻辑设计描述转换为可执行的FPGA配置。本章还讨论了适合FPGA实现的算法类型，后还开发了一个基于FPGA的高速数字示波器基础项目。
第6章“使用KiCad设计电路”，介绍了优秀的开源KiCad电子设计和自动化套件。在KiCad中工作可以使用原理图设计电路并开发相应的印刷电路板布局。你将了解如何以非常合理的成本将电路板设计转变为原型产品。
第7章“构建高性能数字电路”，详细阐释了使用表面贴装和通孔电子元件组装高性能数字电路原型所涉及的过程和技术。本章介绍的电路板组装工具包括焊台、放大镜或显微镜以及用于处理微小零件的镊子等。此外，本章还介绍了回流焊接工艺，并描述了一些用于实现小规模回流能力的低成本选项。
第3篇：实现和测试实时固件，包括第8～10章。
第8章“首次给电路板通电”，介绍了如何为电路板通电做准备。本章将引导你完成首次向电路板供电并检查基本电路级功能的过程。发现任何问题时，可以按本章建议的方法调整电路。在测试通过之后，还可以添加FPGA逻辑，并测试示波器电路板的数字接口。
第9章“固件开发过程”，演示了如何在电路板正常运行后充实FPGA算法的其余关键部分，包括与模数转换器（analog to digital converter，ADC）的通信，以及MicroBlaze处理器固件的开发。在开发固件时，重要的是尽可能对代码进行静态分析，这样可以避免许多难以调试的错误。实现版本控制系统以跟踪项目生命周期中代码的演变也很重要。本章讨论了开发一个全面的、至少部分自动化的测试套件对于在进行更改时保持代码质量的重要性。此外，本章还着重介绍了编码风格。
第10章“测试和调试嵌入式系统”，讨论了嵌入式系统的全面测试问题。系统级测试必须针对整个系统预期范围的环境条件和用户输入（包括无效输入），以确保系统在所有条件下都能正常运行。此外，本章还讨论了有效调试技术，总结了高性能嵌入式系统开发的实践。
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