C++网络编程实践：使用C++11基于epoll技术实现一个超大并发TCP服务器_c++ epoll高并发服务器详细代码

理解epoll

epoll 是一种 I/O 复用技术，它允许一个线程有效地管理多个文件描述符（在本例中为套接字），而无需为每个连接创建单独的线程。这是通过事件驱动的方式来实现的，epoll 能够通知你哪些套接字已经准备好进行读写操作。

在传统的基于线程的模型中，每当有一个新的连接，服务器就会创建一个新的线程来处理这个连接。这种方法在连接数量较少时工作良好，但在高并发场景下会遇到线程上下文切换开销大、系统资源消耗过多等问题。

相比之下，epoll 允许你在一个线程中处理数千甚至数百万个连接，而不会因为线程管理带来额外的开销。epoll 通过注册事件（如 EPOLLIN 表示可读，EPOLLOUT 表示可写）来监控多个套接字。当某些套接字准备好时，epoll_wait 函数会立即返回这些套接字的列表，然后服务器可以依次处理这些事件，而无需创建新线程。

使用epoll的优势

使用 epoll 进行网络编程相比于传统的 select 和 poll 方法具有显著的优势，尤其在处理大量并发连接的场景下更为明显

1. 高效率： epoll 使用更高效的数据结构和算法，例如基于红黑树的实现，使得它在处理大量文件描述符时效率远高于 select 和 poll。它能够快速查找和更新事件状态，减少了系统调用的次数和上下文切换的开销。

2. 扩展性： epoll 支持水平触发（Level Triggered, LT）和边缘触发（Edge Triggered, ET）两种模式。ET 模式下，epoll 只在事件首次发生时报告，这可以减少不必要的事件报告，提高效率。LT 模式则允许重复报告事件直到被处理。

3. 节省资源： epoll 不需要为每一个文件描述符维护一个内核数据结构，而是使用一个文件描述符来管理多个连接，这样减少了内存使用和系统资源的消耗。

4. 无连接数限制： select 的最大限制是受 FD_SETSIZE 的约束，而 epoll 没有硬性的连接数限制，理论上可以处理成千上万乃至更多数量的并发连接。

5. 精确的超时控制： epoll 提供了更精确的超时控制，这对于需要高精度超时的网络应用尤为重要。

6. 低延迟和高吞吐量： epoll 的事件通知机制允许快速响应网络事件，降低延迟并提高整体吞吐量。

7. 事件驱动模型： epoll 基于事件驱动，这意味着只有当套接字上的事件真正发生时才会有通知，这避免了轮询所有连接所带来的开销。

8. 支持多路复用： epoll 可以同时处理多个套接字的读写事件，使得服务器可以有效地处理大量并发请求，而无需为每个连接创建额外的线程或进程。

9. 低内存拷贝开销： 在处理事件时，epoll 可以直接访问内核中的数据结构，减少了用户空间和内核空间之间不必要的内存拷贝。

10. 灵活的通知机制： epoll 允许应用程序注册不同类型的事件，包括读事件、写事件等，以及错误条件和挂起事件。

代码样例 

下面用epoll技术实现一个TCP服务器，具体方法和思路看注释

#include <iostream>
#include <string.h> 
#include <unistd.h> 
#include <sys/socket.h>  // socket, bind, listen, accept
#include <netinet/in.h>  // sockaddr_in
#include <arpa/inet.h>   // inet_addr
#include <fcntl.h>       // fcntl
#include <errno.h>   
#include <sys/epoll.h>   // epoll
#include <unordered_map>
#include <string>
#include <vector>
 
#define MAX_EVENTS 3000
 
class TCPServer {
public:
    //构造函数
    TCPServer(int port) : listenSocket(-1), port(port){}
 
    ~TCPServer() {
        if (listenSocket != -1)
            close(listenSocket);
    }
 
    void start() {
        initSocket();
        setupEpoll();
        listen(listenSocket, SOMAXCONN);
        std::cout << "Server started on port " << port << std::endl;
        run();
    }
 
private:
    int listenSocket;
    int epollFd;
    int port;
    int msgCount;
 
     /**
     * 初始化监听套接字
     * 该函数创建一个监听套接字，并将其绑定到指定的IP地址和端口上。
     * 如果创建或绑定套接字时发生错误，程序将输出错误信息并退出。
     */
    void initSocket() {
        // 创建一个流式套接字
        listenSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
        if (listenSocket == -1) {
            perror("Error creating socket");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
 
        // 设置套接字选项，允许重复使用地址
        // 这在重启服务时特别有用，可以避免因为地址还处于TIME_WAIT状态而无法绑定
        int optval = 1;
        setsockopt(listenSocket, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &optval, sizeof(optval));
 
        // 初始化sockaddr_in结构体，用于指定套接字要绑定的地址和端口
        struct sockaddr_in addr;
        memset(&addr, 0, sizeof(addr));
        addr.sin_family = AF_INET;
        addr.sin_port = htons(port);
        addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
 
        // 将套接字绑定到指定的地址和端口上
        if (bind(listenSocket, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr)) == -1) {
            perror("Error binding socket");
            close(listenSocket);
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
    }
 
    /**
     * 演示epoll的使用
     * 初始化epoll监听结构体
     * 本函数用于创建epoll实例，并将监听socket添加到epoll中，以非阻塞方式监听客户端连接请求。
     * 
     * @note 如果创建epoll实例或添加监听socket到epoll中失败，程序将退出。
     */
    void setupEpoll() {
        // 创建epoll实例
        epollFd = epoll_create1(0);
        if (epollFd == -1) {
            // 如果创建失败，输出错误信息，关闭监听socket，并退出程序
            perror("Error creating epoll instance");
            close(listenSocket);
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
 
        struct epoll_event ev;
        // 设置epoll事件类型为可读事件和边缘触发
        ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;
        // 将监听socket关联到epoll事件中
        ev.data.fd = listenSocket;
        if (epoll_ctl(epollFd, EPOLL_CTL_ADD, listenSocket, &ev) == -1) {
            // 如果添加监听socket到epoll失败，输出错误信息，关闭监听socket和epoll实例，并退出程序
            perror("Error adding listen socket to epoll");
            close(listenSocket);
            close(epollFd);
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
 
        // 将监听socket设置为非阻塞模式
        fcntl(listenSocket, F_SETFL, O_NONBLOCK);
    }
 
    /**
     * 主循环，负责监听和处理客户端连接。
     * 该循环将持续运行，直到发生无法恢复的错误。
     * 它通过epoll_wait监控客户端连接和已建立的连接上的活动。
     */
    void run() {
        while (true) {
            // 准备接收epoll_wait返回的事件。
            std::vector<struct epoll_event> events(MAX_EVENTS);
            
            // 调用epoll_wait阻塞，直到有事件发生或超时。超时时间为-1，表示无限等待。
            int numEvents = epoll_wait(epollFd, events.data(), MAX_EVENTS, -1);
            
            // 检查epoll_wait调用是否失败。
            if (numEvents == -1) {
                perror("Error in epoll_wait");
                break;
            }
 
            // 遍历发生的事件，区分监听套接字和客户端套接字的事件。
            for (int i = 0; i < numEvents; ++i) {
                // 如果事件来源是监听套接字，则处理新的客户端连接请求。
                if (events[i].data.fd == listenSocket) {
                    handleNewConnection();
                }
                else {
                    // 如果事件来源是已建立的客户端套接字，则处理客户端的请求或数据。
                    handleClient(events[i].data.fd);
                }
            }
        }
    }
 
    /**
     * 接收新连接
     */
    void handleNewConnection() {
        int clientSocket = accept(listenSocket, nullptr, nullptr);
        if (clientSocket == -1) {
            if (errno != EAGAIN && errno != EWOULDBLOCK) {
                perror("Error accepting new connection");
            }
            return;
        }
 
        //添加到epoll中
        struct epoll_event ev;
        ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;
        ev.data.fd = clientSocket;
        if (epoll_ctl(epollFd, EPOLL_CTL_ADD, clientSocket, &ev) == -1) {
            perror("Error adding client socket to epoll");
            close(clientSocket);
            return;
        }
 
        //设置非阻塞模式
        fcntl(clientSocket, F_SETFL, O_NONBLOCK);
 
        struct sockaddr_in addr;
        socklen_t len = sizeof(addr);
        getpeername(clientSocket, (struct sockaddr*)&addr, &len);
        std::string address = inet_ntoa(addr.sin_addr);
            std::cout << "Client connected " << address << std::endl;
        }
 
    /**
     * 处理客户端消息
     */
    void handleClient(int clientSocket) {
        ssize_t bytesRead = read(clientSocket, buffer, sizeof(buffer) - 1);
        if (bytesRead == -1) {
            if (errno != EAGAIN && errno != EWOULDBLOCK) {
                perror("Error reading from client");
            }
            return -1;
        }else if(bytesRead == 0){
            close(clientSocket);
            epoll_ctl(epollFd, EPOLL_CTL_DEL, clientSocket, nullptr);
            std::cout << "Client Disconnected "  << std::endl;
            return 0;
        }
 
        std::cout << "Received data " << bytesRead  << std::endl;
        //回复一些数据
        //write(clientSocket, buffer, len);
    }
};
 
 
 
int main(int argc, char* argv[]) {
    int PORT = 8080;
     if (argc >= 2) {
        PORT = std::atoi(argv[1]);
    }
    TCPServer server(PORT);
    server.start();
 
    return 0;
}