epoll聊天室的实现

1.服务端

a. 支持多个用户接入，实现聊天室的基本功能

b. 使用epoll机制实现并发，增加效率

2. 客户端

a. 支持用户输入聊天消息

b. 显示其他用户输入的信息

c. 使用fork创建两个进程

子进程有两个功能：

等待用户输入聊天信息
将聊天信息写到管道（pipe），并发送给父进程

父进程有两个功能

使用epoll机制接受服务端发来的信息，并显示给用户，使用户看到其他用户的聊天信息
将子进程发给的聊天信息从管道（pipe）中读取, 并发送给服务端

C/S模型

服务端和客户端采用经典的C/S模型，并且使用TCP连接.

TCP服务端通信的常规步骤

(1)使用socket()创建TCP套接字（socket）

(2)将创建的套接字绑定到一个本地地址和端口上（Bind）

(3)将套接字设为监听模式，准备接收客户端请求（listen）

(4)等待客户请求到来: 当请求到来后，接受连接请求，返回一个对应于此次连接的新的套接字（accept）

(5)用accept返回的套接字和客户端进行通信（使用write()/send()或send()/recv() )

(6)返回，等待另一个客户请求

(7)关闭套接字

TCP客户端通信的常规步骤

(1)创建套接字（socket）

(2)使用connect()建立到达服务器的连接（connect)

(3)客户端进行通信（使用write()/send()或send()/recv())

(4)使用close()关闭客户连接

阻塞与非阻塞socket

通常的，对一个文件描述符指定的文件或设备, 有两种工作方式: 阻塞与非阻塞方式。

（1）. 阻塞方式是指：当试图对该文件描述符进行读写时，如果当时没有数据可读，或者暂时不可写，程序就进入等待状态，直到有东西可读或者可写为止。

（2）. 非阻塞方式是指：如果没有数据可读，或者不可写，读写函数马上返回，而不会等待。

阻塞方式和非阻塞方式唯一的区别：是否立即返回。本项目采用更高效的做法，所以应该将socket设置为非阻塞方式。这样能充分利用服务器资源，效率得到了很大提高。

epoll

当服务端的在线人数越来越多，会导致系统资源吃紧，I/O效率越来越慢，这时候就应该考虑epoll了。epoll是Linux内核为处理大批句柄而作改进的poll，是Linux特有的I/O函数。其特点如下：

epoll是Linux下多路复用IO接口select/poll的增强版本。其实现和使用方式与select/poll有很多不同，epoll通过一组函数来完成有关任务，而不是一个函数。

epoll之所以高效，是因为epoll将用户关心的文件描述符放到内核里的一个事件表中，而不是像select/poll每次调用都需要重复传入文件描述符集或事件集。比如当一个事件发生（比如说读事件），epoll无须遍历整个被侦听的描述符集，只要遍历那些被内核IO事件异步唤醒而加入就绪队列的描述符集合就行了。

epoll有两种工作方式，LT(level triggered)：水平触发和ET(edge-triggered)：边沿触发。LT是select/poll使用的触发方式，比较低效；而ET是epoll的高速工作方式（本项目使用epoll的ET方式）。

epoll 共3个函数, 如下:

1、int epoll_create(int size)
创建一个epoll句柄，参数size用来告诉内核监听的数目，size为epoll所支持的最大句柄数

2、int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event)
函数功能： epoll事件注册函数
　参数epfd为epoll的句柄，即epoll_create返回值
　参数op表示动作，用3个宏来表示：
　　 EPOLL_CTL_ADD(注册新的fd到epfd)，
　EPOLL_CTL_MOD(修改已经注册的fd的监听事件)，
　　 EPOLL_CTL_DEL(从epfd删除一个fd)；
　　其中参数fd为需要监听的标示符；
　参数event告诉内核需要监听的事件，event的结构如下：
struct epoll_event {
__uint32_t events; //Epoll events
epoll_data_t data; //User data variable
};
其中介绍events是宏的集合，本项目主要使用EPOLLIN(表示对应的文件描述符可以读，即读事件发生)

3、 int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout)
等待事件的产生，函数返回需要处理的事件数目（该数目是就绪事件的数目，就是前面所说漂亮女孩的个数N）

因此服务端使用epoll的时候，步骤如下：

调用epoll_create函数在Linux内核中创建一个事件表；
然后将文件描述符（监听套接字listener）添加到所创建的事件表中；
在主循环中，调用epoll_wait等待返回就绪的文件描述符集合；
分别处理就绪的事件集合，本项目中一共有两类事件：新用户连接事件和用户发来消息事件

服务端实现

utility.h完整源码

 #ifndef UTILITY_H_INCLUDED

 #define UTILITY_H_INCLUDED

 #include <iostream>

 #include <list>

 #include <sys/types.h>

 #include <sys/socket.h>

 #include <netinet/in.h>

 #include <arpa/inet.h>

 #include <sys/epoll.h>

 #include <fcntl.h>

 #include <errno.h>

 #include <unistd.h>

 #include <stdio.h>

 #include <stdlib.h>

 #include <string.h>

 using namespace std;

 // clients_list save all the clients's socket

 list<int> clients_list;

 /**********************   macro defintion **************************/

 // server ip

 #define SERVER_IP "127.0.0.1"

 // server port

 #define SERVER_PORT 8888

 //epoll size

 #define EPOLL_SIZE 5000

 //message buffer size

 #define BUF_SIZE 0xFFFF

 #define SERVER_WELCOME "Welcome you join  to the chat room! Your chat ID is: Client #%d"

 #define SERVER_MESSAGE "ClientID %d say >> %s"

 // exit

 #define EXIT "EXIT"

 #define CAUTION "There is only one int the char room!"

 /**********************   some function **************************/

 /**

   * @param sockfd: socket descriptor

   * @return 0

 **/

 int setnonblocking(int sockfd)

 {

     fcntl(sockfd, F_SETFL, fcntl(sockfd, F_GETFD, )| O_NONBLOCK);

     return ;

 }

 /**

   * @param epollfd: epoll handle

   * @param fd: socket descriptor

   * @param enable_et : enable_et = true, epoll use ET; otherwise LT

 **/

 void addfd( int epollfd, int fd, bool enable_et )

 {

     struct epoll_event ev;

     ev.data.fd = fd;

     ev.events = EPOLLIN;

     if( enable_et )

         ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;

     epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &ev);

     setnonblocking(fd);

     printf("fd added to epoll!\n\n");

 }

 /**

   * @param clientfd: socket descriptor

   * @return : len

 **/

 int sendBroadcastmessage(int clientfd)

 {

     // buf[BUF_SIZE] receive new chat message

     // message[BUF_SIZE] save format message

     char buf[BUF_SIZE], message[BUF_SIZE];

     bzero(buf, BUF_SIZE);

     bzero(message, BUF_SIZE);

     // receive message

     printf("read from client(clientID = %d)\n", clientfd);

     int len = recv(clientfd, buf, BUF_SIZE, );

     if(len == )  // len = 0 means the client closed connection

     {

         close(clientfd);

         clients_list.remove(clientfd); //server remove the client

         printf("ClientID = %d closed.\n now there are %d client in the char room\n", clientfd, (int)clients_list.size());

     }

     else  //broadcast message

     {

         if(clients_list.size() == ) { // this means There is only one int the char room

             send(clientfd, CAUTION, strlen(CAUTION), );

             return len;

         }

         // format message to broadcast

         sprintf(message, SERVER_MESSAGE, clientfd, buf);

         list<int>::iterator it;

         for(it = clients_list.begin(); it != clients_list.end(); ++it) {

            if(*it != clientfd){

                 if( send(*it, message, BUF_SIZE, ) <  ) { perror("error"); exit(-);}

            }

         }

     }

     return len;

 }

 #endif // UTILITY_H_INCLUDED

服务端完整源码

 #include "utility.h"

 int main(int argc, char *argv[])

 {

     //服务器IP + port

     struct sockaddr_in serverAddr;

     serverAddr.sin_family = PF_INET;

     serverAddr.sin_port = htons(SERVER_PORT);

     serverAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP);

     //创建监听socket

     int listener = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, );

     if(listener < ) { perror("listener"); exit(-);}

     printf("listen socket created \n");

     //绑定地址

     if( bind(listener, (struct sockaddr *)&serverAddr, sizeof(serverAddr)) < ) {

         perror("bind error");

         exit(-);

     }

     //监听

     int ret = listen(listener, );

     if(ret < ) { perror("listen error"); exit(-);}

     printf("Start to listen: %s\n", SERVER_IP);

     //在内核中创建事件表

     int epfd = epoll_create(EPOLL_SIZE);

     if(epfd < ) { perror("epfd error"); exit(-);}

     printf("epoll created, epollfd = %d\n", epfd);

     static struct epoll_event events[EPOLL_SIZE];

     //往内核事件表里添加事件

     addfd(epfd, listener, true);

     //主循环

     while()

     {

         //epoll_events_count表示就绪事件的数目

         int epoll_events_count = epoll_wait(epfd, events, EPOLL_SIZE, -);

         if(epoll_events_count < ) {

             perror("epoll failure");

             break;

         }

         printf("epoll_events_count = %d\n", epoll_events_count);

         //处理这epoll_events_count个就绪事件

         for(int i = ; i < epoll_events_count; ++i)

         {

             int sockfd = events[i].data.fd;

             //新用户连接

             if(sockfd == listener)

             {

                 struct sockaddr_in client_address;

                 socklen_t client_addrLength = sizeof(struct sockaddr_in);

                 int clientfd = accept( listener, ( struct sockaddr* )&client_address, &client_addrLength );

                 printf("client connection from: %s : % d(IP : port), clientfd = %d \n",

                 inet_ntoa(client_address.sin_addr),

                 ntohs(client_address.sin_port),

                 clientfd);

                 addfd(epfd, clientfd, true);

                 // 服务端用list保存用户连接

                 clients_list.push_back(clientfd);

                 printf("Add new clientfd = %d to epoll\n", clientfd);

                 printf("Now there are %d clients int the chat room\n", (int)clients_list.size());

                 // 服务端发送欢迎信息

                 printf("welcome message\n");

                 char message[BUF_SIZE];

                 bzero(message, BUF_SIZE);

                 sprintf(message, SERVER_WELCOME, clientfd);

                 int ret = send(clientfd, message, BUF_SIZE, );

                 if(ret < ) { perror("send error"); exit(-); }

             }

             //处理用户发来的消息，并广播，使其他用户收到信息

             else

             {

                 int ret = sendBroadcastmessage(sockfd);

                 if(ret < ) { perror("error");exit(-); }

             }

         }

     }

     close(listener); //关闭socket

     close(epfd);    //关闭内核

     return ;

 }

客户端实现

子进程和父进程的通信

通过调用int pipe(int fd[2])函数创建管道, 其中fd[0]用于父进程读， fd[1]用于子进程写。

通过int pid = fork()函数，创建子进程，当pid < 0 错误；当pid = 0, 说明是子进程；当pid > 0说明是父进程。根据pid的值，我们可以父子进程，从而实现对应的功能！

客户端完整源码

 #include "utility.h"

 int main(int argc, char *argv[])

 {

     //用户连接的服务器 IP + port

     struct sockaddr_in serverAddr;

     serverAddr.sin_family = PF_INET;

     serverAddr.sin_port = htons(SERVER_PORT);

     serverAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP);

     // 创建socket

     int sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, );

     if(sock < ) { perror("sock error"); exit(-); }

     // 连接服务端

     if(connect(sock, (struct sockaddr *)&serverAddr, sizeof(serverAddr)) < ) {

         perror("connect error");

         exit(-);

     }

     // 创建管道，其中fd[0]用于父进程读，fd[1]用于子进程写

     int pipe_fd[];

     if(pipe(pipe_fd) < ) { perror("pipe error"); exit(-); }

     // 创建epoll

     int epfd = epoll_create(EPOLL_SIZE);

     if(epfd < ) { perror("epfd error"); exit(-); }

     static struct epoll_event events[];

     //将sock和管道读端描述符都添加到内核事件表中

     addfd(epfd, sock, true);

     addfd(epfd, pipe_fd[], true);

     // 表示客户端是否正常工作

     bool isClientwork = true;

     // 聊天信息缓冲区

     char message[BUF_SIZE];

     // Fork

     int pid = fork();

     if(pid < ) { perror("fork error"); exit(-); }

     else if(pid == )      // 子进程

     {

         //子进程负责写入管道，因此先关闭读端

         close(pipe_fd[]);

         printf("Please input 'exit' to exit the chat room\n");

         while(isClientwork){

             bzero(&message, BUF_SIZE);

             fgets(message, BUF_SIZE, stdin);

             // 客户输出exit,退出

             if(strncasecmp(message, EXIT, strlen(EXIT)) == ){

                 isClientwork = ;

             }

             // 子进程将信息写入管道

             else {

                 if( write(pipe_fd[], message, strlen(message) -  ) <  )

                  { perror("fork error"); exit(-); }

             }

         }

     }

     else  //pid > 0 父进程

     {

         //父进程负责读管道数据，因此先关闭写端

         close(pipe_fd[]); 

         // 主循环(epoll_wait)

         while(isClientwork) {

             int epoll_events_count = epoll_wait( epfd, events, , - );

             //处理就绪事件

             for(int i = ; i < epoll_events_count ; ++i)

             {

                 bzero(&message, BUF_SIZE);

                 //服务端发来消息

                 if(events[i].data.fd == sock)

                 {

                     //接受服务端消息

                     int ret = recv(sock, message, BUF_SIZE, );

                     // ret= 0 服务端关闭

                     if(ret == ) {

                         printf("Server closed connection: %d\n", sock);

                         close(sock);

                         isClientwork = ;

                     }

                     else printf("%s\n", message);

                 }

                 //子进程写入事件发生，父进程处理并发送服务端

                 else {

                     //父进程从管道中读取数据

                     int ret = read(events[i].data.fd, message, BUF_SIZE);

                     // ret = 0

                     if(ret == ) isClientwork = ;

                     else{   // 将信息发送给服务端

                       send(sock, message, BUF_SIZE, );

                     }

                 }

             }//for

         }//while

     }

     if(pid){

        //关闭父进程和sock

         close(pipe_fd[]);

         close(sock);

     }else{

         //关闭子进程

         close(pipe_fd[]);

     }

     return ;

 }

巴特西

epoll聊天室的实现

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