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 ;
 }