C++编程实践——eventFD

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一、Linux下文件处理

大家都知道，在Linux下，一切皆文件。这样，所有的I/O操作都可以抽象为文件的操作。这对于初学者可能感觉有点不好接受，特别是从Windows转到Linux上的开发人员更是如此。但这种抽象在某种程度上更容易让开发者统一编程的接口，简化对多种资源处理的操作方法，让开发者的设计和开发更具有灵活性。

二、eventFD

eventFD是Linux内核提供的一个轻量级别的进程间的通信机制，专门用来传递事件通知。其通过创建一个由内核管理的“事件计数器”，而这个计数器由文件描述符（fd）表现出来。从而体现上面刚刚说到的“一切皆文件”。通过对事件的读写操作，就可以实现事件机制。内核中对其的定义如下：

// 内核中的 eventfd
struct eventfd_ctx {
    struct kref kref;           // 引用计数
    wait_queue_head_t wqh;      // 等待队列头
    __u64 count;                //  事件计数器
    unsigned int flags;         // 标志位 
    int id;                     // 唯一标识id
};

// eventfd 的文件操作数据结构体定义 
static const struct file_operations eventfd_fops = {
    .release        = eventfd_release,
    .poll          = eventfd_poll,
    .read          = eventfd_read,
    .write         = eventfd_write,
    .llseek        = noop_llseek,
};

eventFD的特点主要包括：

使用一个64位的计数器，且对其的操作仅用来处理计数并能保证原子操作（线程安全）
由于其仅操作计算器，故其性能极高（无数据拷贝）
与epoll原生集成（IO复用）

三、工作原理

eventFD的主要工作原理如下：

创建并初始化
开发者可以通过eventfd()接口由内核创建eventfd_ctx对象实例并初始化相关的计数器以及此实例中的相关成员。同时，内核会创建一个文件（file）结构对象并返回给用户应用接口调用
读写操作
应用程序可以通过返回的文件描述符对文件句柄进行读和写操作。它些操作最终会调用eventfd_fops中定义的 eventfd_read和eventfd_write函数。在写操作时，通过原子操作保证计数器的安全操作。在写入操作后，根据结果设置相关的标志位并返回执行的结果。而在读操作时，通过相关标志位读取和处理计数器，如果计数器为0,在阻塞的状态下则会阻塞操作
文件操作接口
Linux提供了不少的事件操作接口，如select,epoll等，它们都可以利用多路复用机制来处理事件通知

四、应用场景

eventFD的应用场景在Linux下应用非常广泛，常见的主要有：

异步任务
其实在Linux下说是异步任务有些勉强，不过，eventFD的事件机制确实可以实现仿异步任务的功能
与IO框架集成
这个就比较多了，比如select,poll,epoll,io_uring等。特别是io_uring，是最新一代的异步框架，这个在前面分析过，有兴趣可以看看
跨任务的数据交换
可以利用事件通知机制来保证数据在不同的线（进）程的交换的安全性

五、例程

在前面的网络编程和io_uring的分析中都给出了相关的例程，这里只给出一个普通的应用例程：

#include <sys/eventfd.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <pthread.h>


int fd;

void* workThread(void* arg) {   
    uint64_t u;
    ssize_t s;
    
    s = read(fd, &u, sizeof(uint64_t));
    if (s != sizeof(uint64_t)) {
        return NULL;
    }
    
    printf("worker thread received event! Counter value = %lu\n", u);
    sleep(2);
    printf("Worker thread end.\n");
    
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t thread;
    
    // 创建eventfd
    fd = eventfd(0, 0);
    if (fd == -1) {
        return -1;
    }
    
    printf("Main thread created  eventfd, starting worker thread...\n");
    
    if (pthread_create(&thread, NULL, workThread, NULL) != 0) {
        return -1;
    }
    
    sleep(2);
    
    printf("send event worker thread...\n");
    
    uint64_t u = 1;
    ssize_t s = write(fd, &u, sizeof(uint64_t));
    if (s != sizeof(uint64_t)) {
        return -1;
    }
    
    pthread_join(thread, NULL);
    close(fd);
    
    return 0;
}