从阻塞到并发：30dayMakeCppServer中Poller组件的跨平台I/O多路复用设计-优快云博客

从阻塞到并发：30dayMakeCppServer中Poller组件的跨平台I/O多路复用设计

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你是否曾为C++服务器的并发性能发愁？还在手动管理Socket连接导致资源耗尽？本文将带你深入解析30dayMakeCppServer项目中的Poller组件，看它如何通过封装epoll和kqueue等I/O多路复用技术，让服务器轻松应对高并发场景。读完本文，你将掌握事件驱动编程的核心机制，学会如何在Linux和macOS系统上实现跨平台的高性能网络编程。

Poller组件的核心价值：告别传统I/O模型痛点

在传统的Socket编程中，我们通常使用accept()和recv()等阻塞函数，这会导致服务器同一时间只能处理一个连接，严重制约并发能力。而Poller组件通过I/O多路复用（I/O Multiplexing） 技术，允许单个线程同时监控多个文件描述符（File Descriptor）的读写事件，从根本上解决了这个问题。

在30dayMakeCppServer项目中，Poller组件位于代码架构的核心位置，它向上为EventLoop提供事件等待接口，向下封装了不同操作系统的底层实现。这种设计不仅隔离了操作系统差异，还为上层业务逻辑提供了统一的事件处理接口。

接口设计：面向对象的多路复用抽象

Poller组件的接口设计遵循了面向对象的封装原则，通过抽象类定义了统一的事件监控接口。核心代码位于Poller.h中：

class Poller {
 public:
  DISALLOW_COPY_AND_MOVE(Poller);  // 禁止拷贝和移动
  Poller();
  ~Poller();
  
  void UpdateChannel(Channel *ch);  // 更新通道事件
  void DeleteChannel(Channel *ch);  // 删除通道
  std::vector<Channel *> Poll(int timeout = -1);  // 等待事件就绪
};

这个接口包含三个关键方法：

UpdateChannel()：向Poller注册或修改Channel感兴趣的事件
DeleteChannel()：从Poller中移除Channel及其事件
Poll()：阻塞等待事件就绪，返回就绪的Channel列表

特别值得注意的是DISALLOW_COPY_AND_MOVE(Poller)宏，它通过删除拷贝构造函数和移动构造函数，确保Poller实例的唯一性，这对于管理底层系统资源至关重要。

跨平台实现：Linux的epoll与macOS的kqueue

Poller组件最精妙之处在于其跨平台实现。它根据不同操作系统，分别封装了epoll（Linux）和kqueue（macOS）两种高效的I/O多路复用机制。

Linux平台的epoll实现

在Linux系统上，Poller使用epoll系统调用。关键实现代码在Poller.cpp的Linux部分：

// 创建epoll实例
Poller::Poller() {
  fd_ = epoll_create1(0);
  ErrorIf(fd_ == -1, "epoll create error");
  events_ = new epoll_event[MAX_EVENTS];  // 预分配事件数组
}

// 等待事件就绪
std::vector<Channel *> Poller::Poll(int timeout) {
  std::vector<Channel *> active_channels;
  int nfds = epoll_wait(fd_, events_, MAX_EVENTS, timeout);
  ErrorIf(nfds == -1, "epoll wait error");
  
  for (int i = 0; i < nfds; ++i) {
    Channel *ch = (Channel *)events_[i].data.ptr;
    // 设置就绪事件类型
    if (events_[i].events & EPOLLIN) {
      ch->SetReadyEvents(Channel::READ_EVENT);
    }
    if (events_[i].events & EPOLLOUT) {
      ch->SetReadyEvents(Channel::WRITE_EVENT);
    }
    active_channels.push_back(ch);
  }
  return active_channels;
}

epoll的工作流程可以概括为三个步骤：

epoll_create1()：创建epoll实例
epoll_ctl()：通过UpdateChannel()添加/修改事件
epoll_wait()：通过Poll()等待事件就绪

macOS平台的kqueue实现

在macOS系统上，Poller使用kqueue系统调用，同样在Poller.cpp中实现：

// 创建kqueue实例
Poller::Poller() {
  fd_ = kqueue();
  ErrorIf(fd_ == -1, "kqueue create error");
  events_ = new struct kevent[MAX_EVENTS];
}

// 等待事件就绪
std::vector<Channel *> Poller::Poll(int timeout) {
  std::vector<Channel *> active_channels;
  struct timespec ts;
  // 设置超时时间
  if (timeout != -1) {
    ts.tv_sec = timeout / 1000;
    ts.tv_nsec = (timeout % 1000) * 1000 * 1000;
  }
  
  int nfds = kevent(fd_, NULL, 0, events_, MAX_EVENTS, timeout == -1 ? NULL : &ts);
  for (int i = 0; i < nfds; ++i) {
    Channel *ch = (Channel *)events_[i].udata;
    if (events_[i].filter == EVFILT_READ) {
      ch->SetReadyEvents(ch->READ_EVENT | ch->ET);
    }
    active_channels.push_back(ch);
  }
  return active_channels;
}

kqueue与epoll在功能上类似，但接口设计有所不同：

使用kevent()同时处理事件注册和事件等待
通过EV_SET宏初始化事件结构
使用EVFILT_READ和EVFILT_WRITE分别表示读写事件

与Channel组件的协作：事件驱动的基石

Poller组件并非孤立存在，它与Channel组件紧密协作，共同构成了事件驱动模型的基础。Channel代表一个Socket连接的事件处理器，而Poller则负责监控这些Channel的事件状态。

// 更新Channel的事件监听状态
void Poller::UpdateChannel(Channel *ch) {
  int sockfd = ch->GetSocket()->GetFd();
  struct epoll_event ev {};
  ev.data.ptr = ch;  // 将Channel指针存入事件数据
  
  // 根据Channel的监听事件设置epoll事件类型
  if (ch->GetListenEvents() & Channel::READ_EVENT) {
    ev.events |= EPOLLIN | EPOLLPRI;
  }
  if (ch->GetListenEvents() & Channel::WRITE_EVENT) {
    ev.events |= EPOLLOUT;
  }
  
  // 添加或修改事件
  if (!ch->GetExist()) {
    epoll_ctl(fd_, EPOLL_CTL_ADD, sockfd, &ev);
    ch->SetExist();
  } else {
    epoll_ctl(fd_, EPOLL_CTL_MOD, sockfd, &ev);
  }
}

上述代码展示了Poller如何根据Channel的状态更新事件监听。当Channel的感兴趣事件（读/写/边缘触发等）发生变化时，Poller会调用epoll_ctl()或kevent()更新底层I/O多路复用器的配置。

集成到EventLoop：服务器的事件循环核心

Poller最终被集成到EventLoop中，成为服务器的事件循环核心：

class EventLoop {
 public:
  // ...其他成员...
  
  void Loop() {
    while (!quit_) {
      // 调用Poller等待事件就绪
      std::vector<Channel *> active_channels = poller_->Poll(1000);
      for (auto &ch : active_channels) {
        ch->HandleEvents();  // 处理就绪事件
      }
    }
  }
  
 private:
  std::unique_ptr<Poller> poller_;  // Poller实例
  bool quit_{false};
};

在EventLoop的主循环中，通过调用poller_->Poll()等待事件就绪，然后遍历就绪的Channel并调用其HandleEvents()方法处理具体事件。这种设计使得服务器能够高效地处理成千上万的并发连接。

性能优化：边缘触发与水平触发

Poller组件还支持边缘触发（Edge Triggered，ET）模式，这是提高高并发场景下性能的关键优化。在ET模式下，Poller只会在事件状态变化时通知一次，而非每次有数据可读/可写时都通知，这大大减少了事件处理的次数。

// 设置边缘触发模式
if (ch->GetListenEvents() & Channel::ET) {
  ev.events |= EPOLLET;  // epoll边缘触发
}

在Poller.cpp的实现中，通过设置EPOLLET标志（Linux）或EV_CLEAR标志（macOS）来启用边缘触发模式。这要求应用程序在收到事件通知后，必须一次性读取/写入所有可用数据，否则可能会丢失事件通知。

实际应用：构建高并发服务器

Poller组件的强大之处在于它为构建高并发服务器奠定了基础。在30dayMakeCppServer项目的echo_server.cpp和http_server.cpp中，我们可以看到基于Poller的实际应用：

// 简化的Echo服务器示例
int main() {
  EventLoop loop;  // 包含Poller实例
  Server server(&loop, 8888);  // 创建服务器
  
  server.SetOnConnection([](Connection *conn) {
    // 连接建立回调
  });
  
  server.SetOnMessage([](Connection *conn, std::string &message) {
    // 消息接收回调，处理业务逻辑
    conn->Send(message);  // 回声响应
  });
  
  loop.Loop();  // 启动事件循环
  return 0;
}

这个简化的Echo服务器示例展示了基于Poller和EventLoop的编程模型。服务器只需设置连接和消息处理的回调函数，然后启动事件循环即可，所有的I/O事件监控和处理都由Poller和Channel组件自动完成。

总结：Poller组件的设计哲学

30dayMakeCppServer项目中的Poller组件通过巧妙的抽象和封装，将复杂的I/O多路复用技术转化为易用的C++接口。它的设计哲学可以概括为：

跨平台抽象：通过条件编译封装epoll和kqueue，提供统一接口
面向对象：将事件监控逻辑封装为类，隐藏底层实现细节
组件协作：与Channel和EventLoop组件紧密配合，构建完整的事件驱动模型
性能优先：支持边缘触发等高级特性，优化高并发场景下的性能

通过学习Poller组件的实现，我们不仅掌握了I/O多路复用的编程技巧，更重要的是理解了如何设计出既高效又易用的底层组件。这种设计思想对于构建任何高性能网络库都具有重要的借鉴意义。

本文配套源代码可在项目的code/day15和code/day16目录下找到。建议结合day15-macOS支持、完善业务逻辑自定义.md文档进一步学习Poller组件的演进过程。如果你觉得本文对你有帮助，欢迎点赞收藏，并关注项目后续的组件解析文章。

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创作声明：本文部分内容由AI辅助生成（AIGC），仅供参考