I/O多路复用
I/O多路复用使得程序能够同时监听多个文件描述符
LInux下实现I/O多路复用的系统调用主要由select、poll以及epoll（常问，要会自己写出来）
例子
阻塞等待
阻塞等待可以一定程度上提高程序运行的效率
优点是：不占用cpu的时间片；
缺点是：同一时刻只能处理一个操作，效率较低；
使用多线程/多进程解决上述问题
但是仍然有缺点：不论是线程还是进程都会消耗资源，且两者的调度也会消耗cpu资源
BIO模型
简单来说就是每个线程/进程对应一个client
缺点：还是会消耗cpu资源，根本原因是blocking导致的
非阻塞忙轮询
例如accept和read
如果没有accept或者read到预期的连接/数据，就会继续往下执行
如果需要不断查询，就要设置循环来增加阻塞
优点：提高程序执行效率
缺点：占用更多的CPU和系统资源
解决上述问题的办法是使用IO多路复用技术select/poll/epoll（epoll与前两者原理不同且效率更高）
select
主旨思想：
1、首先构建一个关于文件描述符的列表，把待监听的文件描述符添加到该列表中
2、调用一个系统函数，监听列表中的文件描述符，直到这些描述符中的一个或多个进行I/O操作时，该函数才返回
a.该系统函数是阻塞
b.函数对文件描述符的检测操作时由内核完成的
3、在返回时，它会高速进程有哪些描述符要进行I/O操作
API
// sizeof(fd_set) = 128 1024
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/select.h>
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,
fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
- 参数：
- nfds : 委托内核检测的最大文件描述符的值 + 1
- readfds : 要检测的文件描述符的读的集合，委托内核检测哪些文件描述符的读的属性
- 一般检测读操作
- 对应的是对方发送过来的数据，因为读是被动的接收数据，检测的就是读缓冲
区
- 是一个传入传出参数
- writefds : 要检测的文件描述符的写的集合，委托内核检测哪些文件描述符的写的属性
- 委托内核检测写缓冲区是不是还可以写数据（不满的就可以写）
- exceptfds : 检测发生异常的文件描述符的集合
- timeout : 设置的超时时间
struct timeval {
long tv_sec; /* seconds */
long tv_usec; /* microseconds */
};
- NULL : 永久阻塞，直到检测到了文件描述符有变化
- tv_sec = 0 tv_usec = 0， 不阻塞
- tv_sec > 0 tv_usec > 0， 阻塞对应的时间
- 返回值 :
- -1 : 失败
- >0(n) : 检测的集合中有n个文件描述符发生了变化
// 将参数文件描述符fd对应的标志位设置为0
void FD_CLR(int fd, fd_set *set);
// 判断fd对应的标志位是0还是1， 返回值 ： fd对应的标志位的值，0，返回0， 1，返回1
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set);
// 将参数文件描述符fd 对应的标志位，设置为1
void FD_SET(int fd, fd_set *set);
// fd_set一共有1024 bit, 全部初始化为0
void FD_ZERO(fd_set *set);
代码实现
#include <stdio.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/select.h>
int main() {
// 创建socket
int lfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
struct sockaddr_in saddr;
saddr.sin_port = htons(9999);
saddr.sin_family = AF_INET;
saddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
// 绑定
bind(lfd, (struct sockaddr *)&saddr, sizeof(saddr));
// 监听
listen(lfd, 8);
// 创建一个fd_set的集合，存放的是需要检测的文件描述符
fd_set rdset, tmp;//监听文件描述符,内核修改tmp,外部检测用rdset
FD_ZERO(&rdset);//清空rdset
FD_SET(lfd, &rdset);
int maxfd = lfd;
while(1) {
tmp = rdset;
// 调用select系统函数，让内核帮检测哪些文件描述符有数据
int ret = select(maxfd + 1, &tmp, NULL, NULL, NULL);
if(ret == -1) {
perror("select");
exit(-1);
} else if(ret == 0) {
continue;
} else if(ret > 0) {
// 说明检测到了有文件描述符的对应的缓冲区的数据发生了改变
if(FD_ISSET(lfd, &tmp)) {
// 表示有新的客户端连接进来了
struct sockaddr_in cliaddr;
int len = sizeof(cliaddr);
int cfd = accept(lfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &len);
// 将新的文件描述符加入到集合中
FD_SET(cfd, &rdset);
// 更新最大的文件描述符
maxfd = maxfd > cfd ? maxfd : cfd;
}
for(int i = lfd + 1; i <= maxfd; i++) {
if(FD_ISSET(i, &tmp)) {
// 说明这个文件描述符对应的客户端发来了数据
char buf[1024] = {0};
int len = read(i, buf, sizeof(buf));
if(len == -1) {
perror("read");
exit(-1);
} else if(len == 0) {
printf("client closed...\n");
close(i);
FD_CLR(i, &rdset);//清空当前断开连接的描述符
} else if(len > 0) {//读到数据，打印出来
printf("read buf = %s\n", buf);
write(i, buf, strlen(buf) + 1);
}
}
}
}
}
close(lfd);
return 0;
}
八股
select会经历 两次遍历+两次拷贝 ，把已连接的socket放在一个文件描述符集合，调用 select 函数将文件描述符集合拷贝到内核里，让内核来检查是否有网络事件产生；
通过遍历，有事件产生就把此socket标记为 可读/可写 ，然后再整个拷贝回用户态。用户态还需要遍历找到刚刚标记socket。
poll
API
#include <poll.h>
struct pollfd {
int fd; /* 委托内核检测的文件描述符 */
short events; /* 委托内核检测文件描述符的什么事件 */
short revents; /* 文件描述符实际发生的事件 */
};
struct pollfd myfd;
myfd.fd = 5;
myfd.events = POLLIN | POLLOUT;
int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
- 参数：
- fds : 是一个struct pollfd 结构体数组，这是一个需要检测的文件描述符的集合
- nfds : 这个是第一个参数数组中最后一个有效元素的下标 + 1
- timeout : 阻塞时长
0 : 不阻塞
-1 : 阻塞，当检测到需要检测的文件描述符有变化，解除阻塞
>0 : 阻塞的时长
- 返回值：
-1 : 失败
>0（n） : 成功,n表示检测到集合中有n个文件描述符发生变化
代码实现
#include <stdio.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <poll.h>
int main() {
// 创建socket
int lfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
struct sockaddr_in saddr;
saddr.sin_port = htons(9999);
saddr.sin_family = AF_INET;
saddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
// 绑定
bind(lfd, (struct sockaddr *)&saddr, sizeof(saddr));
// 监听
listen(lfd, 8);
// 初始化检测的文件描述符数组
struct pollfd fds[1024];
for(int i = 0; i < 1024; i++) {
fds[i].fd = -1;
fds[i].events = POLLIN;
}
fds[0].fd = lfd;
int nfds = 0;
while(1) {
// 调用poll系统函数，让内核帮检测哪些文件描述符有数据
int ret = poll(fds, nfds + 1, -1);
if(ret == -1) {
perror("poll");
exit(-1);
} else if(ret == 0) {
continue;
} else if(ret > 0) {
// 说明检测到了有文件描述符的对应的缓冲区的数据发生了改变
if(fds[0].revents & POLLIN) {
// 表示有新的客户端连接进来了
struct sockaddr_in cliaddr;
int len = sizeof(cliaddr);
int cfd = accept(lfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &len);
// 将新的文件描述符加入到集合中
for(int i = 1; i < 1024; i++) {
if(fds[i].fd == -1) {
fds[i].fd = cfd;
fds[i].events = POLLIN;
break;
}
}
// 更新最大的文件描述符的索引
nfds = nfds > cfd ? nfds : cfd;
}
for(int i = 1; i <= nfds; i++) {
if(fds[i].revents & POLLIN) {
// 说明这个文件描述符对应的客户端发来了数据
char buf[1024] = {0};
int len = read(fds[i].fd, buf, sizeof(buf));
if(len == -1) {
perror("read");
exit(-1);
} else if(len == 0) {
printf("client closed...\n");
close(fds[i].fd);
fds[i].fd = -1;
} else if(len > 0) {
printf("read buf = %s\n", buf);
write(fds[i].fd, buf, strlen(buf) + 1);
}
}
}
}
}
close(lfd);
return 0;
}
八股
poll是以链表形式来组织的动态数组，相较于select，poll没有限制文件描述符个数（由系统限制）
epoll
API
#include <sys/epoll.h>
// 创建一个新的epoll实例。在内核中创建了一个数据，这个数据中有两个比较重要的数据，一个是需要检
测的文件描述符的信息（红黑树），还有一个是就绪列表，存放检测到数据发送改变的文件描述符信息（双向
链表）。
int epoll_create(int size);
- 参数：
size : 目前没有意义了。随便写一个数，必须大于0
- 返回值：
-1 : 失败
> 0 : 文件描述符，操作epoll实例的
typedef union epoll_data {
void *ptr;
int fd;
uint32_t u32;
uint64_t u64;
} epoll_data_t;
struct epoll_event {
uint32_t events; /* Epoll events */
epoll_data_t data; /* User data variable */
};
常见的Epoll检测事件：
- EPOLLIN
- EPOLLOUT
- EPOLLERR
// 对epoll实例进行管理：添加文件描述符信息，删除信息，修改信息
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
- 参数：
- epfd : epoll实例对应的文件描述符
- op : 要进行什么操作
EPOLL_CTL_ADD: 添加
EPOLL_CTL_MOD: 修改
EPOLL_CTL_DEL: 删除
- fd : 要检测的文件描述符
- event : 检测文件描述符什么事情
// 检测函数
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int
timeout);
- 参数：
- epfd : epoll实例对应的文件描述符
- events : 传出参数，保存了发送了变化的文件描述符的信息
- maxevents : 第二个参数结构体数组的大小
- timeout : 阻塞时间
- 0 : 不阻塞
- -1 : 阻塞，直到检测到fd数据发生变化，解除阻塞
- > 0 : 阻塞的时长（毫秒）
- 返回值：
- 成功，返回发送变化的文件描述符的个数 > 0
- 失败 -1
代码实现
#include <stdio.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/epoll.h>
int main() {
// 创建socket
int lfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
struct sockaddr_in saddr;
saddr.sin_port = htons(9999);
saddr.sin_family = AF_INET;
saddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
// 绑定
bind(lfd, (struct sockaddr *)&saddr, sizeof(saddr));
// 监听
listen(lfd, 8);
// 调用epoll_create()创建一个epoll实例
int epfd = epoll_create(100);
// 将监听的文件描述符相关的检测信息添加到epoll实例中
struct epoll_event epev;
epev.events = EPOLLIN;
epev.data.fd = lfd;
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, lfd, &epev);
struct epoll_event epevs[1024];
while(1) {
int ret = epoll_wait(epfd, epevs, 1024, -1);
if(ret == -1) {
perror("epoll_wait");
exit(-1);
}
printf("ret = %d\n", ret);
for(int i = 0; i < ret; i++) {
int curfd = epevs[i].data.fd;
if(curfd == lfd) {
// 监听的文件描述符有数据达到，有客户端连接
struct sockaddr_in cliaddr;
int len = sizeof(cliaddr);
int cfd = accept(lfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &len);
epev.events = EPOLLIN;
epev.data.fd = cfd;
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, cfd, &epev);
} else {
if(epevs[i].events & EPOLLOUT) {
continue;
}
// 有数据到达，需要通信
char buf[1024] = {0};
int len = read(curfd, buf, sizeof(buf));
if(len == -1) {
perror("read");
exit(-1);
} else if(len == 0) {
printf("client closed...\n");
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, curfd, NULL);
close(curfd);
} else if(len > 0) {
printf("read buf = %s\n", buf);
write(curfd, buf, strlen(buf) + 1);
}
}
}
}
close(lfd);
close(epfd);
return 0;
}
八股
epoll简介
1、epoll(event poll)在内核中使用红黑树来跟踪所有待检测的文件描述符
2、调用 epoll ctl() 函数，把需要监控的 socket 加入内核中的红黑树里：(红黑树的增删查时间复杂度是O(logn)，不需要每次操作都传入整个集合，只需要传入一个待检测的socket，减少了内核和用户空间的大量数据拷贝和内存分配)
3、epoll 使用事件驱动的机制，内核里维护了一个链表来记录就绪事件 (当某个 socket 有事件发生时，通过回调函数，内核会将其加入到这个就绪事件列表中)
4、当用户调用 epoll_wait() 函数时，只会返回有事件发生的文件描述符的个数，不需要像 select/poll 那样轮询扫描整个 socket 集合，大大提高了检测的效率。
epoll触发模式
epoll支持两种事件触发模式：ET边缘触发、LT水平触发（默认）
边缘触发ET
工作模式：
1、ET（edge - triggered）是高速工作方式，只支持 no-block socket。在这种模式下，当描述符从未就绪变为就绪时，内核通过epoll告诉你。
2、当被监控的 Socket 描述符上有可读事件发生时，服务器只会从 epoll wait中苏醒一次，即使进程没有调用 read 函数从内核读取数据，也依然只苏醒一次，因此我们程序要保证一次性将内核缓冲区的数据读取完，只有第一次满足条件的时候才触发，之后就不会再传递同样的事件。
3、ET 模式在很大程度上减少了epoll 事件被重复触发的次数，因此效率要比 LT 模式高。epoll工作在 ET 模式的时候，必须使用非阻塞套接口，以避免由于一个文件柄的阻塞读/阻塞写操作把处理多个文件描述符的任务饿死。
水平触发LT
工作模式：
1、LT (level- triggered) 是缺省的工作方式，并且同时支持 block和 no-block socket。在这种做法中，内核告诉你一个文件描述符是否就绪了，然后你可以对这个就绪的 fd 进行 IO 操作。如果你不作任何操作，内核还是会继续通知你的。
2、当被监控的 Socket 上有可读事件发生时，服务器不断地从 epoll_wait中苏醒，直到内核缓冲区数据被 read 函数读完才结束，目的是告诉我们有数据，只要满足事件的条件，比如内核中有数据需要读，就一直不断地把这个事件传递给用户
select和epoll的区别
1、select 和 poll 采用轮询的方式检查就绪事件，每次都要扫描整个文件描述符，复杂度O(N)；
2、epoll 采用回调方式检查就绪事件，只会返回有事件发生的文件描述符的个数，复杂度0(1)；
3、select 只工作在低效的LT模式，epoll 可以在 ET 高效模式工作;
4、epoll 是 Linux 所特有，而 select 则应该是 POSIX 所规定，一般操作系统均有实现；
5、select 单个进程可监视的fd数量有限，即能监听端口的大小有限，64位是2048；epoll 没有最大并发连接的限制，能打开的 fd 的上限远大于2048 (1G的内存上能监听约10万个端口)；
6、select中，内核需要将消息传递到用户空间，都需要内核拷贝动作；而epoll通过内核和用户空间共享一块内存来实现的。