文章目录

IO模型的分类
多路复用型IO的分类
- select
- - select系统调用
  - 缺点
- poll
- - poll系统调用
  - 缺点
- epoll
- - epoll系统调用
  - epoll模型
  - 优点
  - LT模式与ET模式

IO模型的分类

大家都知道，一个完整的IO操作所花费的时间在计算机中是非常多的（速度非常慢），那么这些时间都花费在哪里呢？

IO = 等待数据就绪 + 数据拷贝

而等待数据就绪所花费的时间占了整个IO时间的99%，数据拷贝所花费的时间仅占1%。

IO模型分为同步IO和异步IO。

同步IO：用户发起IO，用户阻塞或轮训的查看数据是否就绪，用户进行内核态到用户态的数据拷贝。
异步IO：用户发起IO，数据是否就绪以及数据拷贝的过程全交给内核，当IO完成时内核通知用户。

同步IO分为阻塞IO、非阻塞IO、信号驱动型IO、多路复用型IO。

阻塞IO：用户发起IO后，若数据还未就绪，该线程就一直阻塞等待着数据的就绪。
非阻塞IO：用户发起IO后，若数据还未就绪，该线程不会阻塞，而是继续向后执行代码，所以需要配合循环来一直检查数据是否就绪，而这也叫做轮询。
信号驱动型IO：用户发起IO后，若数据还未就绪，该线程不会阻塞，而是继续向后执行代码，由内核来检查数据是否就绪，当数据就绪时，内核通知用户。
多路复用型IO：由一个线程来监视（等待数据就绪）多个fd，当某个fd上的数据就绪时，就通知用户。

多路复用型IO和前三者的区别就是，多路复用型IO能同时监视多个fd，从而大大提高了效率。

本篇讲述多路复用型IO。

多路复用型IO的分类

select

select系统调用

函数原型：

#include <sys/select.h>
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

参数解析：

nfds：需要监视的文件描述符的最大值+1（告诉操作系统要查找的文件描述符的范围）；
readfds、writefds、exceptfds：分别都是一个位图，表示要监视的某些fd的读事件、写事件、异常事件。它们都是输入输出型参数，输入时，将需要监视的文件描述符和事件添加到位图中，输出时，就是已经就绪的文件描述符和事件。
timeout：
- 取值为NULL时，表示select阻塞式调用；
- 取值为0时，表示select非阻塞式调用；
- 取值>0时，表示在timeout时间内阻塞式调用。
返回值：
- >0时，表示已就绪的文件描述符的数量；
- ==0时，表示timeout时间到期返回了；
- <0时，出错返回。

fd_set：

typedef long int __fd_mask;

typedef struct
{
    __fd_mask fds_bits[__FD_SETSIZE / __NFDBITS];
} fd_set;

struct timeval：

struct timeval {
   long    tv_sec;         /* seconds */
   long    tv_usec;        /* microseconds */
};
struct timespec {
   long    tv_sec;         /* seconds */
   long    tv_nsec;        /* nanoseconds */
};

还有一批系统调用用来控制fd_set类型的参数。

void FD_CLR(int fd, fd_set *set);// 将fd从set中移除
int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set);// 判断fd是否在set中
void FD_SET(int fd, fd_set *set);// 将fd设置进set中
void FD_ZERO(fd_set *set);// 将set设置为0

缺点

由于中间三个参数是输入输出型参数，所以函数每次返回时，原来设置的内容就都已经被覆盖掉了，所以需要重新设置。这就导致编码难度上升；
每次调用select都会把fd_set从内核态拷贝到用户态，效率较低；
由于采用位图结构，所以底层选用轮询的方法来检测文件描述符是否就绪，效率较低；
fd_set是一个固定的类型，那么单个线程能够监视的文件描述符的数量就是固定的（centos7.6上是1024个）。

poll

poll系统调用

函数原型：

#include <poll.h>
int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);

参数解析：

fds：是一个指针（也可以说是一个数组），它里面存放着需要监视的fd以及事件（是一个输入输出型参数）；
nfds：表示监视的fd的数量，也就是fds的长度；
timeout与select一样；
返回值与select一样；

struct pollfd：

struct pollfd {
   int   fd;         /* file descriptor */
   short events;     /* requested events */
   short revents;    /* returned events */
};

fd：需要监视的文件描述符；
events：该fd上需要监视的事件（输入型参数）；
revents：该fd上已经就绪的事件（输出型参数）。

这两个事件也分别都是位图结构，通过宏来设置对应事件：

事件	描述	是否可作为输入	是否可作为输出
POLLIN	数据（包括普通数据和优先数据）可读	✔	✔
POLLRDNORM	普通数据可读	✔	✔
POLLRDBAND	优先级带数据可读（Linux不支持）	✔	✔
POLLPRI	高优先级数据可读，比如TCP带外数据	✔	✔
POLLOUT	数据（包括普通数据和优先数据）可写	✔	✔
POLLWRNORM	普通数据可写	✔	✔
POLLWRBAND	优先级带数据可写	✔	✔
POLLRDHUP	TCP连接被对方关闭，或者对方关闭了写操作，它由GNU引入	✔	✔
POLLERR	错误	✘	✔
POLLHUP	挂起。比如管道的写端被关闭后，读端描述符上将收到POLLHUP事件	✘	✔
POLLNVAL	文件描述符没有打开	✘	✔

缺点

每次调用都会将fds从内核态拷贝到用户态（因为填写了revents）；
底层也是采用轮询的方式来检测文件描述符是否就绪，效率较低。

epoll

epoll系统调用

epoll有最基础的三个系统调用。

函数原型：

#include <sys/epoll.h>
int epoll_create(int size);
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);

epoll_create用来创建一个epoll模型，返回创建好的epoll模型的句柄（是一个文件描述符）。参数size在旧版本中悲剧，在新版本（2.6.8及之后的版本）被用作一个提示，提示内核为epoll实例预留size个文件描述符，建议设置成大于0的数字。
epoll_ctl用来控制（增删改）epoll模型中文件描述符及其事件
- epfd：epoll模型的句柄；
- op：控制类型
  
  op 效果
  EPOLL_CTL_ADD 将文件描述符及其事件添加到epoll模型中
  EPOLL_CTL_MOD 改变文件描述符对应的事件
  EPOLL_CTL_DEL 将文件描述符及其事件从epoll模型中移除
- struct epoll_event：
```
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 */
};
```
- 返回值：调用成功返回0，调用失败返回-1，同时errno被设置；
epoll_wait：等待IO事件就绪
- epfd：同上；
- events：一个指针（一个数组），里面都是已经就绪的fd和事件；
- maxevents：指定本次返回的events的最大数量，通常设置为epoll_create的参数。
- timeout：同上；
- 返回值：跟select、poll一样。

op	效果
EPOLL_CTL_ADD	将文件描述符及其事件添加到epoll模型中
EPOLL_CTL_MOD	改变文件描述符对应的事件
EPOLL_CTL_DEL	将文件描述符及其事件从epoll模型中移除

epoll模型

当调用epoll_create时，内核会创建一个eventpoll结构体。

struct eventpoll {
    /*红黑树的根节点，这颗树中存储着所有添加到epoll中的需要监控的事件*/
    struct rb_root  rbr;
    /*双链表中则存放着将要通过epoll_wait返回给用户的满足条件的事件*/
    struct list_head rdlist;
};

也就是创建一颗红黑树，而后每次通过epoll_ctl添加进来的fd和事件都会组织成一个结构体挂载到这颗红黑树上。

struct epitem{
    struct rb_node  rbn;//红黑树节点
    struct list_head    rdllink;//双向链表节点
    struct epoll_filefd  ffd;  //事件句柄信息
    struct eventpoll *ep;    //指向其所属的eventpoll对象
    struct epoll_event event; //期待发生的事件类型
}

epoll_ctl中的ADD就是往红黑树中添加结点、DEL就是删除红黑树中的结点、MOD就是修改红黑树中结点内部的event。

每个添加进来的事件都会与设备驱动建立回调关系，当事件触发时就会调用回调函数将其添加到就绪队列中

每个结点是可能同时在多个数据结构中的！

红黑树中就绪的结点同时会被组织成一个就绪队列，epoll_wait返回的就是该队列。

优点

跟poll一样，解决了select中fd有上限的问题；
解决了select、poll中的轮询遍历的问题；
减少了用户态向内核态的拷贝（每次调用select、poll都会拷贝，而epoll仅在合适的时候用epoll_ctl添加结点）

LT模式与ET模式

LT（Level Triggered）水平触发模式：只要当fd上有数据时，每次调用epoll_wait都会返回该fd；
ET（Edge Triggered）边缘触发模式：只有当fd上的数据发生变化时（从零到有，从少到多），调用epoll_wait才会返回该fd。

select、poll、epoll都是默认处于LT模式，而epoll可以选择ET模式。

假设有一种场景：第一次从fd上读数据，没有读全，需要读第二次，如果处于LT模式下，第二次调用epoll_wait是能够继续从该fd上读数据的，而如果处于ET模式下，第二次调用epoll_wait就不能够从该fd上继续读数据了。这时就会出现问题，所以需要程序员能够一次性读全数据，无论处于LT还是ET，程序员都能够选择一次性读全数据，但是处于ET模式下，程序员就必须要一次性读全数据。

一次性读全数据的优势：能够更快速的将数据从内核拷贝到用户，从而能够拥有更大的TCP窗口，提高底层的数据发送效率，提高吞吐量。