目录

一、功能

二、应用场景

三、多路转接模型的实现

1.select模型

1.1操作流程

1.2相关接口

1.3示例

1.4常见使用方式

1.5优缺点

2.poll模型

2.1操作流程

2.2相关接口

2.3示例

2.4优缺点

3.epoll模型

3.1操作流程

3.2相关接口

3.3常见使用方式

3.4epoll的事件触发方式

3.5优缺点

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一、功能

        针对大量描述符进行IO事件监控，让进程可以只针对就绪的描述符进行IO操作，提高IO效率，避免针对未就绪描述符操作而导致的效率低或阻塞。

引入：

问题：

        以前的tcp服务器，会为每个客户端创建一个套接字，用于与指定客户端进行通信，但是因为不清楚哪个描述符什么时候会有数据到来，因此流程固定：先获取新建连接，然后收发数据，这样就有可能导致程序阻塞。

解决方法1：

        多执行流（多线程or多进程），为每个客户端都创建一个单独的执行流负责通信，这样即使一个执行流阻塞，也不会影响其他客户端通信。

缺陷：

        多执行流方式简单粗暴，但是占用资源较多。

解决方法2：使用多路转接模型

        针对大量描述符进行IO事件监控，可以让进程知道哪个描述符有数据到来，即哪个就绪，就操作哪个。

二、应用场景

多路转接模型：是监控大量描述符，然后针对就绪描述符逐个进行处理。

（1）有大量描述符需要进行IO就绪事件监控，但是同一时间只有少量活跃的场景。

        如果有大量描述符进行监控，并且同一时间活跃数量非常多，会导致排在后面的描述符不能及时得到处理。（可搭配多执行流处理解决）

（2）针对单个描述符有收发数据的超时控制的场景。

三、多路转接模型的实现

1.select模型

1.1操作流程

（1）针对不同的IO事件（可读事件，可写事件，异常事件），定义不同的描述符集合，若需要对哪个描述符监控哪个事件，就把这个描述符添加到对应的集合中。

（2）调用监控接口，将集合拷贝到内核中，进行轮询遍历进行监控；当有描述符就绪，或监控超时都没有就绪，则监控返回。

        在内核中，先遍历一遍集合，没有描述符就绪，则将描述符添加到内核的IO事件队列，然后等待，被唤醒后，进程会再次遍历集合，判断哪个描述符是否就绪了指定的事件。

注意：监控调用返回之前，会将集合中所有没有就绪的描述符，从集合内移除（即监控调用返回后，集合中只含有就绪的描述符）。

（3）调用返回后，这时判断哪个描述符还在哪个事件的描述符集合中，就表示哪个描述符就绪了哪个事件，从而进行操作。

1.2相关接口

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

        nfds：几种事件的描述符集合中，最大的描述符的值+1；

        readfds：可读事件的描述符集合；

        writefds：可写事件的描述符集合；

        exceptfds：异常事件的描述符集合；

        timeout：struct timeval{ uint32_t tv_usec; uint32_t tv_sec}；监控超时等待时间；

返回值：

        成功，返回就绪的事件个数；出错，返回-1；没有描述符就绪，返回0。

辅助接口：

（1）从set集合中移除fd描述符

        void FD_CLR(int fd, fd_set *set);

（2）判断fd描述符是否在集合set中

        int FD_ISSET(int fd, fd_set *set);

        返回值：存在，返回true；不存在，返回false。

（3）向set集合中添加fd描述符

        void FD_SET(int fd, fd_set *set);

（4）初始化清空set集合

        void FD_ZREO(fd_set *set);

1.3示例

对标准输入进行可读事件的监控，在描述符可读时从标准输入读取数据。

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/select.h>
#include<time.h>
//#include<sys/socket.h>

int main() {
  fd_set rfds;
  //1.初始化集合
  FD_ZERO(&rfds);
  while (1) {
    struct timeval tv;
    tv.tv_usec = 0;
    tv.tv_sec = 3;//设置超时时间为3s

    //2.将标准输入描述符添加到集合中
    FD_SET(0, &rfds);//0是标准输入描述符
    int max_fd = 0;
    //因为select会修改rfds集合（返回前会将未就绪的描述符剔除），所以需要在循环内每次添加

    int ret = select(max_fd + 1, &rfds, NULL, NULL, &tv);
    if (ret < 0) {
      perror("select error!\n");
      usleep(1000);
      continue;
    }
    else if (ret == 0) {//没有描述符就绪
      printf("wait timeout!\n");
      usleep(1000);
      continue;
    }
    //有描述符就绪
    for (int i = 0; i <= max_fd; ++i) {
      if (FD_ISSET(i, &rfds)) {//若i在集合中，说明描述符i就绪
        char buf[1024] = {0};
        int res = read(i, buf, 1023);
        if (res < 0) {//接收数据出错
          perror("recv error!\n");
          FD_CLR(i, &rfds);
          return -1;
        }
        printf("描述符%d就绪, 读取数据为: %s\n", i, buf);
      }
    }
  }

  return 0;
}

实现效果：

1.4常见使用方式

        封装一个Select类，实例化的每个Select对象都是一个多路转接对象，能够完成对大量描述符的监控，向外界返回就绪的描述符数组。

class Select{
    private:
        fd_set _rfds;//可读事件的描述符集合的备份，每次监控都是从该集合复制一份出来进行监控
        int _max_fd;
    public:
        Select(){//针对成员变量进行初始化}

        bool Add(const TCPsocket& sock);//将sock中的描述符fd，添加到rfds可读事件描述符集合中
        
        bool Del(const TCPsocket& sock);//将sock中的描述符fd，从rfds可读事件描述符集合中移除

        bool Wait(std::vector<TCPsocket>& array);//开始监控，返回就绪的描述符的数组
};

1.5优缺点

优点：

遵循posix标准，跨平台移植性好（在其他平台下也可以使用select实现多路转接）。

缺点：

（1）所能监控的描述符数量有上限。

        select的监控集合是一个数组，当作位图使用，因此能监控多少描述符取决于比特位数，_FD_SETSIZE=1024。

（2）select监控原理，需要进行多次轮询遍历集合，会导致监控的描述符越多，效率就越低。

（3）因为select会修改监控集合，所以每次监控都需要重新添加描述符到集合中。

（4）select返回的是就绪的描述符集合，因此需要用户遍历集合查看哪个描述符还在集合中，操作复杂。

2.poll模型

poll模型：也是针对大量描述符进行监控，但是poll的监控是为每个描述符设置了一个事件结构体。

2.1操作流程

（1）定义要监控的描述事件结构体数组，向数组中添加需要监控的描述符及时间信息。

（2）调用监控接口开始监控，将需要监控的数据拷贝到内核中进行监控（监控原理也是多次轮询遍历）。

注意：监控调用返回前，会将描述符实际就绪事件，填充到结构体的revents成员中，若没有就绪事件则置为0。

（3）监控接口调用完毕后，遍历事件结构体数组，通过每个元素的revents成员确定描述符就绪了什么事件，进行对应操作。

2.2相关接口

int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);

        fds：事件结构体的首地址；

        nfds：数组中有效元素的个数；

        timeout：监控超时时间，以毫秒为单位；

返回值：

        返回实际就绪的事件个数；返回0，表示监控超时；返回值小于零，表示出错。

事件结构体pollfd：

struct pollfd{

    int fd;//要监控的事件描述符

    short events;//针对这个描述符要监控的事件
    //POLLIN-可读、POLLOUT-可写

    short revents;//监控调用返回后，这个描述符实际就绪的事件
};

2.3示例

利用poll模型，监控标准输入的可读事件：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<poll.h>

int main() {
  struct pollfd pfds[10];
  int poll_count = 0;

  pfds[0].fd = 0;//设置要监控的描述符是标准输入
  pfds[0].events = POLLIN;//针对标准输入要监控的是可读事件
  poll_count++;

  while (1) {
    int ret = poll(pfds, 1, 3000);
    if (ret < 0) {
      perror("poll error!");
      usleep(1000);
      continue;
    }
    else if (ret == 0) {
      printf("poll timeout!\n");
      usleep(1000);
      continue;
    }

    for (int i = 0; i < poll_count; ++i) {
      if (pfds[i].revents & POLLIN) {//就绪了可读事件
        char buf[1024] = {0};
        read(pfds[i].fd, buf, 1023);
        printf("描述符%d就绪，读取数据为：%s\n", pfds[i].fd, buf);
      }
      else if (pfds[i].revents & POLLOUT) {
        //就绪的是可写事件，对应操作
      }
    }
  }

  return 0;
}

实现效果：

2.4优缺点

优点：

（1）相较于select模型操作更加简单。

（2）所能监控的描述符数量没有上限。

缺点：

（1）无法跨平台。

（2）监控原理涉及多次轮询遍历，因此效率也会随着监控的描述符数量增加而降低。

3.epoll模型

epoll模型：针对大量描述符进行事件监控（被认为是Linux2.6以后最好用的多路转接模型）。

3.1操作流程

（1）创建epoll句柄

        在内核中会创建struct eventpoll，含有两个重要成员：rbr（红黑树）和rdllist（双向链表）。

（2）向epoll添加监控

        组织对应事件结构体，添加到epoll红黑树中。

（3）开始监控

注意：

①epoll的监控默认是一个异步阻塞操作。

②epoll开始监控，实际上是告诉系统可以开始监控了，监控过程由系统完成。

③系统在进行监控的时候为每个描述符都定义了一个回调函数，回调函数的功能是：一旦描述符就绪了指定事件，就把描述符对应的事件结构体信息添加到rdllist双向链表中。

④我们的进程则只需要根据rdllist双向链表是否为空，来判断是否有描述符就绪。

3.2相关接口

（1）创建句柄

int epoll_create(int size);

        size：所能监控的最大描述符数量，但是在Linux2.6.8之后被忽略（但是必须大于0）。

返回值：

        成功，返回epoll句柄-描述符。

注意：在内核中会创建struct eventpoll结构体

（2）添加监控

int epoll_ct(int epfd, int cmd, int fd, struct epoll_event *ev);

        epfd：epoll_create返回的操作句柄；

        cmd：要进行的操作：EPOLL_CTL_ADD-添加、EPOLL_CTL_DEL-移除、EPOLL_CTL_MOD；

        fd：要操作的描述符；

        ev：要操作的描述符所对应的事件结构体；

返回值：

        成功，返回0；失败返回-1。

（3）开始监控

int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *evs, int maxevents, int timeout);

        epfds：epoll操作句柄；

        evs：事件结构体的数组首地址，用于存放就绪的事件信息；

        maxevents：数组的空间大小（或者说元素个数），防止就绪事件过多，数组空间不够用，因此做的获取就绪事件个数限制。

        timeout：监控的超时时间，一毫秒为单位；

返回值：

        成功，返回就绪的事件个数；出错，返回-1；超时，返回0。

注意：在调用返回后，evs数组里保存的都是就绪的描述符对应的事件结构体，返回值就是元素的个数，用户就可以直接针对事件结构体中的evs[i].data.fd进行events事件操作。

事件结构体epoll_event：

struct epoll_event{
    uint32_t events;//要监控的事件，以及监控返回后实际就绪的事件
    //EPOLLIN-可读、EPOLLOUT-可写

    epoll_data_t data;//用户数据变量
};

typedef union epoll_data{
    void *ptr;
    int fd;
}epoll_data_t;

3.3常见使用方式

        封装Epoll类，实例化的对象可以实现对大量描述符的监控，并返回就绪的描述符。

class Epoll{
    private:
        int _epfd;///epoll操作句柄
    public:
        Epoll(){}
        bool Add(TCPsocket& sock);//对sock描述符添加epoll监控
        bool Del(TCPsocket& sock);//移除对sock描述符的监控
        bool Wait(std::vector<TCPsocket> *array, int timeout = 3000);//开始监控
};

示例：

#include "socket_tcp.hpp"
#include <vector>
#include <sys/epoll.h>
#include <cstdlib>

#define EPOLL_MAX 10

class Epoll{
  private:
    int _epfd;///epoll操作句柄
  public:
    Epoll():_epfd(-1) {
      _epfd = epoll_create(1);
      if (_epfd < 0) {
        perror("epoll error!");
        exit(0);
      }
    }
    bool Add(TCPsocket& sock) {//对sock描述符添加epoll监控
      struct epoll_event ev;
      ev.events = EPOLLIN;//对可读事件进行监控
      ev.data.fd = sock.GetFd();

      int ret = epoll_ctl(_epfd, EPOLL_CTL_ADD, sock.GetFd(), &ev);
      if (ret < 0) {
        perror("epoll_ctl error!");
        return false;
      }
      return true;
    }
    bool Del(TCPsocket& sock){//移除对sock描述符的监控
      int ret = epoll_ctl(_epfd, EPOLL_CTL_DEL, sock.GetFd(), NULL);
      if (ret < 0) {
        perror("epoll_ctl error!");
        return false;
      }
      return true;
    }
    bool Wait(std::vector<TCPsocket> *array, int timeout = 3000){//开始监控
      struct epoll_event evs[EPOLL_MAX];
      int ret = epoll_wait(_epfd, evs, EPOLL_MAX, timeout);
      if (ret < 0) {
        perror("epoll_wait error!");
        return false;
      }
      else if (ret == 0) {
        printf("epoll timeout!\n");
        return false;
      }

      //返回ret个就绪的描述符对应的事件结构体，保存在evs中
      for (int i = 0; i < ret; ++i) {
        if (evs[i].events & EPOLLIN) {//只需要可读事件就绪的描述符
          TCPsocket sock;
          sock.SetFd(evs[i].data.fd);
          array -> push_back(sock);
        }
      }
      return true;
    }
};

实现效果：

3.4epoll的事件触发方式

（一）水平触发（默认的触发方式）

触发特性：

可读事件：只要接收缓冲区中有数据，就会触发事件。

可写事件：只要发送缓冲区中有剩余空间，就会触发事件。

（二）边缘触发（EPOLLET）

触发特性：

可读事件：只有新数据到来，才会触发事件，若没有新数据到来，无论缓冲区中有没有数据，都不会二次触发事件。

可写事件：发送缓冲区剩余空间大小从无到有，才会触发事件。

作用：为了让程序员一次性将请求处理完毕，减少处理次数，以此提高效率（但实际上提高并不明显）。

问题：这么才能一次性将数据处理完？

        通常都是循环读取数据，直到缓冲区中没有数据为止。

注意：但是如果循环读取，缓冲区中没有数据时，recv就会阻塞导致程序卡死，因此边缘触发方式下，通常需要将描述符设置为非阻塞，让描述符的操作都成为非阻塞操作。这样没有数据时，读取则会报错返回。

属性相关接口：

int fcntl(int fd, int cmd, int arg……);

（1）获取描述符属性

int flag = fcntl(fd, F_GETFL, 9);

（2）新增非阻塞属性

fcntl(fd, F_SETFL, flag | O_NONBLOCK);

注意：设置非阻塞属性，是在原先的基础上新增非阻塞属性。且描述符为非阻塞属性，其相关操作也就都是非阻塞操作。

边缘触发适用场景：

（1）想要尽量一次性处理所有请求，减少事件触发次数提高效率。

（2）避免水平触发模式下，因为半条数据没有进行处理，不断触发事件的情况。即缓冲区中数据不完整，想要等到新数据到来，再去取出完整数据进行处理的场景。

3.5优缺点

缺点：

跨平台移植性差。

优点

（1）所能监控的描述符数量没有上限限制。

（2）监控的原理是异步阻塞，让系统进行监控。系统为事件做了回调函数，将就绪事件添加到就绪链表，进程只需要判断就绪链表是否为空，就可以确定是否有描述符就绪，其中不需要轮询遍历操作，因此性能不会随着描述符增多而下降。

（3）直接返回就绪的事件信息，可以直接对就绪的描述符进行指定事件的操作，不需要遍历判断哪个描述符就绪。

select&poll相较于epoll的优点：

        虽然针对大量描述符的监控性能没有epoll高，但是在单个描述符的超时控制上，select和poll操作更加轻便。

注：自了解epoll惊群问题。