Linux网络编程—— IO多路复用

- 1. I/O 多路复用（I/O多路转接）
- - 1.1 常见的几种I/O模型
- 2. select
- 3. poll
- 4. epoll :star:

1. I/O 多路复用（I/O多路转接）

I/O 多路复用 使得程序能 同时监听多个文件描述符，能够提高程序的性能，Linux 下实现 I/O 多路复用 的 系统调用主要有 select、poll 和 epoll。

传统 I/O 输入/输出 是相对于内存而言的：

输入：文件 --> 内存
输出：内存 --> 文件

socket通信 中，每个 socket 的 文件描述符fd 对应于内核中的一块缓冲区（读缓冲区+写缓冲区）。这里的I/O则是对 缓冲区 的操作。

1.1 常见的几种I/O模型

（1）阻塞等待
在这里插入图片描述

BIO 模型 (Block IO)

（2）非阻塞，忙轮询

在这里插入图片描述

NIO 模型 (No-Block IO)

（3）IO多路转接技术

第一种：select / poll
第二种：epoll

2. select

主旨思想：

首先要构造一个关于 文件描述符的列表，将要 监听的文件描述符添加 到该列表中。
调用一个 系统函数，监听该列表中的文件描述符，直到这些描述符中的一个或者多个进行 I/O操作 时，该函数才返回。
a. 这个函数是阻塞
b. 函数对文件描述符的检测的操作是 由内核完成的
在返回时，它会告诉进程有 多少（哪些）描述符 要进行 I/O操作。

// sizeof(fd_set) = 128(字节) 	(1024位 标志位)
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/select.h>

// 只需一次调用
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（一般不会用到）
		- 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);

select() 工作过程分析
在这里插入图片描述

编写服务端程序 select.c

#include <stdio.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/select.h>

int main() {

    // 1. 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;

    // 2. 绑定
    bind(lfd, (struct sockaddr *)&saddr, sizeof(saddr));

    // 3. 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;
    FD_ZERO(&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);
                    } else if(len > 0) {
                        printf("read buf = %s\n", buf);
                        write(i, buf, strlen(buf) + 1);
                    }
                }
            }

        }

    }
    close(lfd);
    return 0;
}

客户端 client.c

#include <stdio.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

int main() {

    // 创建socket
    int fd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(fd == -1) {
        perror("socket");
        return -1;
    }

    struct sockaddr_in seraddr;
    inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &seraddr.sin_addr.s_addr);
    seraddr.sin_family = AF_INET;
    seraddr.sin_port = htons(9999);

    // 连接服务器
    int ret = connect(fd, (struct sockaddr *)&seraddr, sizeof(seraddr));

    if(ret == -1){
        perror("connect");
        return -1;
    }

    int num = 0;
    while(1) {
        char sendBuf[1024] = {0};
        sprintf(sendBuf, "send data %d", num++); // 格式化
        write(fd, sendBuf, strlen(sendBuf) + 1);

        // 接收
        int len = read(fd, sendBuf, sizeof(sendBuf));
        if(len == -1) {
            perror("read");
            return -1;
        }else if(len > 0) {
            printf("read buf = %s\n", sendBuf);
        } else {
            printf("服务器已经断开连接...\n");
            break;
        }
        sleep(1);
        // usleep(1000);
    }

    close(fd);

    return 0;
}

运行结果：
- 不使用多进程或多线程，实现了多客户端的连接。

select() 多路复用
在这里插入图片描述

select() 的缺点
在这里插入图片描述

3. poll

#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

在这里插入图片描述

4. epoll ⭐️

面试90%会问！

#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

epoll() 多路复用
在这里插入图片描述

Epoll 的工作模式：

LT 模式 （水平触发）
假设委托 内核检测读事件 -> 检测 fd 的读缓冲区
- 读缓冲区有数据 - > epoll 检测到了会给用户通知
  a. 用户不读数据，数据一直在缓冲区，epoll 会一直通知
  b. 用户只读了一部分数据，epoll 会通知
  c. 缓冲区的数据读完了，不通知

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。

ET 模式（边沿触发）
假设委托 内核检测读事件 -> 检测 fd 的读缓冲区
- 读缓冲区有数据 - > epoll 检测到了会给用户通知
  a. 用户不读数据，数据一致在缓冲区中，epoll 下次检测的时候就不通知了
  b. 用户只读了一部分数据，epoll 不通知
  c. 缓冲区的数据读完了，不通知

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。

然后它会假设你知道文件描述符已经就绪，并且不会再为那个文件描述符发送更多的就绪通知，直到你 做了某些操作 导致那个文件描述符 不再为就绪状态 了。
但是请注意，如果一直不对这个 fd 作 IO 操作（从而导致它再次变成未就绪），内核不会发送更多的通知（only once）。

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句柄的 阻塞读 / 阻塞写 操作把处理多个文件描述符的任务饿死。

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
	- EPOLLET