【Linux】I/O多路复用模型 select、poll、epoll

news2024/10/23 2:49:00

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在这里插入图片描述

多路：

I/O 状态：可读、可写

复用：

使用一个线程/进程监听处理 I/O 事件，复用多个 socket 请求

一、select 模型

select 原理：

1.创建一个文件描述符集合 fd_set set 0 不监听 1 监听
2.设置文件描述符的状态
- FD_ZERO(&set); 初始化监听集合，将位码初始化为 0
- FD_SET(int sockfd,&set); 将 sockfd 在集合中对应的位设置成 1
- FD_CLR(int sockfd,&set); 将 sockfd 在集合中对应的位设置成 0
- int code = FD_ISSET(int sockfd,&set); 返回 sockfd 在文件描述符集合中的位码
3.调用 select 函数，传入文件描述符集合 set

select 函数：

#include <sys/select.h>
#include <unistd.h>

int ready = select(int nfds,fd_set* readfds,fd_set* writefds,fd_set* errorfds,struct timeval* timeout);

参数：

nfds：需要监视的最大文件描述符值加 1
readfds：监听读事件，设为 NULL 不监听
writefds：监听写事件，设为 NULL 不监听
errorfds：异常事件
timeout：阻塞时间，设为 NULL 为阻塞监听，定义 timeval 结构体将成员设置为 0 为非阻塞。定时阻塞支持微妙级别定时

返回值：返回就绪的 socket 数量

select 函数会将整个文件描述符集合 set 拷贝到内核中，让内核检查是否有读/写事件，内核遍历文件描述符集合，
如果有事件发生，内核将对应的 socket 标记位可读/可写，然后将整个文件描述符集合 set 拷贝回用户空间，用户再遍历文件描述符集合找到就绪的 socket 进行后续处理

select 的缺点：

1.Linux 平台受最大文件描述符数量限制，select 的最大监听数为 1024
2.select 监听就绪后只返回就绪的数量，需要用户遍历找到就绪的 socket
3.监听集合会在监听到就绪后被修改，需要用户自行分离传入传出设置
4.轮询监听，轮询数量大， CPU 处理性能下降
5.拷贝和挂载开销大
6.设置监听不灵活，无法对不同的 socket 设置不同的监听类型

二、poll 模型

poll 监听事件种类更丰富，对监听和就绪数组进行了传入传出分离

poll 不受最大文件描述符数量限制，支持用户自定义长度结构体数组作为集合

#include <poll.h>

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

参数：

fds：监听数组
- struct pollfd listen_array[4096]; //监听数组
- listen_array[0].fd = sockfd; //监听 sockfd，-1 取消监听
- listen_array[0].events = POLLIN|POLLOUT|POLLERR; //设置监听事件
- listen_array[0].revents; //如果监听的 socket 就绪，系统将就绪事件传到 revents 中
nfds：监听数组大小
timeout：阻塞时间，-1 为阻塞监听，0 为非阻塞。>0 定时阻塞只支持毫妙级定时

poll 的缺点：

1.轮询监听，轮询数量大， CPU 处理性能下降
2.拷贝和挂载开销大
3.只有特定的 Linux 版本才能使用

三、epoll 模型

结合了 select 和 poll 的优势

创建监听树（创建于内核中，使用红黑树）：

#include <sys/epoll.h>
int epfd = epoll_create(int size);

参数：size 为监听数量。返回值：指向监听树的描述符。

监听树节点

struct epolevent node;
node.data.fd = sockfd;
node.events = EPOLLIN|EPOLLOUT|EPOLLERR;

epoll 监听到就绪直接返回就绪节点，用户遍历处理这些就绪 socket 即可

向监听树中添加节点：

epoll_ctl(int epfd,EPOLL_CTL_ADD,int sockfd,struct epollevent* node);

在监听树中删除节点：

epoll_ctl(int epfd,EPOLL_CTL_DEL,int sockfd,NULL);

修改监听树中的节点（修改监听的事件）：

epoll_ctl(int epfd,EPOLL_CTL_MOD,int sockfd,&node);

监听事件发生：

int ready = epoll_wait(int epfd, struct epoll_event* events, int maxevents, int timeout);

参数：

epfd：监听树
events：监听事件数组
maxevents：最大就绪数大小
timeout：阻塞时间，-1 为阻塞监听，0 为非阻塞。>0 定时阻塞

epoll 的优点：

没有监听数量限制，不用担心轮询问题
epoll 使用了事件驱动的方式，监听集合在内核层，避免了每次调用时的重复设置和遍历操作。内核会将就绪的文件描述符直接返回
监听事件种类更丰富，可以对不同的 socket 设置不同的事件监听，对监听和就绪数组进行了传入传出分离

水平触发模式 EPOLLLT

当可读或可写事件发生时，epoll 会持续通知用户处理直到用户处理。
以在任何时候处理这些通知，不必立即响应
水平触发适用于处理数据量较大或需要缓冲数据的情况，因为可以确保用户不会错过任何数据

多个事件同时发生可能导致重复处理，可以使用 EPOLLONESHOT设置为只触发一次通知

边缘触发模式 EPOLLET

当可读或可写事件发生时，epoll 会立即通知（只会通知 1 次）
应用程序需要在收到通知后立即处理相应的 I/O 事件，否则可能会丢失事件
边缘触发适用于处理大量并发连接且数据量较小的情况，可以减少不必要的系统调用和上下文切换。

边缘触发模式一般和非阻塞 I/O 搭配使用，直到系统调用（如 read 和 write）返回错误，错误类型为 EAGAIN 或 EWOULDBLOCK

示例

    //创建监听树并将serversock设置监听读事件
	if((epfd = epoll_create(EPOLL_MAX)) == -1)
	{
		perror("epoll_initializer: create epoll tree failed");
	}
	struct epoll_event node;
	node.data.fd = sockfd;
	node.events = EPOLLIN;
	//添加节点
	epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,sockfd,&node);

    int readycode;
	struct epoll_event readyarray[EPOLL_MAX];
	int i = 0;
    int flag = 1;
	while(flag)
	{
		if((readycode = epoll_wait(epfd,readyarray,EPOLL_MAX,-1)) == -1)
		{
			perror("epoll_wait failed");
		}
		else
		{
			i = 0;
			//根据readycode就绪数量处理就绪
			while(readycode)
			{
				//判断就绪
				if (readyarray[i].data.fd == server_sockfd)
				{
					//server sock ready
					//添加tcp连接任务
				}
				else
				{
					//client sock ready
					//添加响应处理任务
				}
				--(readycode);
				++i;
			}
		}
	}