I/O多路復用（IO multiplexing）

? I/O多路復用是通過一種機制，可以監視多個檔案描述符，一旦某個描述符就緒（一般是讀就緒或者寫就緒，還有例外就緒），能夠通知程式進行相應的讀寫操作，比較常用的有select/epoll,有些地方也稱這種IO方式為事件驅動 IO(event driven IO)，

select

原理：客戶端操作服務器時就會產生這三種檔案描述符(簡稱fd)：writefds(寫)、readfds(讀)、和exceptfds(例外)，select會阻塞住監視3類檔案描述符，等有資料、可讀、可寫、出例外或超時、就會回傳；回傳后通過遍歷fdset整個陣列來找到就緒的描述符fd，然后進行對應的IO操作，

優點：幾乎在所有的平臺上支持，跨平臺支持性好

缺點：

由于是采用輪詢方式全盤掃描，會隨著檔案描述符FD數量增多而性能下降，

每次呼叫 select()，需要把 fd 集合從用戶態拷貝到內核態，并進行遍歷(訊息傳遞都是從內核到用戶空間)

默認單個行程打開的FD有限制是1024個，可修改宏定義，但是效率仍然慢，

select 介面的原型:

FD_ZERO(int fd, fd_set* fds)//將指定的檔案描述符集清空，在對檔案描述符集合進行設定前，必須對其進行初始化，如果不清空，由于在系統分配記憶體空間后，通常并不作清空處理，所以結果是不可知的，即清空set中所有的位，全置為0
FD_SET(int fd, fd_set* fds)//用于在檔案描述符集合中增加一個新的檔案描述符，即設定set中相關fd的位，將其置1
FD_ISSET(int fd, fd_set* fds)//用于判斷指定的檔案描述符是否在該集合中，即判斷set中相關fd是否存在，該位是否被置1
FD_CLR(int fd, fd_set* fds)//用于在檔案描述符集合中洗掉一個檔案描述符，即清除set中相關fd的位，將其置為0
int select(int maxfd, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set*exceptfds,struct timeval *timeout)

　　1. maxfd：是需要監視的最大的檔案描述符值+1
　　2. readfds：需要檢測的可讀檔案描述符的集合
　　3. writefds：需要檢測的可寫檔案描述符的集合
　　4. exceptfds：需要檢測的例外檔案描述符的集合
　　5. timeout：指向timeval結構體的指標，通過傳入的這個timeout引數來決定select()函式的三種執行方式，

傳入的timeout為NULL，則表示將select()函式置為阻塞狀態，直到我們所監視的檔案描述符集合中某個檔案描述符發生變化是，才會回傳結果，
傳入的timeout為0秒0毫秒，則表示將select()函式置為非阻塞狀態，不管檔案描述符是否發生變化均立刻回傳繼續執行，
傳入的timeout為一個大于0的值，則表示這個值為select()函式的超時時間，在timeout時間內一直阻塞，超過時間即回傳結果，

簡單使用

#include <errno.h>
#include <netinet/in.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

#define MAXLNE  4096

int main(int argc, char **argv)
{
    int listenfd, connfd, n;
    struct sockaddr_in servaddr;
    char buff[MAXLNE];

    if ((listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1) {
        printf("create socket error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno);
        return 0;
    }

    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    servaddr.sin_port = htons(9999);

    if (bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) == -1) {
        printf("bind socket error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno);
        return 0;
    }

    if (listen(listenfd, 10) == -1) {
        printf("listen socket error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno);
        return 0;
    }
    
    fd_set rfds, rset, wfds, wset;

	FD_ZERO(&rfds);
	FD_SET(listenfd, &rfds);

	FD_ZERO(&wfds);

	int max_fd = listenfd;

	while (1) {

		rset = rfds;
		wset = wfds;

		int nready = select(max_fd+1, &rset, &wset, NULL, NULL);

		if (FD_ISSET(listenfd, &rset)) { //

			struct sockaddr_in client;
		    socklen_t len = sizeof(client);
		    if ((connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&client, &len)) == -1) {
		        printf("accept socket error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno);
		        return 0;
		    }

			FD_SET(connfd, &rfds);

			if (connfd > max_fd) max_fd = connfd;

			if (--nready == 0) continue;

		}

		int i = 0;
		for (i = listenfd+1;i <= max_fd;i ++) {

			if (FD_ISSET(i, &rset)) { //

				n = recv(i, buff, MAXLNE, 0);
		        if (n > 0) {
		            buff[n] = '\0';
		            printf("recv msg from client: %s\n", buff);

					FD_SET(i, &wfds);

					//reactor
					//send(i, buff, n, 0);
		        } else if (n == 0) { //

					FD_CLR(i, &rfds);
					//printf("disconnect\n");
		            close(i);

		        }
				if (--nready == 0) break;
			} else if (FD_ISSET(i, &wset)) {

				send(i, buff, n, 0);
				FD_SET(i, &rfds);

			}
		}
	}
    
    close(listenfd);
    return 0;
}

epoll

原理:epoll使用一個檔案描述符管理多個描述符，將用戶關系的檔案描述符的事件存放到內核的一個事件表中，這樣在用戶空間和內核空間的copy只需一次，

epoll之所以高性能是得益于它的三個函式:

epoll_create()系統啟動時，在Linux內核里面申請一個B+樹結構檔案系統，回傳epoll物件，也是一個fd

epoll_ctl() 每新建一個連接，都通過該函式操作epoll物件，在這個物件里面修改添加洗掉對應的鏈接fd, 系結一個callback函式

epoll_wait() 輪訓所有的callback集合，并完成對應的IO操作

優點：

沒fd這個限制，所支持的FD上限是作業系統的最大檔案句柄數，1G記憶體大概支持10萬個句柄

效率提高，使用回呼通知而不是輪詢的方式，不會隨著FD數目的增加效率下降

內核和用戶空間mmap同一塊記憶體實作(mmap是一種記憶體映射檔案的方法，即將一個檔案或者其它物件映射到行程的地址空間)
　　

epoll介面

　epoll操作程序需要三個介面，分別如下：

#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);

（1） int epoll_create(int size);

　函式是一個系統函式，函式將在內核空間內開辟一塊新的空間，可以理解為epoll結構空間，回傳值為epoll的檔案描述符編號，方便后續操作使用

（2）int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

? poll的事件注冊函式，epoll與select不同，select函式是呼叫時指定需要監聽的描述符和事件,epoll先將用戶感興趣的描述符事件注冊到epoll空間內，此函式是非阻塞函式，作用僅僅是增刪改epoll空間內的描述符資訊，第一個引數是epoll_create()的回傳值，第二個引數表示動作，用三個宏來表示：
EPOLL_CTL_ADD：注冊新的fd到epfd中；
EPOLL_CTL_MOD：修改已經注冊的fd的監聽事件；
EPOLL_CTL_DEL：從epfd中洗掉一個fd；
第三個引數是需要監聽的fd（一般指socket_fd），第四個引數是告訴內核需要監聽什么事，struct epoll_event結構如下：

struct epoll_event {
  __uint32_t events;  /* Epoll events */
  epoll_data_t data;  /* User data variable */
};

typedef union epoll_data {
  void *ptr;
  int fd;
  uint32_t u32;
  uint64_t u64;
} epoll_data_t;

events可以是以下幾個宏的集合：
EPOLLIN ：表示對應的檔案描述符可以讀（包括對端SOCKET正常關閉）；
EPOLLOUT：表示對應的檔案描述符可以寫；
EPOLLPRI：表示對應的檔案描述符有緊急的資料可讀（這里應該表示有帶外資料到來）；
EPOLLERR：表示對應的檔案描述符發生錯誤；
EPOLLHUP：表示對應的檔案描述符被掛斷；
EPOLLET：將EPOLL設為邊緣觸發(Edge Triggered)模式，這是相對于水平觸發(Level Triggered)來說的，
EPOLLONESHOT：只監聽一次事件，當監聽完這次事件之后，如果還需要繼續監聽這個socket的話，需要再次把這個socket加入到EPOLL佇列里

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

　　等待事件的產生，類似于select()呼叫，引數epfd是epoll的檔案描述符，events用來從內核得到事件的集合，maxevents告之內核這個events有多大，這個maxevents的值不能大于創建epoll_create()時的size，引數timeout是超時時間（毫秒，0非阻塞會立即回傳，-1將不確定，也有說法說是永久阻塞），該函式回傳需要處理的事件數目，如回傳0表示已超時，小于0表示出錯

作業模式

　　epoll對檔案描述符的操作有兩種模式：LT（level trigger）和ET（edge trigger），LT模式是默認模式，LT模式與ET模式的區別如下：

　　LT（水平觸發）模式：當epoll_wait檢測到描述符事件發生并將此事件通知應用程式，應用程式可以不立即處理該事件，下次呼叫epoll_wait時，會再次回應應用程式并通知此事件，

　　ET（邊緣觸發）模式：當epoll_wait檢測到描述符事件發生并將此事件通知應用程式，應用程式必須立即處理該事件，如果不處理，下次呼叫epoll_wait時，不會再次回應應用程式并通知此事件，

　　ET模式在很大程度上減少了epoll事件被重復觸發的次數，因此效率要比LT模式高，epoll作業在ET模式的時候，必須使用非阻塞套介面，以避免由于一個檔案句柄的阻塞讀/阻塞寫操作把處理多個檔案描述符的任務餓死，

編碼流程

創建epoll描述符
注冊epoll事件
等待epoll事件
判斷觸發epoll事件的描述符和事件
關閉epoll描述符

簡單使用

#include <errno.h>
#include <netinet/in.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/epoll.h>
 
#define MAXLNE  4096
#define POLL_SIZE	1024

int main(int argc, char **argv)
{
    int listenfd, connfd, n;
    struct sockaddr_in servaddr;
    char buff[MAXLNE];

    if ((listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1) {
        printf("create socket error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno);
        return 0;
    }

    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    servaddr.sin_port = htons(9999);

    if (bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) == -1) {
        printf("bind socket error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno);
        return 0;
    }

    if (listen(listenfd, 10) == -1) {
        printf("listen socket error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno);
        return 0;
    }
    
    int epfd = epoll_create(1); //int size

    struct epoll_event events[POLL_SIZE] = {0};
    struct epoll_event ev;

    ev.events = EPOLLIN;
    ev.data.fd = listenfd;

    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, listenfd, &ev);

    while (1) {

        int nready = epoll_wait(epfd, events, POLL_SIZE, 5);
        if (nready == -1) {
            continue;
        }

        int i = 0;
        for (i = 0;i < nready;i ++) {

            int clientfd =  events[i].data.fd;
            if (clientfd == listenfd) {

                struct sockaddr_in client;
                socklen_t len = sizeof(client);
                if ((connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&client, &len)) == -1) {
                    printf("accept socket error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno);
                    return 0;
                }

                printf("accept\n");
                ev.events = EPOLLIN;
                ev.data.fd = connfd;
                epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, connfd, &ev);

            } else if (events[i].events & EPOLLIN) {

                n = recv(clientfd, buff, MAXLNE, 0);
                if (n > 0) {
                    buff[n] = '\0';
                    printf("recv msg from client: %s\n", buff);

                    send(clientfd, buff, n, 0);
                } else if (n == 0) { //


                    ev.events = EPOLLIN;
                    ev.data.fd = clientfd;

                    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, clientfd, &ev);

                    close(clientfd);

                }

            }

        }

    }
    
    close(listenfd);
    return 0;
}

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標籤：C++

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