Linux之高级IO

一、五种典型IO模型

• 种类：阻塞IO、非阻塞IO、信号驱动IO、异步IO、多路转接IO。

1.阻塞/非阻塞IO/信号驱动IO/异步IO典型的四种IO模型

• IO过程：发起IO调用，等待IO条件就绪，然后将数据拷贝到缓冲区中进行处理。
  
• 阻塞IO：为了完成IO，发起调用，若当前不具备IO条件，则一直等待。流程非常简单，清晰明了，一个IO完毕后才能进行下一个，对于资源没有充分利用，大部分时间都在等待。
• 非阻塞IO：为了完成IO，发起调用，若当前不具备IO条件，则立即返回。（通常进行其它操作完毕之后，循环操作重新发起IO）。流程相对于阻塞操作来说，相对比较复杂，对资源利用更加充分。
• 信号驱动IO：定义IO信号处理方式，在处理方式中进行IO操作；IO就绪时信号通知进程，进程在IO就绪的时候去进行IO。IO更加实时，对资源的利用更加充分，流程更加复杂。
• 异步IO：通过异步IO调用告诉操作系统，IO哪些数据拷贝到哪里，IO的等待与拷贝过程都是由操作系统完成的。I对资源利用更加充分，流程更加复杂。
• 这个四种IO模型：对资源的利用越来越高，效率会越来越高，但是资源的占用越来越高，并且流程控制起来越来越复杂。

2.阻塞/非阻塞、同步/异步

• 阻塞：为了完后一个功能，发起调用，若当前不具备完后条件，则一直等待。
• 非阻塞：为了完成一个功能，发起调用，若当前不具备完成条件，则立即报错返回（通常循环发起调用）。
• 阻塞与非阻塞的区别：发起的调用在不具备完成条件的情况下是否会立即返回。
• 同步：处理流程中，顺序处理，一个完成之后再完后下一个，并且所有功能都由进程自身完后。
• 异步：处理流程中，顺序不定，因为功能都是由操作系统完成的。
• 同步与异步的区别：功能是否由进程自身完成。
• 同步阻塞/同步非阻塞：是否等待自身完成功能，同步大多是阻塞的。
• 异步阻塞：功能由别人完成，在调用中等着别人完成。
• 异步非阻塞：功能由别人完成，调用是立即返回的。

3.多路转接IO（即多路复用）

• 多路转接IO：对大量的描述符集中进行IO事件监控，可以告诉程序员/进程现在有哪些描述符就绪了哪些事件，然后程序员/进程就可以直接只针对就绪了对应事件的描述符进行相应操作即可，避免了对没有就绪的描述符进行IO操作所导致的效率降低/程序流程阻塞。
• IO事件：可读事件 / 可写事件 / 异常事件。

二、多路转接的三种实现模型

• 多路转接IO模型：用于对描述符事件进行监控。
• 需要对描述符进行监控的场景都可以使用多路转接模型。

1.select模型

• 操作流程：
  ① 程序员定义某个事件的描述符集合（可读事件的描述符集合 / 可写事件的描述符集合 / 异常事件的描述符集合），初始化清空集合，对哪个描述符关心什么事件，就把这个描述符添加到相应事件的描述符集合中。
  ② 发起监控调用，将集合拷贝到内核中进行监控，监控的原理是轮询遍历判断。
  可读事件的就绪：接收缓冲区中数据的大小大于低水位标记。（量化标准----通常默认为1个字节）
  可写事件的就绪：发送缓冲区中剩余空间的大小大于低水位标记。（量化标准----通常默认为1个字节）
  异常事件的就绪：描述符是否产生了某个异常。
  ③ 监控的调用返回，表示监控出错 / 有描述符就绪 / 监控等待超时了。
  并且调用返回的时候，将事件监控的描述符集合中的未就绪描述符从集合中移除了 – （集合中仅仅保留就绪的描述符）。因为返回的时候修改了集合，因此下次监控的时候，就需要重新向集合中添加描述符。
  ④ 程序员轮询判断哪个描述符仍然还在哪个集合中，就确定了这个描述符是否就绪了某个事件，然后进行对应事件的操作即可。select不会直接返回给用户就绪的描述符直接操作，而是返回了就绪的描述符集合，因此需要程序员进行判断。

• 代码操作：

① 定义集合： struct fd_set — 成员只有一个数组 — 当作二进制位图使用 — 添加描述符就是将描述符的值对应比特位置。 因此select能够监控的描述符数量，取决于二进制位图的比特位有多少 — 而比特位有多少取决于宏 — _FD_SETSIZE，默认等于1024。

接口	含义
void FD_ZERO(fd_set *set);	初始化清空集合
void FD_SET(int fd, fd_set* set);	将fd描述符添加到set集合中

② int select (int nfds, fd_set* readfds, fd_set* writefds, fd_set* exceptfds, struct timeval* timeout) ;
nfds：当前监控的集合中最大的描述符 + 1，减少遍历次数。
readfds / writefds / exceptfds：可读 / 可写 / 异常三种事件的描述符集合。
timeout：struct timeval{tv_sec; tv_usec;};时间结构体，通过这个时间决定select阻塞 / 非阻塞 / 限制超时的阻塞。（若timeout为NULL，则表示阻塞监控，直到描述符就绪，或者监控出错才会返回。 若timeout中的成员数据为0，则表示非阻塞监控，监控的时候若没有描述符就绪，则立即超时返回。 若timeout中成员数据不为0，则在指定时间内，没有就绪就超时返回）。
返回值：返回值大于0表示就绪的描述符个数；返回值等于0表示没有描述符就绪，超时返回；返回值小于0表示监控出错。

③ 调用返回，返回给程序员，就绪的描述符集合，程序员遍历判断哪个描述符还在哪个集合中，就是就绪了哪个事件。
int FD_ISSET(int fd, fd_set* set); – 判断fd描述符是否在集合中。
因为select返回时会修改集合，因此每次监控的时候都要重新添加描述符。
④ 若对描述符不想进行监控了，则从集合中移除描述符。
void FD_CLR(int fd, fd_set* set); – 从set集合中删除描述符fd。

//使用select对标准输入进行监控
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main()
{
	//1.定义指定事件的描述符集合
	fd_set rfds;
	while(1)
	{
	    /*
	    select(maxfd + 1, 可读事件集合, 可写事件集合. 异常事件集合, 超时时间)
	    开始监控， 超时/有就绪则调用返回，返回的时候将集合中未就绪的描述符移除
	    超时：在tv指定的时间内都一直没有描述符就绪。
	    有就绪：有描述符就绪的指定的事件。
	    */
	    //时间也得每次都重新赋值，因为select返回时会将监控描述符移除，
	    struct timeval tv;
		tv.tv_sec = 3;
		tv.tv_usec = 0;
		//初始化清空集合
		FD_SERO(&rfds);
		//将0号描述符添加到集合中
		FD_SET(0, &rfds);
		int ret = select(0+1, &rfds, NULL, NULL, &tv);
		if(ret < 0)
		{
			perror("监控出错！\n");
			return -1;  
		}
		else if(ret == 0)
		{
			printf("超时退出！\n");
			continue;
		}
		if(FD_ISSET(0, &rfds))
		{
			//判断描述符是否在集合中判断是否就绪了事件
			printf("准备从标准输入读取数据：\n");
			char buf[1024] = {0};
			int ret = read(0, buf, 1023);
			if(ret < 0)
			{
				perror("读取错误！\n");
				//移除描述符从集合中
				FD_CLR(0, &rfds);
				return -1;
			}
		}
		printf("读数据：[%s]\n", buf);
	}

	return 0;
}

• 缺点：
  ① select对描述符进行监控有最大数量上限，上限取决于宏 – __FD_SETSIZE，默认大小1024。
  ② 在内核中进行监控，是通过轮询遍历判断实现的，性能会随着描述符的增多而下降。
  ③ 只能返回就绪的集合，需要进程进行轮询遍历判断才能知道哪个描述符就绪了哪个事件。
  ④ 每次监控都需要重新添加描述符到集合中，每次监控都需要将集合重新拷贝到内核中。
• 优点：遵循posix标准，跨平台移植性比较好。

2.poll模型

• 操作流程：
  ① 定义监控的描述符事件结构体数组，将需要监控的描述符以及事件标识信息，添加到数组各个节点中。
  ② 发起调用开始监控，将描述符事件结构体数组，拷贝到内核中进行轮询遍历判断，若有就绪/等待超时则调用返回，并且在每个描述符对应的事件结构体中，标识当前就绪的事件。
  ③ 进程轮询遍历数组，判断数组中的每个节点中的就绪事件是哪个事件，决定是否就绪了以及如何对描述符进行操作。
• 接口认识：
  int poll(struct pollfd* arry_fds, nfds_t nfds, int timeout);
  poll监控采用事件结构体的形式
  struct pollfd{ int fd —要监控的描述符; short events — 要监控的事件 POLLIN（标准输入）/POLLOUT（标准输出）; short revents — 调用返回时填充的就绪事件;}
  arry_fds：事件结构体数组，填充要监控的描述符以及事件信息。
  nfds：数组中的有效节点个数（数组有可能很大，但是需要监控的节点只有前nfds个）
  timeout：监控的超时等待时间 — 单位：毫秒。
  返回值：返回值大于0表示就绪的描述符事件的个数；返回值等于0表示等待超时；返回值小于0表示监控出错。

#include 
#include 

#include 

int main()
{
	//1. 定义数组
	struct pollfd poll_fd;
	//2. 填充监控的描述信息
	poll_fd,fd = 0;
	poll_fd.events = POLLIN; // 标准输入事件
	while(1)
	{
		//3. 开始监控，将就绪的事件填充到对应描述符的事件结构体的revents成员中
		int ret = poll(&poll_fd, 1, 5000);
		if(ret < 0)
		{
			perror("poll error");
			continue;
		}
		else if(ret == 0)
		{
			printf("poll timeout！超时等待！\n");
			continue;
		}

		//遍历数组，根据revents判断就绪了什么事件，进行相应的操作。
		if(poll_fd.revents == POLLIN) //revents是就绪可读事件
		{
			char buf[1024] = {9};
			read(0, buf, sizeof(buf) - 1);
			printf("输入：%s", buf);
		}
	}

	return 0;
}

• 优点：
  ① 使用事件结构体进行监控，简化了select中三种事件集合的操作流程
  ② 监控的描述符数量，不做最大数量限制
  ③ 不需要每次重新定义事件节点
• 缺点：
  ① 跨平台移植性差
  ② 每次监控依然需要向内核中拷贝监控数据
  ③ 在内核中监控以任何采用轮询遍历，性能会随着描述符的增多而下降。

3.epoll模型

• epoll模型：是LInux下最好用的、性能最高的多路转接模型。

• 操作流程：
  ① 发起调用在内核中创建epoll句柄epoll_event结构体（这个结构体中包含很多信息，红黑树 + 双向链表）
  ② 发起调用对内核中的epoll_event结构添加/删除/修改所监控的描述符监控信息。
  ③ 发起调用开始监控，在内核中采用异步阻塞操作实现监控，等待超时/有描述符就绪了事件调用返回，返回给用户就绪描述符的事件结构信息。
  ④ 进程直接对就绪的事件结构体中的描述符成员进行操作即可。

• 接口认识：
  ① int epoll_create(int size) — 创建epoll句柄。
  size：在Linux2.6.2之后被忽略，只要大于0即可。
  返回值：文件描述符 — epoll的操作句柄。
  ② int epoll_ctl(int epfd, int cmd, int fd, struct epoll_event* ev);
  epfd：epoll_create返回的操作句柄。
  cmd：针对fd描述符的监控信息要进行的操作—添加/删除/修改 EPOLL_CTL_ADD / EPOLL_CTL_DEL / EPOLL_CTL_MOD
  fd：要监控操作的描述符。
  ev：fd描述符对应的事件结构体信息。
  struct epoll_event {uint32_t events; .—对fd描述符要监控的事件（EPOLLIN / EPOLLOUT） union{int fd; void* ptr;} data; — 要填充的描述符信息};
  一旦epoll开始监控，描述符若就绪了进程关心的事件，则就会给用户返回我们所添加的对应事件结构体信息，通过事件结构体信息中包含的描述符进行操作----因此第三个参数fd与结构体中的fd描述符通常是同一个描述符。
  ③ int epoll_wait(int epfd, strutct epoll_event* evs, int max_event, int timeout);
  epfd：epoll操作句柄。
  evs：struct epoll_event结构体数组的首地址，用于接收就绪描述巨幅对应的事件结构体信息。
  max_event：本次监控想要获取的就绪事件的最大数量，不大于evs数组的节点个数，防止访问越界。
  timeout：等待超时时间，单位：毫秒。
  返回值：返回值大于0表示就绪的事件个数；返回值等于0表示等待超时；返回值小于0表示监控出错。
  ④ 进程遍历获取evs中就绪的事件结构体信息，针对其中的events就绪事件对data.fd进行相应操作。

//封装一个epoll，实现简单操作
#include 
#include 
#include 

class Epoll
{
public:
	Epoll()
		:_epfd(-1)
	{
		//1.创建epoll句柄
		_epfd = epoll_create(1);
		if(_epfd < 0)
		{
			perror("epoll create error!");
			eixt(-1);
		} 
	}

	bool Add(TcpSocket& sock)
	{
		//2.添加描述符监控事件信息
		//(1)获取描述符
		int fd = sock.GetFd();
		//(2)定义描述符对应的事件结构体
		//EPOLLIN -- 可读事件  EPOLLOUT -- 可写事件
		struct epoll_event ev;
		ev.events = EPOLLIN;
		//ev.events = EPOLLINT | EPOLLET; //EPOLLET是边缘触发方式
		ev.data.fd = fd;
		//(3)添加到内核中
		int ret = epoll_ctl(_epfd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &ev);
		if(ret < 0)
		{
			perror("epoll ctl add error!");
			return false;
		}
	}
	bool Del(TcpSocket& sock)
	{
		//3.从结构体中移除监控
		int fd = sock.GetFd();
		int ret = epoll_ctl(_epfd, EPOLL_CTL_DEL, fd, NULL);
		if(ret < 0)
		{
			perror("epoll ctl del error!");
			return false;
		}
		return true;
	}
	bool Wait(std::vector<TcpSocket>* list, int timeout)
	{
		//4.开始监控
		//(1)开始监控
		struct epoll_event evs[10];
		int nfds = epoll_wair(_epfd, evs,, 10, timeout);
		if(nfds < 0)
		{
			perror(""epoll wait error!);
			return false;
		}
		else if(nfds == 0)
		{
			printf("epoll wait timeout,超时等待\n");
			list->clear();
			return true;
		}
		//(2)监控调用返回后，为每一个就绪的描述符组织TcpSocket对象
		for(int i = 0; i < i < nfds; ++i)
		{
			if(evs[i].events & EPOLLIN) //判断是否为可读事件
			{
				//可读事件的操作
				TcpSocket sock;
				sock.SetFid(evs[1].data.fd);
				//(3)将TcpSocket对象添加到list 中，进行返回
				list->push_back(sock);
			}
		}
		return true;
	}
private:
	int _epfd;
};

• epoll的监控原理：异步阻塞操作。监控由系统完成，用户添加监控的描述符以及对应事件结构体会被添加到内核的event_poll结构体中的红黑树中。一旦发起调用开始监控，则操作系统为每个描述符的事件做了个回调函数，功能是当描述符就绪了关心的事件，则描述符对应的事件结构体添加到双向链表中。进程自身只是每个一段时间，判断双向链表是否为NULL，决定是否有就绪。

• epoll中就绪事件的触发方式：（select和poll只有水平触发方式）（不写默认为水平触发方式）
  ① 水平触发方式：（EPOLLLT）
  可读事件：接收缓冲区中数据大小大于低水位标记，就会触发可读事件。
  可写事件：发送缓冲区中剩余空间大小大于低水位标记，就会触发可写事件。
  低水位标记：基准衡量值，默认为1个字节。
  ② 边缘触发方式：（EPOLLET）
  可读事件：只有新数据到来的时候，才会触发一次事件。
  可写事件：发送缓冲区中剩余空间从无到有的时候才会触发一次事件。
  边缘触发，因为触发方式的不同，因此要求进程中事件触发进行数据接收的时候，要求最好能够一次将所有数据全部读取。因为如果全部不读取，剩余数据不会触发第二次事件，只有新数据到来的时候才会触发。
  如何保证读完缓冲区中所有数据----循环读取。然而循环读取能够保证读完缓冲区中的所有数据，但是在没有数据的时候就会造成阻塞。因此边缘触发方式中，描述符的操作都采用非阻塞操作。非阻塞操作的描述符操作在没有数据 / 超时的情况下会报错返回：EAGAIN（没有数据了） or EWOULDBLOCK（超时了）。

• 如何将描述符设置为非阻塞（对这个描述符所有操作都会改为非阻塞操作）
  int fcntl(int fd, int cmd, … /arg/);
  fd：指定的描述符
  cmd:F_GETEL / F_SETFL – 获取 / 设置一个描述符的属性信息 – O_NONBLOCK – 非阻塞属性
  arg：要设置的属性信息 / 获取的属性信息 F_GETFL使用的时候，arg被忽略，默认设置即可。

recv(fd, buf, len, flag); flag – MSG_DONTWAIT ---- 将本次接收操作设为非阻塞。（临时的，如果该操作本身就是非阻塞的，那么该设置就会被忽略）

//设置套接字为非阻塞
void SetNonBlock()
{
	//获取原有数据，在原有数据的基础上增加非阻塞属性，设置回去
	int flag = fcntl(_sockfd, F_GETFL, 0); // 获取原有属性
	fcntl(_sockfd, F_SETFL, flag | O_NONBLOCK);
}

• 边缘触发的作用：为了防止一些事件不断触发（接收数据后（按指定长度取数据，如按条取），缓冲区中留有半条，就会不断触发，这种情况要不然上层操作将半条数据读取出来，外部维护；要不然就使用边缘触发，等待新数据到来，数据完整了之后再触发事件。）

• 优点：
  ① 没有描述符监控数量的上限
  ② 监控信息只需要向内核中添加一次
  ③ 监控使用异步阻塞操作完后才能，性能不会随着描述符的增多而下降（因为异步阻塞：操作系统会把就绪的描述符放到双向链表中，进程只是每个一段时间判断链表是否为空来判断是否有描述符就绪。进程只判断链表是否为空，性能不会下降）
  ④ 直接向用户返回就绪的事件信息（包含描述符在内），进程直接可以针对描述符以及事件进行操作，不需要判断有没有就绪了。

• 缺点：
  ① 跨平台移植性差。

4.多路转接模型使用/适用场景

• 使用场景：只要对描述符有（可读 / 可写 / 异常）事件监控的需求就都可以使用多路转接模型。（UDP也可以使用，如果UDP只有一个描述符，那么采用阻塞操作不用该描述符也可以，使用select、epoll使用描述符也可以。）
• 适用场景：适用于对大量描述符进行监控，但是同一时间只有少量描述符活跃的场景。（如果所有描述符都很活跃不如使用线程池，因为多路转接模型的并发是用户层面的并发，是用户自己实现的并发；而多线程/多进程的并发并行是基于操作系统时间片的均衡并发，并且当cpu资源足够多的时候可以并行。多路转接模型可以和线程池搭配使用）