高并发模型

一、基础知识

1.pc、ios、android、移动web，通常通过负载均衡服务器（nginx）进行任务分发，经过多web服务器，多业务服务器 ，到数据库或分布式文件系统等；

2.高并发服务器模型：多进程并发模型，多线程并发模型，多路io复用模型（select并发模型、poll并发模型、epoll并发模型）；

3.单核电脑是通过分时复用技术，利用cpu快速切换时间片来达到人感觉上的多进程同时运行；

4.Tcp/ip模型，网络接口层（mac地址）、网络层（ip地址）、传输层（tcp/udp端口号）、应用层（应用层协议）；

5.操作系统核心：内存管理、进程管理、网络管理、驱动管理。

二、常见高并发模型

1.aio是linux2.6以后内核实现的异步IO；

2.epoll作为select的linux的替代品，解决了select的fd_set的限制。性能优于select；

3.libevent是一个跨平台异步解决方案，他根据不同的平台提供了不同的异步方案，采用Reactor模型实现；

4.Boost::asio是一个跨平台的网络及底层IO的C++编程库，实现了对TCP、UDP、ICMP、串口的支持。对于读写方式，ASIO支持同步和异步两种方式。采用了epoll来实现，插入了大量的信号处理；

5.muduo采用Reactor模型实现的网络库，只支持Linux 2.6.x下的并发非阻塞TCP网络编程，不跨平台，不支持udp和ipv6。吞吐量方面muduo比libevent快，在事件处理效率方面，muduo与libevent总体比较接近，muduo吞吐量比boost.asio高；

6.ACE也是很经典的网络库。

三、Select、poll和epoll的区别：

        select，poll，epoll都是IO多路复用的机制。I/O多路复用就是通过一种机制，可以监视多个描述符，一旦某个描述符就绪（一般是读就绪或者写就绪），能够通知程序进行相应的读写操作。但select，poll，epoll本质上都是同步I/O，因为他们都需要在读写事件就绪后自己负责进行读写，也就是说这个读写过程是阻塞的，而异步I/O则无需自己负责进行读写，异步I/O的实现会负责把数据从内核拷贝到用户空间。

1、select实现

（1）使用copy_from_user从用户空间拷贝fd_set到内核空间

（2）注册回调函数pollwait

（3）遍历所有fd，调用其对应的poll方法（对于socket，这个poll方法是sock_poll，sock_poll根据情况会调用到tcp_poll,udp_poll等）

（4）以tcp_poll为例，其核心实现就是pollwait，也就是上面注册的回调函数。

（5）pollwait的主要工作就是把current（当前进程）挂到设备的等待队列中，不同的设备有不同的等待队列。在设备收到一条消息（网络设备）或填写完文件数据（磁盘设备）后，会唤醒设备等待队列上睡眠的进程，这时current便被唤醒了。

（6）poll方法返回时会返回一个描述读写操作是否就绪的mask掩码，根据这个mask掩码给fd_set赋值。

（7）如果遍历完所有的fd，还没有返回一个可读写的mask掩码，则会调用schedule_timeout使select的进程（也就是current）进入睡眠。当设备驱动发现自身资源可读写后，会唤醒其等待队列上睡眠的进程。如果超过一定的超时时间（schedule_timeout指定），还是没人唤醒，则调用select的进程会重新被唤醒获得CPU，进而重新遍历fd，判断有没有就绪的fd。

（8）把fd_set从内核空间拷贝到用户空间。

总结：

select的几大缺点：

（1）每次调用select，都需要把fd集合从用户态拷贝到内核态，这个开销fd越多会越大；

（2）同时每次调用select都需要在内核遍历传递进来的所有fd，这个开销fd越多会越大；

（3）select支持的文件描述符数量有限，默认是1024。

2、poll实现

        poll的实现和select非常相似，只是描述fd集合的方式不同，poll使用pollfd结构而不是select的fd_set结构，其他的都差不多。

3、Epoll

（1）epoll使用了内存映射(mmap)技术，将内核和用户空间指向同一块内存。

（2）epoll原理概述

    select和poll都只提供了一个函数——select或者poll函数。而epoll提供了三个函数，epoll_create,epoll_ctl和epoll_wait，epoll_create是创建一个epoll句柄；epoll_ctl是注册要监听的事件类型；epoll_wait则是等待事件的产生。

A.调用epoll_create时，做了以下事情：

    内核帮我们在epoll文件系统里建了个file结点；

    在内核cache里建了个红黑树用于存储以后epoll_ctl传来的socket；

    建立一个list链表，用于存储准备就绪的事件。

B.调用epoll_ctl时，做了以下事情：

    把socket放到epoll文件系统里file对象对应的红黑树上；

    给内核中断处理程序注册一个回调函数，告诉内核，如果这个句柄的中断到了，就把它放到准备就绪list链表里。

C.调用epoll_wait时，做了以下事情：

    观察list链表里有没有数据。有数据就返回，没有数据就sleep，等到timeout时间到后即使链表没数据也返回。而且，通常情况下即使我们要监控百万计的句柄，大多一次也只返回很少量的准备就绪句柄而已，所以，epoll_wait仅需要从内核态copy少量的句柄到用户态而已。

总结：

（1）select，poll实现需要自己不断轮询所有fd集合，直到设备就绪，期间可能要睡眠和唤醒多次交替。而epoll其实也需要调用epoll_wait不断轮询就绪链表，期间也可能多次睡眠和唤醒交替，但是它是设备就绪时，调用回调函数，把就绪fd放入就绪链表中，并唤醒在epoll_wait中进入睡眠的进程。虽然都要睡眠和交替，但是select和poll在“醒着”的时候要遍历整个fd集合，而epoll在“醒着”的时候只要判断一下就绪链表是否为空就行了，这节省了大量的CPU时间。这就是回调机制带来的性能提升。

（2）select，poll每次调用都要把fd集合从用户态往内核态拷贝一次，并且要把current往设备等待队列中挂一次，而epoll只要一次拷贝，而且把current往等待队列上挂也只挂一次（在epoll_wait的开始，注意这里的等待队列并不是设备等待队列，只是一个epoll内部定义的等待队列）。这也能节省不少的开销。

4.epoll的两种模式LT和ET

    二者的差异在于level-trigger模式下只要某个socket处于readable/writable状态，无论什么时候进行epoll_wait都会返回该socket；而edge-trigger模式下只有某个socket从unreadable变为readable或从unwritable变为writable时，epoll_wait才会返回该socket。

5.源码示例(源码来自网络)

/*poll example*/
/*如何索引poll返回的就绪文件描述符*/
int ret = poll(fds, MAX_EVENT_NUMBER, -1);
/*必须遍历所有已注册文件描述符并找到其中的就绪者（当然，可以利用ret来稍作优化）*/
for(int i = 0; i < MAX_EVENT_NUMBER; ++i)
{
    if(fds[i].revents & POLLIN)
    {
    int sockfd = fds[i].fd;
        //deal with sockfd.
    }
}


/*epoll example*/
int epfd = epoll_create(MAXSIZE);

struct epoll_event ev,events[5000];
//设置与要处理的事件相关的文件描述符
ev.data.fd=listenfd;
//设置要处理的事件类型
ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;
//注册epoll事件
epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,listenfd,&ev);

int nfds = epoll_wait(epfd,events,6000,-1);
//处理所发生的所有事件     
for(int i = 0; i< nfds; ++i)
{
    //new accept.
    if(events[i].data.fd == listenfd)
    {
        printf("listen=%d\n",events[i].data.fd);
        connfd = accept(listenfd,(sockaddr *)(&clientaddr), &clilen);
        if(connfd<0)
        {
            perror("connfd<0");
            exit(1);
        }            
        setnonblocking(connfd);                 
        char *str = inet_ntoa(clientaddr.sin_addr);
        std::cout<<"connec_ from >>"<fd = sockfd;
        new_task->next=NULL;
                                                
        //fprintf(stderr,"sockfd %d",sockfd);
        //添加新的读任务
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        if(readhead == NULL)
        {
            readhead = new_task;
            readtail = new_task;
        }   
        else
        {   
            readtail->next=new_task;
            readtail=new_task;
        }   
        //唤醒所有等待cond1条件的线程
        pthread_cond_broadcast(&cond1);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);  
        continue;
    }
    else if(events.events & EPOLLOUT)
    {   
        //fprintf(stderr,"EPOLLOUT");
        num++;
        rdata=(struct user_data *)events[i].data.ptr;
        sockfd =rdata->fd;
        if(old == sockfd)
        {
            fprintf(stderr,"repreted sockfd=%d\n",sockfd);
            //exit(1);
        }
        old=sockfd;       
        //fprintf(stderr,"write  %d\n",num);
        int size=write(sockfd, rdata->line, rdata->n_size);
        //fprintf(stderr,"write=%d delete rdata\n",size);
        fprintf(stderr,"addr=%x fdwrite=%d size=%d\n",rdata,rdata->fd,size);
        
        if(rdata!=NULL)／／主要问题导致delete重复相同对象 events返回对象相同
        {
            delete rdata;
            rdata=NULL;
        }
        
        //设置用于读操作的文件描述符
        //fprintf(stderr,"after delete rdata\n");
        ev.data.fd=sockfd;
                             
        //设置用于注测的读操作事件
        ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;

        //修改sockfd上要处理的事件为EPOLIN
        res = epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,sockfd,&ev);
        
        while(res==-1)
        {
            //fprintf(stderr,"out error");
            exit(1);
        }
        //fprintf(stderr,"out EPOLLOUT\n");
        continue;
    }
    else if(events.events&(EPOLLHUP|EPOLLERR))
    {
        //fprintf(stderr,"EPPOLLERR\n");
        int fd=events.data.fd;
        if(fd>6000)
        {
            fd=((struct user_data*)(events.data.ptr))->fd;
        }
        //设置用于注测的读操作事件
        ev.data.fd=fd;
        ev.events=EPOLLIN|EPOLLET|EPOLLOUT;

        //修改sockfd上要处理的事件为EPOLIN
        epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_DEL,fd,&ev);
    }
}