(Linux) 高级IO

典型的五种IO模型：阻塞IO / 非阻塞IO / 信号驱动IO / 异步IO / 多路转接IO

IO完成的过程：

• 1、等待IO就绪（满足IO条件）
• 2、进行数据拷贝

阻塞IO：发起IO调用，若IO条件不具备，则一直等待。

• 优点：流程非常简单，代码操作简单，任务顺序操作；
• 缺点：无法充分利用资源，任务处理效率比较低。

非阻塞IO：发起IO调用，若IO条件不具备，则立即报错返回，可以干点其他事情，完毕后循环回来重新发起IO请求。

• 优点：相较于阻塞IO，任务处理效率高，利用IO等待时间干其他的事情；
• 缺点：例程相较于阻塞IO更复杂，需要循环处理。

信号驱动IO：定义IO就绪信号处理方式，收到信号则认为IO就绪，发起IO调用；在处理方式中进行IO请求，进程可以一直干其他事情，等收到IO就绪信号的时候，会打断进程当前操作去处理进行IO；

• 优点：相较于非阻塞IO，更加实时，资源利用更加充分；
• 缺点：流程更加复杂，需要定义信号处理，既有主控流程又有信号处理流程，涉及到信号是否可靠的问题；

异步IO：IO顺序不确定，IO过程（等待+数据拷贝），由系统完成，不自己进行；
定义IO完成信号处理方式自定义，发起异步IO调用，告诉系统要完成什么功能，剩下的IO功能完全由系统完成，完成后通过信号通知进程。

• 优点：对资源的利用最为充分，以最高效率进行任务处理；
• 缺点：资源消耗比较高，流程最为复杂；

这四种IO，其实是处理效率的逐步增加，对资源的利用更加充分，流程越来越复杂的进化过程；

概念理解

• 阻塞：为了完成一个功能，发起调用，若不具备完成的条件，则调用一直等待；
• 非阻塞：为了完成一个功能，发起调用，若不具备完成功能的条件，则立即报错返回；
• 阻塞和非阻塞的区别：常用于讨论调用函数是否阻塞，表示这个函数无法立即完成功能时是否立即返回；
• 同步：功能完成的流程通常是顺序化的，并且功能是进程自身完成的；
• 异步：功能完成的流程通常是不确定的，并且功能不是由进程自身完成的，由系统完成；
• 异步的种类：1、异步阻塞- - -等着别人完成功能； / 2、异步非阻塞- - -不等待别人完成功能；
• 同步与异步的区别：通常用于讨论功能的完成方式，表示一个功能是否顺序化且由自己来完成的；
• 同步好还是异步好？：同步处理流程简单，同一时间占用资源少，但是异步处理效率高，同一时间占用资源多；

多路转接IO

主要用于进行大量的IO就绪事件监控，能够让我们的进程只针对就绪了指定事件的IO进行IO操作。
就绪事件：IO事件的就绪；
可读事件：一个描述符当前是否有数据可读；
可写事件：一个描述符当前是否可以写入数据；
异常事件：一个描述符是否发生了某些异常；

只对就绪的描述符进行IO操作有什么好处呢？- - -避免阻塞，并且提高效率
1、在默认的socket中，例如tcp一个服务端只能与一个客户端的socket通信一次，因为我们不知道哪个客户端新建的socket有数据到来或者监听socket有新连接，有可能就会对没有新连接到来的监听socket进行accept操作而阻塞或者对没有数据到来的普通socket进行recv阻塞；
2、在tcp服务端中，将所有的socket设置为非阻塞，若没有数据到来，则立即报错返回，进行下一个描述符的操作，这个操作中，有一个不好的地方，就是对没有就绪事件的描述符进行操作，降低了处理效率；

如何实现多路转接IO：操作系统提供了三种模型：select模型、poll模型、epoll模型；

select模型

使用流程以及接口介绍和原理理解

• 1、用户定义想要监控的事件的描述集合（就绪事件有三种，但是并不是每一个描述符都要监控所有事件），例如，定义可读事件的描述符集合，将哪些描述符添加到这个集合中，就表示要对这个描述符监控可读事件，因此是想要监控什么事件就定义什么集合；
• （1）定义指定事件的集合 / （2）初始化集合 / （3）将需要监控这个事件的描述符添加到这个集合中；
  集合：fd_set 结构体，结构体中只有一个成员，就是一个数组- - -作为位图进行使用，向集合中添加一个描述符，描述符就是一个数字，添加描述符其实就是这个数字对应的比特位置为1，表示这个描述符被添加到集合中；
  这个数组中有多少个比特位或者说select最多能监控多少描述符，取决于宏 _FD_SETSIZE，默认为1024；
  fd_set rfds；
  void FD_ZERO(fd_set *set); - - -清空指定的描述符集合；
  void FD_SET(int fd, fd_set *set); - - -将fd描述符添加到set集合中；
• 2、发起调用，将集合中数据拷贝到内核中进行监控，监控采用轮询遍历判断方式进行；
  int select( int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
  nfds：所有集合中最大的那个描述符的数值 + 1，为了减少内核中遍历次数；
  readfds：可读事件集合；
  writefds：可写事件集合；
  excptfds：异常事件集合- - -对不同集合中的描述符监控不同是事件；
  timeout：select默认是一个阻塞操作(struct timeval{tv_sec; tv_usec})，若timeout = NULL表示永久阻塞直到有描述符就绪再返回；若timeout中的数据为0，则表示非阻塞，没有就绪则立即返回；若timeout 有数据，若指定事件内没有描述符就绪则超时返回；
  返回值：返回值小于0，表示监控出错；返回值等于0，表示没有描述符就绪；返回值大于0，表示就绪是描述符个数；
  select会在返回之前，会将所有集合中没有就绪的描述符都给从集合中移除出去（调用返回后，集合中保存的就是就绪的描述符），返回给程序员一个就绪的描述符集合；
• 3、select调用返回后，进程遍历哪些描述符还在哪些集合中，确定哪个描述符就绪哪个事件，进而进行相应操作。
• 其他操作：
  void FD_CLR(int fd, fd_set *set)- - -从set集合中移除fd描述符；
  int FD_ISSET(int fd, fd_set *set) - - -判断fd描述符是否在set集合中；
  封装select，封装一个select类，每一个实例化的对象都是一个监控对象，向外提供简单的接口，可以监控大量的描述符，并且直接能够在外部获取到就绪的描述符（不需要在外部进行复杂的select操作）；

class Select{
     
public:
	Select(){
     };  //初始化操作
	bool Add(TcpSocket &sock); //将sock中的描述符添加到保存集合中
	bool Del(TcpSocket &sock);  //从保存集合中移除这个描述符，不再监控这个描述符
	bool Wait(std::vector<TcpSocket> *list, int outtime);  //进行监控，并且直接向外提供就绪的TcpSocket
private:
	fd_set_rfds; //可读事件集合---保存要监控可读事件的描述符，每次监控使用的集合都是这个集合的复制版（selec会修改集合）
	int _maxfd;
};

select总结，优缺点分析
优点：
1、select遵循posix标准，可以跨平台移植；
2、select的超时等待时间设置，可以精细到微秒；

缺点：
1、select所能够监控的描述符数量有最大上限，取决于宏 _FD_SETSIZE，默认是1024；
2、select进行监控的原理，是内核中进行轮询遍历判断，性能会随着描述符的增多而下降；
3、select返回时移除集合中未就绪的描述符，每次监控都要重新添加描述符，重新拷贝到内核；
4、select只能返回就绪的描述符集合，无法直接返回就绪的描述符，需要用户进行遍历判断哪个描述符还在集合中才能确定是否就绪；