io与select介绍

什么是IO

• IO：指既能收数据也能发数据。

  Linux下socketfd(文件描述符)就是一种IO

观察程序启动流程

strace 可执行文件

• 使用该条命令可以查看到进程是如何启动的

  是由bash所在的进程调用execve来启动的进程

调用main函数前操作系统会进行什么操作

• 加载可执行文件：操作系统会将程序的可执行文件从磁盘读取到内存中，并进行一些必要的校验工作，例如校验文件格式、校验文件权限等。

• 分配内存：操作系统会为程序分配内存空间，包括代码段、数据段、堆和栈等。代码段存储程序的指令，数据段存储程序的全局变量和静态变量，堆和栈用于动态内存分配和函数调用。

• 解析动态链接库：如果程序使用了动态链接库，操作系统会在加载程序时解析这些库，并将它们链接到程序中。

• 初始化进程环境：操作系统会初始化进程的环境，包括设置进程的根目录、文件描述符、信号处理器等。

• 启动程序：最后，操作系统会定位main函数的入口地址，并跳转到这个地址开始执行程序。

Linux内核kernel没有main函数，他是如何执行的

通过硬件引导程序（bootloader）启动

• 在计算机启动时，硬件会首先加载硬件引导程序（bootloader），它通常位于硬盘的第一个扇区（也称为主引导记录）。硬件引导程序的作用是加载内核映像（kernel image）到内存中，并跳转到内核的入口点开始执行。
• 在Linux内核中，入口点的符号名为_start。当硬件引导程序将内核映像加载到内存中后，会将控制权转移给_start符号所在的地址，从而开始执行内核的初始化过程。
• 在内核的初始化过程中，会进行各种硬件初始化、内存管理、进程管理等操作，最终启动一个称为init的用户进程作为系统的第一个进程，并将控制权转交给它，让它继续进行系统初始化和启动其他进程。

服务器常用IP地址IADDR_ANY、127.0.0.1、虚拟机网卡指定IP之间的区别

• IADDR_ANY：值为0，用点分十表达则为0.0.0.0，表示绑定本机随便选一个网卡的ip
• 127.0.0.1：表示监听监听本地回环接口，只能用于本机访问
• 指定IP：绑定指定的本地网卡IP地址

例子：远程访问非本机的Mysql的服务失败，在确定了其防火墙是关闭的情况，可以考虑是其配置文件的bind-address默认是设置的127.0.0.1只允许其本机访问，所以可以将其设置为0.0.0.0，监听所有可用的网络接口，这样也许就能解决无法访问远程mysql服务问题

服务器基本框架的简单理解

socket、bind、listen

• 去吃饭，进门找到接引人（listen），他会将你带去找到点菜（发送数据）的人（accept）

注意一种情况

send返回>0不等于发送成功，（只是代表将数据发送到了协议栈）

阻塞与非阻塞

简单的服务器框架socket、bind、listen、accept阻塞在accept阻塞的主要原因是监听的文件描述符默认是阻塞的

实现多个客户端连接，并且发送数据

多线程与多进程实现

来一个请求accept之后开辟一个线程去处理任务

**好处：**逻辑简单，线程只为一个fd服务，不用担心其他线程or进程来处理

**缺点：**代价太大

io多路复用

如何单线程实现多个客户端同时连接？

• 不采取任何措施下多个客户端的连接（listenfd的io有效）是没有问题的

  但是不知道什么时候执行accept，

  （后续的业务处理）不知道什么时候recv，不知道什么时候send

• io多路复用就是检测io是否有事件（事件：描述符上是否有可读可写）

• 如何标识一个IO的事件->可读（有还是没有）可写（有还是没有）->select用一个bit位表示

select

如何理解select…

• 一个人(server)喜欢去东莞，他跟很多技师(fd)关系很好，经常去，但是每次去的时候都要访问所有技师(fd)关于以下信息

  1. 晚上有没有时间？(io可读)
  2. 是否还愿意？(io可写)

• 后来他找了一个秘书（select）,他会叫她先去东莞采集完这些信息后再去，这个秘书的主要职责就是看这些技师(fd)是否可以办正事（recv\send）

select接口介绍

IO多路复用是一种同时监控多个文件描述符（包括套接字）的技术，它允许一个进程可以同时等待多个IO操作完成，而不是阻塞在单个IO操作上。其中一个常用的IO多路复用技术是select。

select函数可以同时监视多个文件描述符，等待其中任何一个文件描述符就绪（可读、可写或异常），然后通知应用程序进行相应的操作。使用select可以避免阻塞在单个IO操作上，提高程序的效率和响应速度。

在使用select函数时，需要准备一个文件描述符集合，包括需要监视的所有文件描述符，然后将该集合传递给select函数。select函数会不断地监视这些文件描述符，直到其中任何一个文件描述符就绪，然后返回就绪文件描述符的数量，并更新原始的文件描述符集合。

在编写基于select的程序时，需要注意以下几点：

1. 设置文件描述符为非阻塞模式，以避免阻塞在单个IO操作上。
2. 每次调用select时，需要重新设置原始的文件描述符集合，以避免之前的就绪文件描述符被遗漏。
3. 在处理就绪文件描述符时，需要注意其对应的IO操作是否已经完成，以避免出现错误的操作。

函数原型

#include 

int select(int nfds, 				
           fd_set *readfds, 
           fd_set *writefds, 
           fd_set *exceptfds, 
           struct timeval *timeout
          );

• nfds：需要监视的文件描述符集合中所有文件描述符的最大值加1。
• readfds：监视可读性的文件描述符集合。
• writefds：监视可写性的文件描述符集合。
• exceptfds：监视异常性的文件描述符集合。
• timeout：select() 超时时间，设置为 NULL 表示阻塞等待，设置为 0 表示立即返回，设置为大于 0 的值表示等待指定时间后返回。

小demo

只判断了io是否可读

• 注册select读检测

  // socket bind listen..
  struct sockaddr_in clientaddr;
  socklen_t len = sizeof(clientaddr);
  
  fd_set rfds, rset;
  FD_ZERO(&rfds);   		// 清空bit位
  FD_SET(sockfd, &rfds);  // 设置listenfd位
  int maxfd = sockfd; 	// 设置最大fd
  int clientfd = 0;		
  

• select

  while (1) {  // master
      rset = rfds;  // 设置副本 保证同一循环下检测队列不会改变
      int nready = select(maxfd+1, &rset, NULL, NULL, NULL);
  
      if (FD_ISSET(sockfd, &rset)) { // 判断是否有客户端连接
          clientfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &len);
          printf("accept: %d\n", clientfd);
          FD_SET(clientfd, &rfds);
          if (clientfd > maxfd) maxfd = clientfd;
  
          if (-- nready == 0) continue;
      }
  
      int i = 0;
      for (i = sockfd+1; i <= maxfd;i ++) {  
  
          if (FD_ISSET(i, &rset)) {  // 判断客户端io是否可读
  
              char buffer[BUFFER_LENGTH] = {0};
              int ret = recv(clientfd, buffer, BUFFER_LENGTH, 0);
              if (ret == 0) {
                  close(clientfd);
                  break; 
              }
  
              printf("ret: %d, buffer: %s\n", ret, buffer);
  
              send(clientfd, buffer, ret, 0); 
  
      	}
  
  	}
  }
  

细节注意点：

关于accept所做的事情

• listenfd在监听到客户端连接后执行accept会清空掉其描述符上客户端写进来的数据。这样只有在下次客户端到来的时候listenfd描述符上才会有io提示，select才会刚好在客户端连接的时候检测到listenfd的动静。

  如果使用了select来检测listenfd，之后没有写accept，则select每次循环都会检测listenfd有数据

关于select的读写集合设置副本的原因

• 是为了在同一循环中保证一开始想要检测的固定数量的文件描述符io不会变多或变少

maxfd设置为什么要+1

• 内核中轮询的代码就类似于下面这种

  for(int i = 0; i < maxfd_; i++){
      //
  }
  

  这种判断是<要想包含maxfd那就必须+1

本专栏知识点是通过<零声教育>的系统学习，进行梳理总结写下文章，对c/c++linux课程感兴趣的读者，可以点击链接,详细查看详细的服务