Linux高性能服务器编程（第二篇 第9-12章）——阅读笔记

Linux高性能服务器编程（第二篇 深入解析高性能服务器编程）

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第9章 I/O复用

• I/O复用：程序同时监听多个文件描述符，包括多个socket、多个端口，同时处理用户输入和网络连接、同时处理TCP和UDP等。linux实现I/O复用的系统调用主要有select、poll和epoll

1. select

• select：在一段指定时间内，监听用户感兴趣的文件描述符上的可读、可写和异常等事件。

#include
// nfds:被监听文件描述符总数，通常设为所有文件描述符最大值加一，文件描述符是从0开始计数的。
// readfds、writefds、exceptfds：可读、可写、异常对应的文件描述符集合，
// select返回时修改通过它们通知应用程序哪些文件描述符已经就绪
// fd_set是包含一个整型数组的结构体，每个元素的每个位标记一个文件描述符，因此可以同时处理的文件描述符的数量有限。
// timeout的成员都为0时立即返回，传入NULL时阻塞到某个文件描述符就绪
// 返回值是就绪文件描述符的总数
int select(int nfds, fd_set* readfds,fd_set* writefds, fd_set* exceptfds, struct timeval* timeout);

2. poll系统调用

• poll：与select类似，也是在指定时间内轮询一定数量的文件描述符，以测试其中是否有就绪者。

#include 
// fds是一个pollfd结构体数组，提供了更多事件
int poll(struct pollfd* fds,nfds_t nfds, int timeout);

3. epoll系列系统调用

• epoll是Linux特有的I/O复用函数，使用一组函数完成任务；epoll把用户关心的文件描述符上的事件放在内核里的一个事件表里，无需像select和poll那样每次调用都重新传入文件描述符集或者事件集；但是需要一个额外的文件描述符唯一标识内核中的这个事件表。
• 检索效率是$O(1)$，不用像select和poll那样遍历所有文件描述符（$O(n)$）
• LT模式和ET模式：LT（电平触发 Level Trigger），ET（边缘触发Edge Trigger）
  • LT：默认工作模式，相当于高效的poll，应用程序可以不立即处理事件，下次调用 epoll_wait()还会接收到该事件，直到处理完
  • ET：不管应用程序是否处理都只返回一次该事件，很大程度上降低了同一个epoll事件被重复触发的次数，因此效率比LT高。每个ET状态的文件描述符都应该是非阻塞的，否则读写操作会因为没有后续时间一直处于阻塞状态（饥渴状态）。
• EPOLLONESHOT事件：多线程或多进程环境下，一个线程或进程读完socket上的数据后开始处理这些数据，又有新数据可读，会触发新事件，由其它线程或进程处理该socket的新事件。我们希望一个socket在任意时刻只被一个线程或进程处理，可以利用EPOLLONESHOT事件实现，操作系统最多触发文件描述符上的一个事件，直到处理该文件描述符的线程或进程重置EPOLLONESHOT事件。

#include 
// size不起作用，只提示内核事件表需要多大
// 返回一个文件描述符
int epoll_create(int size);
// op: 操作类型：EPOLL_CTL_ADD,EPOLL_CTL_MOD,EPOLL_CTL_DEL
// fd: 被操作的文件描述符
// event: 指定事件和用户数据，支持的事件基本与poll相同，多了EPOLLET和EPOLLONESHOT
int epoll_ctl(int epfd,int op,int fd,struct epoll_event *event);
// 一段时间内等待一组文件描述符上的事件，成功时返回就绪的文件描述符的个数
// maxevents指定最多监听多少事件，必须大于0
// epoll_wait如果检测到事件，就将所有就绪事件从内核事件表中复制到第二个参数events指向的数组中，该数组仅用于输出。
int epoll_wait(int epfd,struct epoll_event* events,int maxevents,int timeout);

4. 三组I/O复用函数的比较

5-7. I/O复用的高级应用

• 非阻塞connect
• 聊天室程序
• 同时处理TCP和UDP数据

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第10章 信号

• 信号是由用户、系统或者进程发送给目标进程的信息，以通知目标进程某个状态的改变或系统异常。

1. Linux信号概述

#include
#include
// 把sig发送给目标进程
int kill(pid_t pid,int sig);
// 信号处理函数只有一个参数，指示信号类型
// 信号函数必须是可重入的，避免一些竞态条件，严禁调用不安全函数
typedef void (*__sighandler_t) (int);

#include//Linux可用信号都定义在此
#def SIG_DFL ((__sighandler_t) 0) // 使用信号默认处理方式
#def SIG_IGN ((__sighandler_t) 1) // 忽略目标信号

2. 信号函数

#include
// 为信号设置处理函数，返回之前的信号处理函数
_sighandler_t signal( int sig,_sighandler_t _handler);
// 更健壮地设置信号处理函数
int sigaction(int sig, const struct sigaction* act,struct sigaction* oact);

3. 信号集

• 信号集函数
• 进程信号掩码
• 被挂起的信号

4. 统一事件源

• 信号是一种异步事件：信号处理函数和程序主循环是两条不同的执行路线。信号处理函数要尽快执行完毕，避免信号被屏蔽太久，因此把信号的主要处理逻辑放到主循环中，信号处理函数通过管道将信号传递给主循环，主循环再用I/O复用函数监听管道上的信号值。此时信号事件和I/O事件一样被处理，称为统一事件源。

5. 网络编程相关信号

• SIGHUP：控制终端挂起，对于没有控制终端的网络后台程序，通常利用SIGHUP强制服务器重新读取配置文件。
• SIGPIPE：向一个读关闭的管道或者socket连接中写数据将引发SIGPIPE信号。
• SIGURG：带外数据到达。

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第11章 定时器

Linux提供的三种定时方法：

• socket 选项SO_RCVTIMEO和SO_SNDTIMEO
• SIGALRM信号
• I/O复用系统调用的超时参数

1. socket选项SO_RCVTIMEO和SO_SNDTIMEO

2. SIGALRM信号

• 基于升序链表的定时器
• 处理非活动连接
• 利用alarm函数触发SIGALRM信号

3. I/O复用系统调用的超时参数

4. 高性能定时器

• 时间轮
  
• 时间堆：最小堆，将超时时间最小的定时器的超时值作为心搏间隔。

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第12章 高性能I/O框架Libevent

• Linux服务器程序必须处理的三类事件：I/O事件，信号事件，定时事件
• 需考虑三个问题：统一事件源，可移植性，并发编程支持

1. I/O框架库概述

2. Libevent源码分析