高级IO---五种IO模型&多路转接之Select

五种IO模型

1、阻塞IO

在内核将数据准备好之前，系统调用会一直等待。所有的套接字，默认都是阻塞方式。

也就是说，在数据准备好之前，系统调用只会静静的等待着数据的到来并不会去干其他的事情

就好比去钓鱼，将鱼饵丢进水里后，啥也不干就静静的看着鱼饵随时准备鱼上钩

2、非阻塞IO

如果内核还未将数据准备好，系统调用仍然会直接返回，并且返回EWOULDBLOCK错误码。

非阻塞IO往往需要程序员循环的方式反复尝试读写文件描述符，这个过程称为轮询。这对CPU来说是较大的浪费，一般只有特定场景下才使用。

就好比去钓鱼，将鱼饵丢进水里后，不会一直去盯着鱼饵，一边干着其他事看看书啥的偶尔看看鱼饵

3、信号驱动IO

内核将数据准备好的时候，使用SIGIO信号通知应用程序进行IO操作。

这就好比在鱼竿上系上一个铃铛，然后去干别的事，当鱼上钩时拉动鱼线就会使铃铛摇晃发出声音提醒鱼上钩了

4、多路转接IO

最核心在于IO多路转接能够同时等待多个文件描述符的就绪状态。

这就好比拿着多条鱼竿去钓鱼，全部丢进水里然后巡视所有鱼竿，一有鱼上钩就拉动对应的鱼竿

5、异步IO

由内核在数据拷贝完成时, 通知应用程序(而信号驱动是告诉应用程序何时可以开始拷贝数据)。

这就好比老板想吃鱼，不用自己去钓，让手下去钓鱼调到了之后交给他

总结IO

任何IO过程中都包含两个步骤：第一是等待，第二是拷贝。而且在实际的应用场景中，等待消耗的时间往往都远远高于拷贝的时间。所以让IO更高效最核心的办法就是让等待的时间尽量减少

所以综上而言，多把钓竿同时等待，鱼上钩的概率就越大上钩的时间也就越快，所以多路转接IO效率高

同步与异步

同步和异步关注的是消息通信机制

1. 同步：就是在发出一个调用时，在没有得到结果之前，该调用不返回。但是一旦调用返回，就得到返回值了。换句话说，就是由调用者主动等待这个调用的结果;
2. 异步：正好相反，调用在发出之后，这个调用就直接返回了，所以没有返回结果; 换句话说，当一个异步过程调用发出后，调用者不会立刻得到结果; 而是在调用发出后，被调用者通过状态、通知来通知调用者，或通过回调函数处理这个调用。

注意这里的同步通信和进程之间的同步是完全不想干的概念

阻塞与非阻塞

1. 阻塞：调用结果返回之前，当前线程会被挂起。调用线程只有在得到结果之后才会返回
2. 非阻塞：在不能立刻得到结果之前，该调用不会阻塞当前线程。

设置非阻塞

需要利用系统调用 ---- fcntl

#include 
#include 

int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );

参数一为：需要设置的文件描述符

参数二为：想要让fcntl实现的功能

1. 复制一个现有的描述符（cmd = F_DUPFD） .
2. 获得/设置文件描述符标记(cmd = F_GETFD或F_SETFD).
3. 获得/设置文件状态标记(cmd = F_GETFL或F_SETFL).
4. 获得/设置异步I/O所有权(cmd = F_GETOWN或F_SETOWN).
5. 获得/设置记录锁(cmd = F_GETLK,F_SETLK或F_SETLKW)

其中设置非阻塞为第三个功能。

后面的为追加参数

利用fcntl接口实现一个设置非阻塞的函数

void SetNoBlock(int fd) {
	// 使用F_GETFL将当前的文件描述符的属性取出来(这是一个位图)
    int fl = fcntl(fd, F_GETFL);
    
    if (fl < 0) {
        perror("fcntl");
        return;
    }
    // 再使用F_SETFL将文件描述符设置回去. 设置回去的同时, 加上一个O_NONBLOCK参数
    fcntl(fd, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK);
}

多路转接之Select

系统提供select函数来实现多路复用输入/输出模型

select系统调用是用来让程序监视多个文件描述符的状态变化的;
程序会停在select这里等待，直到被监视的文件描述符有一个或多个发生了状态改变

select函数原型

 #include 

/* According to earlier standards */
#include 
#include 
#include 

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

1. 参数nfds是需要监视的最大的文件描述符值+1
2. rdset、wrset、exset分别对应于需要检测的可读文件描述符的集合，可写文件描述符的集合及异常文件描述符的集合
3. 参数timeout为结构timeval，用来设置select()的等待时间，如果在指定的时间段里没有事件发生， select将超时返回

fd_set结构

typedef struct
  {
    /* XPG4.2 requires this member name.  Otherwise avoid the name
       from the global namespace.  */
#ifdef __USE_XOPEN
    __fd_mask fds_bits[__FD_SETSIZE / __NFDBITS];
# define __FDS_BITS(set) ((set)->fds_bits)
#else
    __fd_mask __fds_bits[__FD_SETSIZE / __NFDBITS];
# define __FDS_BITS(set) ((set)->__fds_bits)
#endif
  } fd_set;

其实这个结构就是一个整数数组, 更严格的说，是一个 “位图”. 使用位图中对应的位来表示要监视的文件描述符.

提供了一组操作fd_set的接口, 来比较方便的操作位图

void FD_CLR(int fd, fd_set *set); 	// 用来清除描述词组set中相关fd 的位
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set); 	// 用来测试描述词组set中相关fd 的位是否为真
void FD_SET(int fd, fd_set *set); 	// 用来设置描述词组set中相关fd的位
void FD_ZERO(fd_set *set); 			// 用来清除描述词组set的全部位

例如取fd_set为1个字节，为1字节， fd_set中的每一bit可以对应一个文件描述符fd。则1字节长的fd_set最大可以对应8个fd

返回值

1. 执行成功则返回文件描述词状态已改变的个数
2. 如果返回0代表在描述词状态改变前已超过timeout时间，没有返回
3. 当有错误发生时则返回-1，错误原因存于errno，此时参数readfds， writefds, exceptfds和timeout的值变成不可预测。

socket就绪条件

读就绪

1. socket内核中, 接收缓冲区中的字节数, 大于等于低水位标记SO_RCVLOWAT. 此时可以无阻塞的读该文件描述符, 并且返回值大于0;
2. socket TCP通信中, 对端关闭连接, 此时对该socket读, 则返回0;
3. 监听的socket上有新的连接请求;
4. socket上有未处理的错误

写就绪

1. socket内核中, 发送缓冲区中的可用字节数(发送缓冲区的空闲位置大小), 大于等于低水位标记SO_SNDLOWAT, 此时可以无阻塞的写, 并且返回值大于0;
2. socket的写操作被关闭(close或者shutdown). 对一个写操作被关闭的socket进行写操作, 会触发SIGPIPE信号;
3. socket使用非阻塞connect连接成功或失败之后;
4. socket上有未读取的错误;

select的特点

1. 可监控的文件描述符个数取决与sizeof(fd_set)的值。每bit表示一个文件描述符
2. 将fd加入select监控集的同时，还要再使用一个数据结构array保存放到select监控集中的fd，
   1. 一是用于再select 返回后， array作为源数据和fd_set进行FD_ISSET判断。
   2. 二是select返回后会把以前加入的但并无事件发生的fd清空，则每次开始select前都要重新从array取得fd逐一加入(FD_ZERO最先)，扫描array的同时取得fd最大值maxfd，用于select的第一个参数

select的缺点：

1. 每次调用select, 都需要手动设置fd集合, 从接口使用角度来说也非常不便.
2. 每次调用select，都需要把fd集合从用户态拷贝到内核态，这个开销在fd很多时会很大
3. 同时每次调用select都需要在内核遍历传递进来的所有fd，这个开销在fd很多时也很大
4. select支持的文件描述符数量太小

select使用示例

这里以只关心读事件为例，写事件同理

Util.hpp(工具类，将用到的函数放在该类中)

#pragma once

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include "log.hpp"
#include 
#include 

using namespace std;

#define INITPORT 8000
#define FDNUM 1024
#define DEFAULTFD -1

// 打印函数调试
void Print(const vector<int> &fdv)
{
    cout << "fd list: ";
    for (int i = 0; i < FDNUM; i++)
    {
        if (fdv[i] != DEFAULTFD)
            cout << fdv[i] << " ";
    }
    cout << endl;
}

class Util
{
public:
    static void Recv(vector<int> &fdv, int sock, int i)
    {
        // 读取
        // 读取失败就关闭sock并且修改集合组里的数据
        char buff[1024];
        ssize_t s = recv(sock, buff, sizeof(buff) - 1, 0);
        if (s > 0)
        {
            buff[s] = 0;
            cout << "client: " << buff << endl;
            LogMessage(NORMAL, "client: %s", buff);
        }
        else if (s == 0)
        {
            close(sock);
            fdv[i] = DEFAULTFD;
            LogMessage(NORMAL, "client quit");
            return;
        }
        else
        {
            close(sock);
            fdv[i] = DEFAULTFD;
            LogMessage(ERROR, "client quit: %s", strerror(errno));
            return;
        }

        // 写回数据
        // 这里不考虑写事件
        string response = buff;

        write(sock, response.c_str(), response.size());
        LogMessage(DEBUG, "Recver end");
    }

    // 将通信sock添加进集合组
    static void AddSock(vector<int> &fdv, int listensock)
    {
        // listensock读事件就绪
        string clientip;
        uint16_t clientport;
        int sock = Util::GetSock(listensock, &clientip, &clientport);
        if (sock < 0)
            return;
        else
        {
            LogMessage(NORMAL, "accept success [%s:%d]", clientip.c_str(), clientport);
            // 遍历数组，要考虑满的情况
            // 遇到为-1的位置插入新的sock
            int i = 0;
            for (; i < FDNUM; ++i)
                if (fdv[i] == DEFAULTFD)
                    break;
            if (i == FDNUM)
            {
                LogMessage(WARNING, "server if full, please wait");
                close(sock);
            }
            else
                fdv[i] = sock;
        }

        Print(fdv);
        LogMessage(DEBUG, "Accepter out");
    }

    // 获取新连接创建通信sock
    static int GetSock(int listensock, string *clientip, uint16_t *clientport)
    {
        struct sockaddr_in peer;
        memset(&peer, 0, sizeof(peer));
        socklen_t len = sizeof(peer);
        int sock = accept(listensock, (struct sockaddr *)&peer, &len);
        if (sock < 0)
            LogMessage(ERROR, "accept socket error, next");
        else
        {
            LogMessage(NORMAL, "accept socket %d success", sock);
            cout << "sock: " << sock << endl;
            *clientip = inet_ntoa(peer.sin_addr);
            *clientport = ntohs(peer.sin_port);
        }

        return sock;
    }

    // 设置监听套接字为监听状态
    static void setListen(int listensock)
    {
        if (listen(listensock, 5) < 0)
        {
            LogMessage(FATAL, "listen socket error!");
            exit(3);
        }
        LogMessage(NORMAL, "listen socket success");
    }

    // 绑定网络信息
    static void bindSock(int port, int listensock)
    {
        struct sockaddr_in local;
        memset(&local, 0, sizeof(local));
        local.sin_family = AF_INET;
        local.sin_port = htons(port);
        local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
        if (bind(listensock, (struct sockaddr *)&local, sizeof(local)) < 0)
        {
            LogMessage(FATAL, "bind socket error!");
            exit(2);
        }
        LogMessage(NORMAL, "bind sock success");
    }

    // 创建监听套接字
    static void createSock(int *listensock)
    {
        *listensock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
        if (listensock < 0)
        {
            LogMessage(FATAL, "create socket error!");
            exit(1);
        }
        LogMessage(NORMAL, "create socket success");

        // 设置进程可以立即重启
        int opt = 1;
        setsockopt(*listensock, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR | SO_REUSEPORT, &opt, sizeof(opt));
    }

    // 设置非阻塞
    static void SetNonBlock(int fd)
    {
        int f = fcntl(fd, F_GETFL);
        if (f < 0)
        {
            cerr << "fcntl" << endl;
            return;
        }
        fcntl(fd, F_SETFL, f | O_NONBLOCK);
    }
};

Server.hpp(实现服务器)

#pragma once

#include 
#include "Util.hpp"
#include 
#include 
#include 
#include 

using namespace std;

class Server
{
public:
    Server(const uint16_t port = INITPORT)
        : _port(port), _listensock(-1)
    {
    }

    void HandlerEvent(fd_set &rfds)
    {
        int i = 0;
        for (auto e : fdv)
        {
            // 过滤掉非法的fd
            if (e == DEFAULTFD)
                continue;
            if (FD_ISSET(e, &rfds) && e == _listensock) // 判断listensock在不在就绪的集合中
                Util::AddSock(fdv, _listensock);
            else if(FD_ISSET(e, &rfds)) // 如果为其他的文件描述符则读取数据
                Util::Recv(fdv, e, i);
            else
            {}

            ++i;
        }
    }

    void Init()
    {
        // 创建监听套接字
        Util::createSock(&_listensock);

        // 绑定网络信息
        Util::bindSock(_port, _listensock);

        // 设置监听套接字为监听状态
        Util::setListen(_listensock);

        fdv.resize(FDNUM, DEFAULTFD);
        fdv[0] = _listensock;
    }

    void start()
    {
        while (1)
        {
            fd_set rfds;
            // 清除描述词组set的全部位
            FD_ZERO(&rfds);
            // 记录下最大的文件描述符
            int max = fdv[0];
            // 遍历数组，将合法的fd插入到事件集中
            // 并记录最大的fd为调用select接口做准备
            for (auto e : fdv)
            {
                if (e == DEFAULTFD)
                    continue;
                // 设置描述词组set中相关fd的位
                FD_SET(e, &rfds);
                if (e > max)
                    max = e;
            }
            // 设置等待时间结构
            struct timeval timeout = {1, 0};
            int n = select(max + 1, &rfds, nullptr, nullptr, &timeout);
            switch (n)
            {
            case 0:
                cout << "timeout...." << endl;
                LogMessage(NORMAL, "timeout....");
                break;
            case -1:
                printf("select error, code: %d, err string: %s", errno, strerror(errno));
                LogMessage(WARNING, "select error, code: %d, err string: %s", errno, strerror(errno));
                break;
            default:
                // 有事件就绪
                cout << "event readly" << endl;
                LogMessage(NORMAL, "event readly");
                // 处理事件
                HandlerEvent(rfds);
                break;
            }
        }
    }

    ~Server()
    {
        if (_listensock < 0)
            close(_listensock);
    }

private:
    int _listensock;
    uint16_t _port;
    vector<int> fdv;
};

log.hpp(日志类)

#pragma once

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

using namespace std;

#define DEBUG 0
#define NORMAL 1
#define WARNING 2
#define ERROR 3
#define FATAL 4

const char *to_levelstr(int level)
{
    switch (level)
    {
    case DEBUG:
        return "DEBUG";
    case NORMAL:
        return "NORMAL";
    case WARNING:
        return "WARNING";
    case ERROR:
        return "ERROR";
    case FATAL:
        return "FATAL";
    default:
        return nullptr;
    }
}

void LogMessage(int level, const char *format, ...)
{
#define NUM 1024
    char logpre[NUM];
    snprintf(logpre, sizeof(logpre), "[%s][%ld][%d]", to_levelstr(level), (long int)time(nullptr), getpid());

    char line[NUM];
    // 可变参数
    va_list arg;
    va_start(arg, format);

    vsnprintf(line, sizeof(line), format, arg);

    // 保存至文件
    FILE* log = fopen("log.txt", "a");
    FILE* err = fopen("log.error", "a");

    if(log && err)
    {
        FILE *curr = nullptr;
        if(level == DEBUG || level == NORMAL || level == WARNING) 
            curr = log;
        if(level == ERROR || level == FATAL) 
            curr = err;
        if(curr) fprintf(curr, "%s%s\n", logpre, line);

        fclose(log);
        fclose(err);
    }
}

Server.cc

#include "Server.hpp"
#include 

// 输出命令错误函数
void Usage(string proc)
{
    cout << "Usage:\n\t" << proc << " local_port\n\n";
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    // 启动服务端不需要指定IP
    if (argc != 2)
    {
        Usage(argv[0]);
        exit(1);
    }

    uint16_t port = atoi(argv[1]);
    unique_ptr<Server> sptr(new Server(port));

    sptr->Init();
    sptr->start();

    return 0;
}

效果演示

首先由客户端连接，listen套接字就绪，建立连接

然后客户端发送数据，负责通信的套接字就绪，读取数据后再发回去