高级IO-Select

1. 五种IO模型

首先，我们想一个问题，我们在调用read或者recv时，我们做了哪些事情？
首先，我们要等TCP缓冲区里有数据，换句话说，就是等待IO事件就绪。这里面含有检测功能。当有数据时，从内核层拷贝到应用层。

那么IO=等+拷贝数据。

什么叫做高效的IO呢？
单位事件，等的比重越小，IO效率越高。

下面有5种IO模型：
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。

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。

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。

IO多路转接：IO多路转接能够同时等待多个文件描述符的就绪状态。

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)。

在这5种IO模型中，效率最高的其实是IO多路转接这种模式。

同步通信 vs 异步通信
同步和异步关注的是消息通信机制。
所谓同步，就是在发出一个调用时，在没有得到结果之前，该调用就不返回。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。

异步则是相反，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。

总而言之，同步和异步主要就看它有没有参与IO细节。

另外, 我们回忆在讲多进程多线程的时候, 也提到同步和互斥，这里的同步通信和进程之间的同步是完全不想干的概念。
进程/线程同步也是进程/线程之间直接的制约关系，是为完成某种任务而建立的两个或多个线程，这个线程需要在某些位置上协调他们的工作次序而等待，传递信息所产生的制约关系，尤其是在访问临界资源的时候。

阻塞 vs 非阻塞
阻塞和非阻塞关注的是程序在等待事件就绪。
阻塞调用是指事件就绪之前，当前线程会被挂起，调用线程只有在事件就绪后才进行拷贝。
非阻塞调用指在不能立刻得到结果之前，该调用不会阻塞当前线程。

2. 非阻塞IO

2.1 fcntl

一个文件描述符，默认都是阻塞IO。但是我们可以用fcntl函数进行设置：

传入的cmd的值不同，后面追加的参数也不相同。我们主要使用的是这种方式：获得/设置文件状态标记(cmd=F_GETFL或F_SETFL)，就可以将一个文件描述符设置为非阻塞。


运行结果如下：

我们可以看到标准输入变成非阻塞了，当我们输入的时候也能获取到。

3. I/O多路转接之select

上面我们说过，IO=等+数据拷贝。等，等的是文件描述符状态的变化。文件描述符状态的变化有3种：1.可读。2.可写。3.异常。

系统提供select函数来实现多路复用输入/输出模型，select系统调用是用来让我们的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的函数原型如下: #include

参数nfds是需要监视的最大的文件描述符值+1。

后面几个参数都是输入输出型参数，readfds作用是读取文件描述符集。

输入时：用户告诉OS，你帮我关心一下我所设置的多个fd中的读事件是否就绪。输出时：OS告诉用户，你让我关心的多个fd中，有哪些已经就绪了。

那么fd_set结构是什么呢？
其实这个结构就是一个 “位图”。使用位图中对应的位来表示要监视的文件描述符。

比特位的位置代表fd的编号，比特位的内容代表"是否就绪"的概念。

举个例子：
假设我们要传的位图结构原本是0100 1110，我们可以告诉OS位图为1的帮我关注一下，位置为0的不需要关注。当有事件就绪的时候，把就绪位置上的比特位设置成1，其余的覆盖成0。比如说，结果是0000 1000，就说明位置3的比特位上事件就绪了。

OS提供了一组操作fd_set的接口，来比较方便的操作位图：

第二个参数就是代表写事件，第三个参数代表的是异常事件。

参数timeout用来设置select()的等待时间：
参数timeout取值：
NULL：则表示select（）没有timeout，select将一直被阻塞，直到某个文件描述符上发生了事件。
0：仅检测描述符集合的状态，然后立即返回，并不等待外部事件的发生。
特定的时间值：在指定的时间内，阻塞，如果在指定的时间段里没有事件发生，select将超时返回。

下面我们来看一下参数timeout类型timeval：
timeval结构用于描述一段时间长度，如果在这个时间内，需要监视的描述符没有事件发生则函数返回，返回值为0，如果有事件发生，就返回特定的时间值的剩余时间。

第一个是秒，第二个是微秒。
函数返回值：
执行成功则返回文件描述词状态已改变的个数。
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。
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。

错误值可能为：
EBADF 文件描述词为无效的或该文件已关闭
EINTR 此调用被信号所中断
EINVAL 参数n 为负值。
ENOMEM 核心内存不足

4. 基于Select的服务器

我们将创建套接字封装了，这样以后再创建套接字就直接使用。

我们可以先测试一下这个类型多大，可以放多少个fd。

可以看出fds的大小是128字节，因为是位图是比特位，需要乘8，也就是1024比特位。

我们在这里可以直接用accept去接受监听套接字吗？
如何看待listensocket：获取新连接的，本质需要先三次握手，前提给我发送syn。建立连接的本质，其实也是IO，一个建立好的连接我们称之为读事件就绪，listensocket 只（也）需要关心读事件就绪。

accept: 等 + “数据拷贝”(链接拿到应用层)，编写多路转接代码的时候，必须先保证条件就绪了，才能调用IO类函数。所以我们不能让accept去等，应该让select去等。

下面我们进行select设置：

但是这样设置有很多问题。

1. 刚启动的时候，只有一个fd，listensock

2. server 运行的时候，链接会越来越多，sock才会慢慢变多

3. select 使用位图，采用输入输出型参数的方式，来进行 内核<->用户 信息的传递， 每一次调用select，都需要对历史数据和sock进行重新设置。

4. 因为在select等待成功后，其它符号会被清空listensock也就没了，但是我们需要永远把listensock设置进readfds中

5. select 就绪的时候，可能是listen 就绪，也可能是普通的IO sock就绪了。

所以，我们每次要重新更新符号集，我们可以用数组来设置：

因为文件描述符是从0开始的整数，我们一开始都设置-1，这样当我们遍历符号集时，就可以判断fd是否合法。我们固定下标0为监听套接字。

这样我们每次使用的符号集就更新出来了。

当等待成功后，就说明有事件就绪了，我们就需要进行处理。

4.1 处理监听套接字

这里处理套接字有2种情况，一个是监听套接字，一个是普通套接字。

当我们获取链接成功后，我们就能直接进行读取了吗？
不能，因为你read不知道对方什么时候给你发送数据，但是select知道！我们要想办法把新的fd托管给select？

这样我们在数组里就找到了空余位置。

在调试的时候，我们也可以把有效符号集打印出来。

4.2 处理普通套接字

但是这里有一个bug，你怎么知道网络发送的报文是完整的呢？
这个问题以后再解决。

5. 总结

Select的编码特征：
a. select之前要进行所有参数的重置，之后要遍历所有的fd进行事件检测。
b. select需要用户自己维护第三方数组，来保存所有的合法fd，方便select进行批量处理。
c. 一旦特定的fd事件就绪，本次读取或写入不会被阻塞。

Select的优缺点：
优点：占用资源少，并且高效，对比之前的多线程，多进程。

缺点：
a. 每一次都要进行大量的重置工作，效率比较低。
b. 每一次能够检测的fd数量是有上限的。
c. 每一次都需要内核到用户，用户到内核传递位图参数，较为大量的数据拷贝工作。
d. select编码特别不方便，需要用户自己维护数组。
e. select底层需要遍历的方式，检测所有需要检测的fd。