IO多路复用介绍

IO多路复用介绍

什么是IO多路复用

「定义」

• IO多路复用是一种同步IO模型，实现一个线程可以监视多个文件句柄；一旦某个文件句柄就绪，就能够通知应用程序进行相应的读写操作；没有文件句柄就绪时会阻塞应用程序，交出cpu。多路是指网络连接，复用指的是同一个线程

IO多路复用适用如下场合：

• 当客户处理多个描述符时（一般是交互式输入和网络套接口），必须使用I/O复用。
• 当一个客户同时处理多个套接口时，而这种情况是可能的，但很少出现。
• 如果一个TCP服务器既要处理监听套接口，又要处理已连接套接口，一般也要用到I/O复用。
• 如果一个服务器即要处理TCP，又要处理UDP，一般要使用I/O复用。
• 如果一个服务器要处理多个服务或多个协议，一般要使用I/O复用。

​ 与多进程和多线程技术相比，I/O多路复用技术的最大优势是系统开销小，系统不必创建进程/线程，也不必维护这些进程/线程，从而大大减小了系统的开销。

为什么有IO多路复用机制?

没有IO多路复用机制时，有BIO、NIO两种实现方式，但有一些问题

同步阻塞（BIO）

• 服务端采用单线程，当accept一个请求后，在recv或send调用阻塞时，将无法accept其他请求（必须等上一个请求处recv或send完），无法处理并发

  ``

// 伪代码描述
while(1) {
  // accept阻塞
  client_fd = accept(listen_fd)
  fds.append(client_fd)
  for (fd in fds) {
    // recv阻塞（会影响上面的accept）
    if (recv(fd)) {
      // logic
    }
  }  
}

• 服务器端采用多线程，当accept一个请求后，开启线程进行recv，可以完成并发处理，但随着请求数增加需要增加系统线程，大量的线程占用很大的内存空间，并且线程切换会带来很大的开销，10000个线程真正发生读写事件的线程数不会超过20%，每次accept都开一个线程也是一种资源浪费

  ``

// 伪代码描述
while(1) {
  // accept阻塞
  client_fd = accept(listen_fd)
  // 开启线程read数据（fd增多导致线程数增多）
  new Thread func() {
    // recv阻塞（多线程不影响上面的accept）
    if (recv(fd)) {
      // logic
    }
  }  
}

同步非阻塞（NIO）

• 服务器端当accept一个请求后，加入fds集合，每次轮询一遍fds集合recv(非阻塞)数据，没有数据则立即返回错误，每次轮询所有fd（包括没有发生读写事件的fd）会很浪费cpu

setNonblocking(listen_fd)
// 伪代码描述
while(1) {
  // accept非阻塞（cpu一直忙轮询）
  client_fd = accept(listen_fd)
  if (client_fd != null) {
    // 有人连接
    fds.append(client_fd)
  } else {
    // 无人连接
  }  
  for (fd in fds) {
    // recv非阻塞
    setNonblocking(client_fd)
    // recv 为非阻塞命令
    if (len = recv(fd) && len > 0) {
      // 有读写数据
      // logic
    } else {
       无读写数据
    }
  }  
}

IO多路复用（现在的做法）

• 服务器端采用单线程通过select/epoll等系统调用获取fd列表，遍历有事件的fd进行accept/recv/send，使其能支持更多的并发连接请求

  ``

fds = [listen_fd]
// 伪代码描述
while(1) {
  // 通过内核获取有读写事件发生的fd，只要有一个则返回，无则阻塞
  // 整个过程只在调用select、poll、epoll这些调用的时候才会阻塞，accept/recv是不会阻塞
  for (fd in select(fds)) {
    if (fd == listen_fd) {
        client_fd = accept(listen_fd)
        fds.append(client_fd)
    } elseif (len = recv(fd) && len != -1) { 
      // logic
    }
  }  
}

IO多路复用的三种实现方式

• select
• poll
• epoll

select 讲解

select 基本原理：

select 函数监视的文件描述符分3类，分别是writefds、readfds、和exceptfds。调用后select函数会阻塞，直到有描述符就绪（有数据 可读、可写、或者有except），或者超时（timeout指定等待时间，如果立即返回设为null即可），函数返回。当select函数返回后，可以通过遍历fdset，来找到就绪的描述符。

基本流程，如图所示：

select目前几乎在所有的平台上支持，其良好跨平台支持也是它的一个优点。select的一个缺点在于单个进程能够监视的文件描述符的数量存在最大限制，在Linux上一般为1024，可以通过修改宏定义甚至重新编译内核的方式提升这一限制，但是这样也会造成效率的降低。

select缺点

select本质上是通过设置或者检查存放fd标志位的数据结构来进行下一步处理。这样所带来的缺点是：

• select最大的缺陷就是单个进程所打开的FD是有一定限制的，它由FD_SETSIZE设置，默认值是1024。

一般来说这个数目和系统内存关系很大，具体数目可以cat /proc/sys/fs/file-max察看。32位机默认是1024个。64位机默认是2048.

• 对socket扫描时是线性扫描，采用轮询的方法，效率较低（高并发时）

当套接字比较多的时候，每次select()都要通过遍历FD_SETSIZE个Socket来完成调度，不管哪个Socket是活跃的，都遍历一遍。这会浪费很多CPU时间。如果能给套接字注册某个回调函数，当他们活跃时，自动完成相关操作，那就避免了轮询，这正是epoll与kqueue做的。

• 需要维护一个用来存放大量fd的数据结构，这样会使得用户空间和内核空间在传递该结构时复制开销大。

  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

select函数接口

#include 
#include 

#define FD_SETSIZE 1024
#define NFDBITS (8 * sizeof(unsigned long))
#define __FDSET_LONGS (FD_SETSIZE/NFDBITS)

// 数据结构 (bitmap)
typedef struct {
    unsigned long fds_bits[__FDSET_LONGS];
} fd_set;

// API
int select(
    int max_fd, 
    fd_set *readset, 
    fd_set *writeset, 
    fd_set *exceptset, 
    struct timeval *timeout
)                              // 返回值就绪描述符的数目

FD_ZERO(int fd, fd_set* fds)   // 清空集合
FD_SET(int fd, fd_set* fds)    // 将给定的描述符加入集合
FD_ISSET(int fd, fd_set* fds)  // 判断指定描述符是否在集合中 
FD_CLR(int fd, fd_set* fds)    // 将给定的描述符从文件中删除  

select使用示例

int main() {
  /*
   * 这里进行一些初始化的设置，
   * 包括socket建立，地址的设置等,
   */

  fd_set read_fs, write_fs;
  struct timeval timeout;
  int max = 0;  // 用于记录最大的fd，在轮询中时刻更新即可

  // 初始化比特位
  FD_ZERO(&read_fs);
  FD_ZERO(&write_fs);

  int nfds = 0; // 记录就绪的事件，可以减少遍历的次数
  while (1) {
    // 阻塞获取
    // 每次需要把fd从用户态拷贝到内核态
    nfds = select(max + 1, &read_fd, &write_fd, NULL, &timeout);
    // 每次需要遍历所有fd，判断有无读写事件发生
    for (int i = 0; i <= max && nfds; ++i) {
      if (i == listenfd) {
         --nfds;
         // 这里处理accept事件
         FD_SET(i, &read_fd);//将客户端socket加入到集合中
      }
      if (FD_ISSET(i, &read_fd)) {
        --nfds;
        // 这里处理read事件
      }
      if (FD_ISSET(i, &write_fd)) {
         --nfds;
        // 这里处理write事件
      }
    }
  }

poll讲解

poll函数接口

poll与select相比，只是没有fd的限制，其它基本一样

#include 
// 数据结构
struct pollfd {
    int fd;                         // 需要监视的文件描述符
    short events;                   // 需要内核监视的事件
    short revents;                  // 实际发生的事件
};

// API
int poll(struct pollfd fds[], nfds_t nfds, int timeout);

poll使用示例

// 先宏定义长度
#define MAX_POLLFD_LEN 4096  

int main() {
  /*
   * 在这里进行一些初始化的操作，
   * 比如初始化数据和socket等。
   */

  int nfds = 0;
  pollfd fds[MAX_POLLFD_LEN];
  memset(fds, 0, sizeof(fds));
  fds[0].fd = listenfd;
  fds[0].events = POLLRDNORM;
  int max  = 0;  // 队列的实际长度，是一个随时更新的，也可以自定义其他的
  int timeout = 0;

  int current_size = max;
  while (1) {
    // 阻塞获取
    // 每次需要把fd从用户态拷贝到内核态
    nfds = poll(fds, max+1, timeout);
    if (fds[0].revents & POLLRDNORM) {
        // 这里处理accept事件
        connfd = accept(listenfd);
        //将新的描述符添加到读描述符集合中
    }
    // 每次需要遍历所有fd，判断有无读写事件发生
    for (int i = 1; i < max; ++i) {     
      if (fds[i].revents & POLLRDNORM) { 
         sockfd = fds[i].fd
         if ((n = read(sockfd, buf, MAXLINE)) <= 0) {
            // 这里处理read事件
            if (n == 0) {
                close(sockfd);
                fds[i].fd = -1;
            }
         } else {
             // 这里处理write事件     
         }
         if (--nfds <= 0) {
            break;       
         }   
      }
    }
  }

poll缺点

• 每次调用poll，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
• 对socket扫描时是线性扫描，采用轮询的方法，效率较低（高并发时）

epoll讲解

基本原理：

epoll支持水平触发和边缘触发，最大的特点在于边缘触发，它只告诉进程哪些fd刚刚变为就绪态，并且只会通知一次。还有一个特点是，epoll使用“事件”的就绪通知方式，通过epoll_ctl注册fd，一旦该fd就绪，内核就会采用类似callback的回调机制来激活该fd，epoll_wait便可以收到通知。

epoll函数接口

#include 

// 数据结构
// 每一个epoll对象都有一个独立的eventpoll结构体
// 用于存放通过epoll_ctl方法向epoll对象中添加进来的事件
// epoll_wait检查是否有事件发生时，只需要检查eventpoll对象中的rdlist双链表中是否有epitem元素即可
struct eventpoll {
    /*红黑树的根节点，这颗树中存储着所有添加到epoll中的需要监控的事件*/
    struct rb_root  rbr;
    /*双链表中则存放着将要通过epoll_wait返回给用户的满足条件的事件*/
    struct list_head rdlist;
};

// API

int epoll_create(int size); // 内核中间加一个 ep 对象，把所有需要监听的 socket 都放到 ep 对象中
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event); // epoll_ctl 负责把 socket 增加、删除到内核红黑树
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);// epoll_wait 负责检测可读队列，没有可读 socket 则阻塞进程

epoll使用示例

int main(int argc, char* argv[])
{
   /*
   * 在这里进行一些初始化的操作，
   * 比如初始化数据和socket等。
   */

    // 内核中创建ep对象
    epfd=epoll_create(256);
    // 需要监听的socket放到ep中
    epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,listenfd,&ev);
 
    while(1) {
      // 阻塞获取
      nfds = epoll_wait(epfd,events,20,0);
      for(i=0;i<nfds;++i) {
          if(events[i].data.fd==listenfd) {
              // 这里处理accept事件
              connfd = accept(listenfd);
              // 接收新连接写到内核对象中
              epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,connfd,&ev);
          } else if (events[i].events&EPOLLIN) {
              // 这里处理read事件
              read(sockfd, BUF, MAXLINE);
              //读完后准备写
              epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,sockfd,&ev);
          } else if(events[i].events&EPOLLOUT) {
              // 这里处理write事件
              write(sockfd, BUF, n);
              //写完后准备读
              epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,sockfd,&ev);
          }
      }
    }
    return 0;
}

epoll的优点

• 没有最大并发连接的限制，能打开的FD的上限远大于1024（1G的内存上能监听约10万个端口）。
• 效率提升，不是轮询的方式，不会随着FD数目的增加效率下降。只有活跃可用的FD才会调用callback函数；即Epoll最大的优点就在于它只管你“活跃”的连接，而跟连接总数无关，因此在实际的网络环境中，Epoll的效率就会远远高于select和poll。
• 内存拷贝，利用mmap()文件映射内存加速与内核空间的消息传递；即epoll使用mmap减少复制开销。

epoll缺点

• epoll只能工作在linux下

epoll LT 与 ET模式的区别

• epoll有EPOLLLT和EPOLLET两种触发模式，LT是默认的模式，ET是“高速”模式。
• LT模式下，只要这个fd还有数据可读，每次 epoll_wait都会返回它的事件，提醒用户程序去操作
• ET模式下，它只会提示一次，直到下次再有数据流入之前都不会再提示了，无论fd中是否还有数据可读。所以在ET模式下，read一个fd的时候一定要把它的buffer读完，或者遇到EAGAIN错误

LT模式：当epoll_wait检测到描述符事件发生并将此事件通知应用程序，应用程序可以不立即处理该事件。下次调用epoll_wait时，会再次响应应用程序并通知此事件。

ET模式：当epoll_wait检测到描述符事件发生并将此事件通知应用程序，应用程序必须立即处理该事件。如果不处理，下次调用epoll_wait时，不会再次响应应用程序并通知此事件。

水平触发LT（level trigger）和边缘触发ET（edge trigger）

1. LT模式

LT(level triggered)是缺省的工作方式，并且同时支持block和no-block socket。在这种做法中，内核告诉你一个文件描述符是否就绪了，然后你可以对这个就绪的fd进行IO操作。如果你不作任何操作，内核还是会继续通知你的。

1. ET模式

ET(edge-triggered)是高速工作方式，只支持no-block socket。在这种模式下，当描述符从未就绪变为就绪时，内核通过epoll告诉你。然后它会假设你知道文件描述符已经就绪，并且不会再为那个文件描述符发送更多的就绪通知，直到你做了某些操作导致那个文件描述符不再为就绪状态了(比如，你在发送，接收或者接收请求，或者发送接收的数据少于一定量时导致了一个EWOULDBLOCK 错误）。但是请注意，如果一直不对这个fd作IO操作(从而导致它再次变成未就绪)，内核不会发送更多的通知(only once)。

ET模式在很大程度上减少了epoll事件被重复触发的次数，因此效率要比LT模式高。epoll工作在ET模式的时候，必须使用非阻塞套接口，以避免由于一个文件句柄的阻塞读/阻塞写操作把处理多个文件描述符的任务饿死。

注意：

如果没有大量的idle-connection或者dead-connection，epoll的效率并不会比select/poll高很多，但是当遇到大量的idle-connection，就会发现epoll的效率大大高于select/poll。

epoll应用

• redis
• nginx

select/poll/epoll之间的区别

	select	poll	epoll
数据结构	bitmap	数组	红黑树
最大连接数	1024	无上限	无上限
fd拷贝	每次调用select拷贝	每次调用poll拷贝	fd首次调用epoll_ctl拷贝，每次调用epoll_wait不拷贝
工作效率	轮询：O(n)	轮询：O(n)	回调：O(1)

完整代码示例

https://github.com/caijinlin/learning-pratice/tree/master/linux/io

高频面试题

• 什么是IO多路复用?
• nginx/redis 所使用的IO模型是什么？
• select、poll、epoll之间的区别
• epoll 水平触发（LT）与 边缘触发（ET）的区别？