网络基础扫盲-多路转发
博客内容：多路转发的常见方式select，poll，epoll
文章目录
- 一、五种IO模型
- 二、多路转发的常见接口
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- 1.select
- 2、poll
- 3、epoll
- 总结
前言
Linux下一切皆文件，是文件就会存在IO的情况，IO的方式决定了效率的高低。
一、五种IO模型
- 阻塞IO
内核将数据准备好之前，系统调用会一直等待。 比较常见的IO方式，在我们使用scanf、cin等函数需要从键盘等外设中获取数据，如果我们一直不输入数据，程序会运行到对应的地方卡住，进行阻塞等待。 - 非阻塞IO
非阻塞IO，如果内核数据没有准备好，系统调用任然会返回。系统中的父进程在对于子进程的回收时，参数可以设置非阻塞的。比较形象的说法就是排队时可以听着音乐，时不时的看看是否轮到自己。在阻塞的基础上多了一个对于文件描述符的轮询，对于cpu来说就是比较大的浪费。特定场合下才会被使用。 - 信号驱动IO
信号的IO方式，内核将数据准备好后，使用SIGIO信号通知引用程序进行IO操作。常见的就是生产消费模型。 - 多路转发IO
多路转接，也叫多路复用。表面看来就是阻塞IO，但是比较不同的是阻塞IO是一对一，而多路转接是多对一。就是广撒网的方式。 - 异步IO
在内核数据拷贝完成时，通知程序。值得注意的是信号IO是告知程序什么时候可以进行数据的拷贝。
可以说IO就是等待+读写。IO效率取决于等待的时间。
二、多路转发的常见接口
1.select
函数原型：
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,
fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout)
- 参数一就是对于所需要监视的最大文件描述符+1。
- 第二、三、四个参数分别是对可读文件描述符集合，可写文件描述符集合，异常文件描述符的集合。参数的类型是位图，位图的位置代表的数文件描述符，对应的位置表示对应的文件描述符是否是被监视，不需要的直接置null。
为了使用方便可以这组fd_set的接口
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
- 参数五就是对于这些文件描述符的一种方式。参数直接取值为null表示是阻塞时读取。为0是非阻塞，{n,0} 表示在规定时间内没有事件发生 ，超时就会返回，少于规定时间返回剩余的时间。select是进行IO等待了。
中间的位图参数是一个输入输出型的参数，如果select返回后会把以前加入但是无事件发生的fd清空，就需要使用一个数组进行数据的保存。
在使用中每一次都需要手动设置fd集合。需要从用户态拷贝到内核态，在用户态、内核态都需要进行遍历所有的fd。开销比较大。最重要的是select使用的位图结构会存在文件描述符数量受限的情况。
最重要的一点，在使用select函数时，用户需要传递一个数组作为参数，用于存储可读、可写和错误事件的文件描述符集合。这是因为操作系统内核不知道用户需要监视哪些文件描述符，因此用户需要自己维护一个数组来告诉内核要监视哪些文件描述符。而且这个数组需要在每次调用select函数时重新初始化，告诉内核新的监视对象。因此，select需要用户自己维护数组。
2、poll
poll函数原型：
int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
// pollfd结构
struct pollfd {
int fd; /* file descriptor */
short events; /* requested events */
short revents; /* returned events */
};
参数说明
- fds是一个poll函数监听的结构列表. 每一个元素中, 包含了三部分内容: 文件描述符, 监听的事件集合, 返 回的事件集合。
- nfds表示fds数组的长度. 。
- timeout表示poll函数的超时时间, 单位是毫秒(ms)
返回值小于0表示失败，等于0表示poll等待超时。dyu0，表示监听的文件描述符就绪二返回。
poll在使用上比select简单而且解决了select表示文件描述符表数量受限的问题。但是poll在返回后还是需要轮询pollfd来获取就绪的文件描述符。同时在每次的调用时都需把大量的pollfd结构从用户态拷贝到内核态。连接的大量客户端在同一时刻可能只有很少的处于一个就绪状态。随着监视的描述符数量的增长，效率也会出现线性的下降。
3、epoll
epoll是为了处理大批量的句柄而改进的poll。
使用epoll的三部曲
- 调用
epoll_create创建一个epoll句柄; - 调用
epoll_ctl将要监控的文件描述符进行注册; - 调用
epoll_wait等待文件描述符就绪
int epoll_create(int size);
参数：自从linux2.6.8之后， size参数是被忽略的.用完之后, 必须调用close()关闭。
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
参数：第一个就是epoll模型，epoll_create（）的返回值。参数二是表示的动作，通常使用宏来表示
- EPOLL_CTL_ADD ：注册新的fd到epfd中；
- EPOLL_CTL_MOD ：修改已经注册的fd的监听事件；
- EPOLL_CTL_DEL ：从epfd中删除一个fd
参数三是需要监听的文件描述符，参数四是监听文件描述符的什么事件。
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);
- 参数events是分配好的epoll_event结构体数组
- .epoll将会把发生的事件赋值到events数组中 (events不可以是空指针，内核只负责把数据复制到这个events数组中，不会去帮助我们在用户态中分配内存).
- maxevents告之内核这个events有多大，这个maxevents的值不能大于创建epoll_create()时的size.
- 参数timeout是超时时间 (毫秒， 0会立即返回，-1是永久阻塞).如果函数调用成功，返回对应I/O上已准备好的文件描述符数目，如返回0表示已超时, 返回小于0表示函数失败。
为啥epoll好？
通过与select的缺点对应比较。
- 接口方便：虽然拆分了三个函数，但是更加高效，使用select时需要每次都访问自己维护的数组。输入输出的参数进行了分离。
- 数据拷贝更加的轻量化：在对于文件描述符的添加时不是一直都都需要调用EPOLL_CTL_ADD进行拷贝到内核中的，不会像select一样操作频繁。
- 事件回调机制：避免使用了遍历，使用的是回调函数机制，就绪的文件描述符结构加入就绪队列中，epoll_wait返回直接访问就绪队列的就是知道哪些文件描述符已经就绪。事件复杂度是O(1)的。
- 没有数量上的限制。
以上的优点何以见得，epoll的底层原理就是
每一个epoll对象都有一个独立的eventpoll的结构体，用来存放epoll_ctl方法向epoll对象中添加进来的事件。事件挂载到红黑树上，重复添加就是对于红黑树的节点的增，查，改操作。添加的事件都会与外界的设备程序建立回调关系，事件一旦发生就会触发对应的回调函数。回调的方法在内核中ep_poll_callback，它再将发生的事件添加到rdilist双向链表中，双向链表作为epoll_wait的消息队列。对于同一个事件节点是被红黑树和消息队列的俩个数据结构共用的。
三者之间的对比
| 特性 | select | poll | epoll |
|---|---|---|---|
| 可监视的fd数 | 最大为FD_SETSIZE | 没有限制 | 没有限制 |
| 事件触发方式 | 轮询 | 轮询 | 事件通知 |
| I/O效率 | 低 | 一般 | 高 |
| 内存占用 | 高 | 适中 | 低 |
| 时间复杂度 | O(n) | O(n) | O(1) |
| 可移植性 | 跨平台 | 跨平台 | 仅在Linux、BSD等少数平台支持 |
| 文件描述符生命周期控制 | 子进程不继承fd | 子进程不继承fd | 子进程自动继承fd |
总结
select适用于连接数较少的情况，可移植性好，但效率较低；poll效率高于select，但仍然存在遍历fd集合的缺点；epoll适用于连接数较多的场景，且能够避免无用的遍历，效率最高，但只能运行在Linux系统上。