C++ Webserver从零开始：基础知识（四）——I/O复用
目录
前言
select系统调用
poll系统调用
epoll系统调用
epoll_create
epoll_ctl
epoll_wait
LT和ET模式
EPOLLONESHOT事件
epoll和select/poll的区别
事件集处理方式
实现原理和效率
其他区别
前言
在第三章中我们大概地讲解了什么是I/O复用，即：I/O复用技术即使用select,poll,epoll等系统调用，让主线程能同时监听多个文件描述符，提高服务器运行的效率。
PS: 虽然I/O复用能同时监听多个文件描述符，但是其本身是阻塞的，当主线程已经监听到多个文件描述符时，如果不采用并发技术，那么程序也只能按顺序一个一个去处理这些文件描述符。
在本章中，我们将依次介绍select，poll，epoll系统调用，基于简单且重要的原则，本章不会详细介绍select和poll，但他们依然是面试高频考点，希望读者能自行去了解一下。本章将重点介绍epoll，同时介绍epoll中两种重要的触发模式LT水平触发模式和ET边沿触发模式，这些内容是第三章中提到的是I/O处理单元中的核心内容，需要读者理解且记忆。
select系统调用
#include
int select(int nfds,fd_set* readfds, fd_set* writefds,
fd_set* exceptfds,struct timeval* timeout); - 作用：在指定的一段时间内，轮询监听文件描述符上的可读，可写和异常等事件
- 参数：
-
- nfds:指定被监听文件描述符的总数,通常却文件描述符中的最大值+1
- readfds:可读事件对应的文件描述符的集合
- writefds:可写事件对应的文件描述符的集合
- exceptfds:异常事件对应的文件描述符的集合
- timeout:函数运行的时间
- 返回值：
-
- 成功：就绪文件描述符的总数
- 失败：-1
其中fd_set结构指针类型和struct timeval指针类型感兴趣可以自行搜索。
select系统调用中的文件描述符只有在可读，可写或异常的条件下才被计入就绪文件描述符，而这些具体条件感兴趣的读者自行搜索。
poll系统调用
#include
int poll(struct pollfd* fds,nfds_t nfds,int timeout); struct pollfd{
int fd;/*文件描述符*/
short events;/*注册的事件*/
short revents;/*实际发生的事件，由内核填充*/- 作用：在一定时间内，轮询一定数量的描述符，检测其中是否有就绪事件
- 参数：
-
- fds:pollfd结构类型的数组
-
-
- fd:文件描述符
- events:fd上有哪些事件（见下图），这些事件通过按位或传入events
- revents:内核进行修改，通知程序fd上那些事件确实发生了
-
-
- nfds:被监听的事件集合大小
-
-
- nfds_t定义：typedef unsigned long int nfds_t;
-
-
- timeout:poll运行的时间，可以理解为一个倒计时，当时间到达函数返回
-
-
- -1：永远阻塞直到某个事件发生
-
- 返回值：
-
- 成功：就绪文件描述符的总数
- 失败：-1
epoll系统调用
epoll是非常高效的I/O复用函数，它不是一个函数，而是一组函数，即
- epoll_create
- epoll_ctl
- epoll_wait
epoll把文件描述符上的事件放入一个内核事件表里，而不是像select和poll那样每次调用重复传入文件描述符，但epll需要一个额外的文件描述符来标识这个内核事件表。
epoll_create
#include
int epoll_create(int size); - 作用：创建文件描述符来标识内核事件表
- 参数：size不起作用，仅仅给内核一个提示，事件表应该有多大
- 返回值：作为其他epoll函数的第一个参数
epoll_ctl
创建好了标识内核事件表的文件描述符，即可使用epoll_ctr对内核事件表进行设置
#include
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event* event); struct epoll_event
{
_uint32_t events;
epoll_data_t data;
}- 作用：对内核事件表进行操作
- 参数：
-
- epfd:标识内核事件表
- op:操作类型
-
-
- EPOLL_CTL_ADD:往时间表中注册fd上的事件
- EPOLL_CTL_MOD:修改fd上的注册事件
- EPOLL_CTL_DEL:删除fd上的注册事件
-
-
- fd:要操作的文件描述符
- event:指定事件(结构体内如下）
-
-
- _uint32_t events ： 事件类型(与poll的事件类型相同，但要前加“E"）
- epoll_data_t data ： 存储用户数据(联合体内如下）
-
-
-
-
- void* ptr : 指定与fd相关的用户数据
- int fd : 事件所从属的目标文件描述符（常用）
- uint32_t: u32:
- uint64_t:u64:
- （PS：联合体union即多选一使用，不能同时使用)
-
-
- 返回值：
-
- 成功：0
- 失败：-1
事件类型（poll类型的，epoll在poll类型的事件类型前面 + ”E"；
epoll_wait
创建并设置好内核事件表后，即可使用epoll_wait()开始等待事件
#include
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event* events,int maxevents,int timeout); - 作用：在一定时间内接收就绪事件，并加入一个事件数组中等待程序处理
- 参数：
-
- epfd:内核事件表的标识符（epoll_create创建的）
- events:事件数组，将epfd中的就绪事件取出放进去
- maxevents:最多监听多少个时间
- timeout:epoll_wait等待的时间，可以理解为倒计时，时间到了返回
- 返回值
-
- 成功：接收到的事件数量
- 失败：-1
epoll_wait函数检测到事件后，会将内核注册表中的就绪事件放入第二个数组中，当工作线程来数组中取事件处理时，就不需要判断事件是否是就绪事件，而poll则需要先判断是否就绪。
可以这样理解，文件描述符上的事件是一堆未处理的食物，而I/O复用函数作用是将这些食物放入一格一格的容器中。poll容器不管食物是否烹饪过，直接放进去。而epoll会有一个大厨（内核）来将烹饪过的食物放进去。在食客挑选食物食用时（工作线程逻辑处理），如果是poll容器，则需要一个格子一个格子打开判断食物是否可以食用,而epoll容器中都是可以直接食用的食物，食客直接打开食用即可。
LT和ET模式
epoll对文件描述符的操作又两种模式，LT模式ET模式。
LT模式（水平触发）：LT是默认的工作模式，这种模式epoll相当于一个高效的poll
ET模式（边沿触发）：当往epoll内核事件表中注册一个文件描述符上的EPOLLET事件时，epoll会切换成ET模式
LT模式：当epoll_wait检测到文件描述符上有事件发生并通知应用程序后，应用程序可以不立即处理事件，当下一次调用epoll_wait时，epoll_wait还会再次向应用程序通告此事件，直到这个事件被处理。
ET模式：当epoll_wait检测到文件描述符上有事件发生并通知应用程序后，应用程序必须立即处理事件，后续epoll_wait不再通知
LT模式和ET模式可以这样理解，还是上面那个例子，EPOLL容器安装了一个语音呼叫装置，当容器某一格内有食物（就绪事件）时，它就会呼叫食客来取餐。LT模式下，食客可以不来用餐，这样当主线程循环一遍后又一次调用EPOLL时，它又会再次呼叫食客来取走上次未取走的那个格子里的食物。而ET模式下，EPOLL容器一呼叫，食客就必须来取餐。
EPOLLONESHOT事件
在使用epoll时可能遇到这样的问题，在某个线程读取完某个socket上的数据开始处理时，这个socket上又来了新的数据，这时另一个线程被唤醒处理这些数据，那么就出现了两个线程处理同一个socket的情况。为了避免这种情况，可以使用EPOLLONESHOT事件。
一个注册了EPOLLONESHOT事件的文件描述符，操作系统最多可以触发其上的一个事件，且只能触发一次。除非用epoll_ctl函数重置该文件描述符上的EPOLLONESHOT事件。反过来，当一个线程处理完一个socket上的事件，就该立刻重置其上的EPOLLONESHOT事件，保证下次其他线程能处理这个socket。
epoll和select/poll的区别
事件集处理方式
select：使用fd_set。
fd_set并未将文件描述符和事件绑定，所以需要三个参数来分别传入可读，可写和异常事件。且由于内核对fd_set集合为在线修改，应用程序下次调用select前需要重置三个参数
poll：使用pollfd
pollfd内定义文件描述符和事件，所有事件都统一处理；内核每次修改的时revent成员，而event成员不变，所以不用重置事件集参数。
epoll：
在内核中维护事件表，用独立系统调用epoll_ctr来控制事件表，epoll_wait调用直接从内核时间表中取得注册的事件，无需反复从用户空间读入这些事件。
实现原理和效率
select/poll:
采用轮询的方式，每次调用都要扫描整个注册文件描述符集合，并将其中就绪的文件描述符返回给用户程序，时间复杂度O(n）
epoll：
采用回调的方式，内核检测到就绪的文件描述符时触发回调函数，回调函数将文件描述符上的对应事件加入内核就绪队列，内核在合适的时机将就绪事件队列中的拷贝到用户空间。时间复杂度是O(1)
其他区别
工作模式：
select/poll只有LT模式
epoll可以使用ET模式
最大文件描述符数：
select：有最大值，且比poll和epoll少
poll/epoll：65353