linux多路复用io模型

在 Linux 中，I/O 多路复用是一种高效的 I/O 处理方式，它可以同时监视多个文件描述符，当其中任何一个文件描述符就绪（可读、可写或有异常情况）时，就可以进行相应的 I/O 操作。常见的 I/O 多路复用模型有 select、poll 和 epoll。
一、select 模型
原理：
select 函数通过一个文件描述符集合来监视多个文件描述符的状态。
应用程序将需要监视的文件描述符添加到集合中，并设置超时时间。
当有文件描述符就绪时，select 函数返回，并将就绪的文件描述符标记在集合中。
应用程序可以遍历集合，找出就绪的文件描述符，并进行相应的 I/O 操作。
优点：
跨平台性好，几乎所有的操作系统都支持 select。
缺点：
可监视的文件描述符数量有限，通常为 1024。
每次调用 select 都需要将文件描述符集合从用户空间复制到内核空间，开销较大。
当有大量文件描述符就绪时，遍历集合的效率较低。
二、poll 模型
原理：
poll 函数与 select 类似，也是通过一个文件描述符集合来监视多个文件描述符的状态。
与 select 不同的是，poll 使用一个 pollfd 结构体数组来表示文件描述符集合，而不是一个整数集合。
poll 没有最大文件描述符数量的限制。
优点：
没有最大文件描述符数量的限制。
可以同时监视不同类型的文件描述符（如普通文件、套接字等）。
缺点：
每次调用 poll 都需要将文件描述符集合从用户空间复制到内核空间，开销较大。
当有大量文件描述符就绪时，遍历集合的效率较低。
三、epoll 模型
原理：
epoll 是 Linux 特有的 I/O 多路复用模型，它使用一个内核事件表来管理文件描述符的状态。
应用程序通过 epoll_create 函数创建一个 epoll 实例，并使用 epoll_ctl 函数将需要监视的文件描述符添加到内核事件表中。
当有文件描述符就绪时，内核会将事件通知应用程序，应用程序可以通过 epoll_wait 函数获取就绪的文件描述符列表。
epoll 支持边缘触发（Edge Triggered，ET）和水平触发（Level Triggered，LT）两种模式。
优点：
没有最大文件描述符数量的限制。
只需要将文件描述符添加到内核事件表一次，后续的操作都在内核空间完成，避免了频繁的用户空间和内核空间的数据复制。
支持边缘触发和水平触发两种模式，可以根据应用程序的需求选择合适的模式。
当有大量文件描述符就绪时，epoll 的性能比 select 和 poll 更高。
缺点：
只在 Linux 系统上可用，不具有跨平台性。
四、使用 I/O 多路复用的步骤
创建一个 I/O 多路复用模型（如 select、poll 或 epoll）。
将需要监视的文件描述符添加到 I/O 多路复用模型中。
设置超时时间（可选）。
调用 I/O 多路复用函数（如 select、poll 或 epoll_wait），等待文件描述符就绪。
当有文件描述符就绪时，进行相应的 I/O 操作。
重复步骤 4 和 5，直到程序结束。
以下是一个使用 epoll 实现的简单服务器示例代码：
展开过程
在这个示例中，服务器使用 epoll 来监视服务器套接字和客户端套接字的状态。当有新的客户端连接时，服务器将客户端套接字添加到 epoll 实例中。当客户端有数据可读时，服务器读取数据并将其回送给客户端。
总之，I/O 多路复用是一种高效的 I/O 处理方式，可以同时监视多个文件描述符的状态，提高程序的性能和响应速度。在 Linux 中，可以使用 select、poll 或 epoll 等模型来实现 I/O 多路复用。

epoll 模型的原理是什么？
与 select 和 poll 模型相比，epoll 模型有哪些优势？
如何在实际应用中选择适合的 I/O 多路复用模型？

在 Linux 中，select是一种 I/O 多路复用模型，用于同时监视多个文件描述符，以确定哪些文件描述符已准备好进行 I/O 操作（可读、可写或有异常情况）。以下是关于 select模型的详细介绍：
一、基本概念
文件描述符集合：select使用三个文件描述符集合来表示需要监视的文件描述符。这三个集合分别用于表示可读、可写和异常情况的文件描述符。每个集合都是一个整数数组，其中的每个位对应一个文件描述符。如果某个位被设置为 1，表示对应的文件描述符在相应的状态下已准备好进行 I/O 操作。
超时时间：select可以设置一个超时时间，以指定在没有任何文件描述符就绪的情况下等待的最长时间。超时时间可以是一个绝对时间或相对时间。如果超时时间为 0，表示立即返回，不等待任何文件描述符就绪。如果超时时间为 NULL，表示无限期等待，直到有文件描述符就绪。
二、函数原型
select函数的原型如下：
展开过程
nfds：要监视的文件描述符的范围，通常设置为所有要监视的文件描述符中的最大值加 1。
readfds：指向可读文件描述符集合的指针。如果某个文件描述符在这个集合中被设置为 1，表示该文件描述符已准备好进行读取操作。
writefds：指向可写文件描述符集合的指针。如果某个文件描述符在这个集合中被设置为 1，表示该文件描述符已准备好进行写入操作。
exceptfds：指向异常情况文件描述符集合的指针。如果某个文件描述符在这个集合中被设置为 1，表示该文件描述符出现了异常情况。
timeout：指向超时时间结构体的指针。如果设置为 NULL，表示无限期等待。如果设置为一个非空指针，则表示等待的最长时间。超时时间结构体 timeval的定义如下：
展开过程
三、使用步骤
初始化文件描述符集合：使用 FD_ZERO宏初始化文件描述符集合，然后使用 FD_SET宏将需要监视的文件描述符添加到相应的集合中。
调用 select函数：将初始化后的文件描述符集合和超时时间作为参数传递给 select函数。select函数会阻塞当前进程，直到有文件描述符就绪或超时时间到达。
检查文件描述符集合：select函数返回后，可以使用 FD_ISSET宏检查每个文件描述符是否在相应的集合中被设置为 1。如果某个文件描述符在可读集合中被设置为 1，表示该文件描述符已准备好进行读取操作；如果在可写集合中被设置为 1，表示该文件描述符已准备好进行写入操作；如果在异常情况集合中被设置为 1，表示该文件描述符出现了异常情况。
处理就绪的文件描述符：根据文件描述符的状态，进行相应的 I/O 操作。
重复步骤 2-4，直到程序结束。
以下是一个使用 select模型的简单示例代码：
展开过程
在这个示例中，程序同时监视标准输入和一个文件的读取状态。使用 select函数等待其中一个文件描述符就绪，然后根据就绪的文件描述符进行相应的读取操作。如果在 5 秒内没有任何文件描述符就绪，程序会输出 “Timeout occurred.”。
四、优缺点
优点：
跨平台性好：select在大多数操作系统上都可用，具有较好的跨平台性。
简单易用：select的使用相对简单，只需要初始化文件描述符集合、设置超时时间并调用 select函数即可。
缺点：
可监视的文件描述符数量有限：select使用的文件描述符集合是一个整数数组，每个位对应一个文件描述符。因此，可监视的文件描述符数量受到整数类型的位数限制，通常为 1024。
性能开销较大：每次调用 select函数时，都需要将文件描述符集合从用户空间复制到内核空间，然后由内核进行检查。这个过程会带来一定的性能开销，特别是当需要监视的文件描述符数量较多时。
不支持高并发：由于 select的性能限制，它不太适合处理高并发的场景。在高并发情况下，频繁地调用 select函数可能会导致性能下降。
五、总结
select是一种简单易用的 I/O 多路复用模型，适用于同时监视少量文件描述符的场景。但是，由于其可监视的文件描述符数量有限和性能开销较大的缺点，在处理高并发场景时可能不太适用。在实际应用中，可以根据具体情况选择更适合的 I/O 多路复用模型，如 poll或 epoll。

select 模型的缺点有哪些？
select 模型的应用场景有哪些？
poll 模型和 select 模型有什么区别？

在 Linux 中，epoll是一种高效的 I/O 多路复用技术，用于同时监视多个文件描述符，以确定哪些文件描述符已准备好进行 I/O 操作（可读、可写或有异常情况）。与传统的select和poll模型相比，epoll具有更高的性能和可扩展性。

一、基本概念

1. epoll实例：epoll通过一个内核数据结构来管理文件描述符的监视。这个数据结构被称为epoll实例，可以通过epoll_create系统调用创建。
2. 事件：epoll使用事件来表示文件描述符的状态变化。事件可以是可读、可写或有异常情况。应用程序可以通过epoll_ctl系统调用将文件描述符添加到epoll实例中，并指定要监视的事件类型。
3. 等待：应用程序可以通过epoll_wait系统调用等待epoll实例中的事件发生。epoll_wait会阻塞当前进程，直到有事件发生或超时时间到达。当有事件发生时，epoll_wait会返回一个事件列表，其中包含已准备好进行 I/O 操作的文件描述符和相应的事件类型。

二、函数介绍

1. epoll_create：创建一个epoll实例。

展开过程

• size：是一个提示参数，用于告诉内核期望监视的文件描述符数量。这个参数在现代 Linux 内核中已经没有实际作用，但仍然需要提供一个大于 0 的值。
• 返回值：成功时返回一个文件描述符，代表新创建的epoll实例；失败时返回 -1，并设置errno。

1. epoll_ctl：用于向epoll实例中添加、修改或删除要监视的文件描述符。

展开过程

• epfd：是epoll_create返回的epoll实例文件描述符。
• op：操作类型，可以是EPOLL_CTL_ADD（添加文件描述符到监视列表）、EPOLL_CTL_MOD（修改已监视文件描述符的事件类型）或EPOLL_CTL_DEL（从监视列表中删除文件描述符）。
• fd：要监视的文件描述符。
• event：是一个指向epoll_event结构体的指针，用于指定要监视的事件类型和相关的用户数据。

epoll_event结构体定义如下：

展开过程

• events：可以是以下事件类型的组合：
  • EPOLLIN：表示文件描述符可读。
  • EPOLLOUT：表示文件描述符可写。
  • EPOLLPRI：表示有紧急数据可读。
  • EPOLLERR：表示文件描述符发生错误。
  • EPOLLHUP：表示文件描述符被挂起。
  • EPOLLET：设置边沿触发模式（默认是水平触发）。
• data：是一个联合体，可以用于存储用户自定义的数据，例如文件描述符对应的应用程序特定的数据结构指针。

1. epoll_wait：等待epoll实例中的事件发生。

展开过程

• epfd：是epoll_create返回的epoll实例文件描述符。
• events：是一个指向epoll_event结构体数组的指针，用于存储发生的事件。
• maxevents：指定events数组的大小，即最多可以返回的事件数量。
• timeout：是等待的超时时间，以毫秒为单位。如果设置为 -1，表示无限期等待；如果设置为 0，表示立即返回，即使没有事件发生。
• 返回值：成功时返回发生的事件数量；失败时返回 -1，并设置errno。

三、工作原理

1. 创建epoll实例：应用程序首先调用epoll_create创建一个epoll实例。这个实例在内核中维护了一个文件描述符列表和相应的事件状态。
2. 添加文件描述符：应用程序使用epoll_ctl将需要监视的文件描述符添加到epoll实例中，并指定要监视的事件类型。例如，可以添加一个套接字文件描述符，并指定监视可读事件。
3. 等待事件：应用程序调用epoll_wait等待epoll实例中的事件发生。epoll_wait会阻塞当前进程，直到有事件发生或超时时间到达。
4. 处理事件：当epoll_wait返回时，应用程序可以遍历返回的事件列表，根据事件类型进行相应的 I/O 操作。例如，如果一个文件描述符可读，应用程序可以读取数据；如果一个文件描述符可写，应用程序可以写入数据。

四、边沿触发和水平触发

epoll支持两种触发模式：边沿触发（Edge Triggered，ET）和水平触发（Level Triggered，LT）。

1. 水平触发（LT）：默认模式。当文件描述符上有数据可读或可写时，epoll会不断触发事件，直到应用程序读取或写入所有数据。这意味着如果应用程序没有完全处理文件描述符上的所有数据，epoll_wait会在下次调用时再次触发事件。
2. 边沿触发（ET）：在边沿触发模式下，只有当文件描述符的状态从不可读 / 不可写到可读 / 可写发生变化时，epoll才会触发事件。这意味着应用程序必须在一次事件触发中读取或写入所有可用数据，否则可能会错过后续的事件。

边沿触发模式通常需要应用程序更加小心地处理事件，以避免丢失数据。但是，它可以减少不必要的系统调用，提高性能。

五、优点

1. 高效性：epoll在内核中使用了高效的数据结构和算法，能够快速地确定哪些文件描述符已准备好进行 I/O 操作。与select和poll相比，epoll在处理大量文件描述符时具有更高的性能。
2. 可扩展性：epoll可以轻松地处理大量的文件描述符，而不会像select和poll那样受到限制。这使得它非常适合用于高并发的网络服务器和其他需要同时监视大量文件描述符的应用程序。
3. 事件驱动：epoll是一种事件驱动的模型，应用程序只需要在有事件发生时进行处理，而不需要像传统的轮询模型那样不断地检查文件描述符的状态。这可以减少 CPU 占用率，提高系统的响应速度。