系统设计之 网络模型（三）多路复用模型

多路复用的方式是真正实用的服务器程序，非多路复用的网络程序只能作为学习或着陪测的角色。本文说下个人接触过的多路复用函数： select/poll/epoll/port。kqueue的*nix系统没接触过，估计熟悉了上面四种，kqueue也只是需要熟悉一下而已。
一、select模型
select原型：

int  select( int  n, fd_set  * readfds, fd_set  * writefds, fd_set  * exceptfds, struct timeval  * timeout);

其中参数n表示监控的所有fd中最大值＋1。
和select模型紧密结合的四个宏，含义不解释了：

FD_CLR( int  fd, fd_set  * set);
FD_ISSET( int  fd, fd_set  * set);
FD_SET( int  fd, fd_set  * set);
FD_ZERO(fd_set  * set);

理解select模型的关键在于理解fd_set,为说明方便，取fd_set长度为1字节，fd_set中的每一bit可以对应一个文件描述符fd。则1字节长的fd_set最大可以对应8个fd。
（1）执行fd_set set; FD_ZERO(&set);则set用位表示是0000,0000。
（2）若fd＝5,执行FD_SET(fd,&set);后set变为0001,0000(第5位置为1)
（3）若再加入fd＝2，fd=1,则set变为0001,0011
（4）执行select(6,&set,0,0,0)阻塞等待
（5）若fd=1,fd=2上都发生可读事件，则select返回，此时set变为0000,0011。注意：没有事件发生的fd=5被清空。

基于上面的讨论，可以轻松得出select模型的特点：
（1)可监控的文件描述符个数取决与sizeof(fd_set)的值。我这边服务 器上sizeof(fd_set)＝512，每bit表示一个文件描述符，则我服务器上支持的最大文件描述符是512*8=4096。据说可调，另有说虽 然可调，但调整上限受于编译内核时的变量值。本人对调整fd_set的大小不太感兴趣，参考http://www.cppblog.com/CppExplore/archive/2008/03/21/45061.html中的模型2（1）可以有效突破select可监控的文件描述符上限。
（2） 将fd加入select监控集的同时，还要再使用一个数据结构array保存放到select监控集中的fd，一是用于再select返回后，array 作为源数据和fd_set进行FD_ISSET判断。二是select返回后会把以前加入的但并无事件发生的fd清空，则每次开始select前都要重新 从array取得fd逐一加入（FD_ZERO最先），扫描array的同时取得fd最大值maxfd，用于select的第一个参数。
（3）可见select模型必须在select前循环array（加fd，取maxfd），select返回后循环array（FD_ISSET判断是否有时间发生）。

下面给一个伪码说明基本select模型的服务器模型：

array[slect_len];
nSock = 0 ;
array[nSock ++ ] = listen_fd;(之前listen port已绑定并listen)
maxfd = listen_fd;
while {
   FD_ZERO(&set);
   foreach (fd in array) 
   {
       fd大于maxfd，则maxfd=fd
       FD_SET(fd,&set)
   }
   res=select(maxfd+1,&set,0,0,0)；
   if(FD_ISSET(listen_fd,&set))
   {
       newfd=accept(listen_fd);
       array[nsock++]=newfd;
            if(--res<=0) continue
   }
   foreach 下标1开始 (fd in array) 
   {
       if(FD_ISSET(fd,&set))
          执行读等相关操作
          如果错误或者关闭，则要删除该fd，将array中相应位置和最后一个元素互换就好，nsock减一
             if(--res<=0) continue

   }
}

二、poll模型
poll原型:

int  poll(struct pollfd  * ufds, unsigned  int  nfds,  int  timeout);
struct pollfd  {
                       int fd;           /**//* file descriptor */
                       short events;     /**//* requested events */
                       short revents;    /**//* returned events */
               } ;

和select相比，两大改进：
（1）不再有fd个数的上限限制，可以将参数ufds想象成栈低指针，nfds是栈中元素个数，该栈可以无限制增长
（2） 引入pollfd结构，将fd信息、需要监控的事件、返回的事件分开保存，则poll返回后不会丢失fd信息和需要监控的事件信息，也就省略了 select模型中前面的循环操作，返回后的循环仍然不可避免。另每次poll阻塞操作都会自动把上次的revents清空。
poll的服务器模型伪码：

struct pollfd fds[POLL_LEN];
unsigned  int  nfds = 0 ;
fds[ 0 ].fd = server_sockfd;
fds[ 0 ].events = POLLIN | POLLPRI;
nfds ++ ;
while {
  res=poll(fds,nfds,-1);
  if(fds[0].revents&(POLLIN|POLLPRI)){执行accept并加入fds中,if(--res<=0)continue}
  循环之后的fds，if(fds[i].revents&(POLLIN|POLLERR )){操作略if(--res<=0)continue}
}

注意select和poll中res的检测，可有效减少循环的次数，这也是大量死连接存在时，select和poll性能下降厉害的原因。

三、epoll模型

epoll阻塞操作的原型：

int  epoll_wait( int  epfd, struct epoll_event  *  events,  int  maxevents,  int  timeout)
epoll引入了新的结构epoll_event。
typedef union epoll_data  {
                 void *ptr;
                 int fd;
                 __uint32_t u32;
                 __uint64_t u64;
            }  epoll_data_t;

            struct epoll_event  {
                 __uint32_t events;  /**//* Epoll events */
                 epoll_data_t data;  /**//* User data variable */
            } ;

与以上模型的优点：
（1）它保留了poll的两个相对与select的优点
（2）epoll_wait的参数events作为出参，直接返回了有事件发生的fd，epoll_wait的返回值既是发生事件的个数，省略了poll中返回之后的循环操作。
（3）不再象select、poll一样将标识符局限于fd，epoll中可以将标识符扩大为指针，大大增加了epoll模型下的灵活性。
epoll的服务器模型伪码：

epollfd = epoll_create(EPOLL_LEN);
epoll_ctl(epollfd,EPOLL_CTL_ADD,server_sockfd, & ev)
struct epoll_event events[EPOLL_MAX_EVENT];
while
{
nfds=epoll_wait(epollfd,events,EPOLL_MAX_EVENT,-1);
循环nfds，是server_sockfd则accept，否则执行响应操作
}

epoll使用中的问题：
（1）epoll_ctl的EPOLL_CTL_DEL操作中，最后一个参数是无意义的，但是在小版本号过低的 2.6内核下要求最后一个参数一定非NULL，否则返回失败，并且返回的errno在man epoll_ctl中不存在，因此安全期间，保证epoll_ctl的最后一个参数总非NULLL。
（2）如果一个fd（比如管道）的事件导致了另一个fd2的删除，则必须扫描返回结果集中是否有fd2，有则在结果集中删除，避免冲突。
（3） 有文章说epoll在G网环境下性能会低于poll/select，看有些测试，给出的拐点在2w/s并发之后，我本人的工作范围不可能达到这么高的并 发，个人在测试性能的时候最大也是取的1w/s的并发，一个是因为系统单进程允许打开的文件描述符最大值，4w的数字太高了，另一个就是我这边服务器的性 能达不到那么高的性能，极限1.7w/s的响应，那测试的数据竟然在2w并发的时候还有2w的响应，不知道是什么硬件配置。或许等有了G网的环境，会关注 epoll高并发下的性能下降

。
（4）epoll的LT和ET性能的差异，我测试的数据表明两者性能相当，“使用epoll就是为了高性能，就是要使用ET模式”这个说法是站不住脚的。个人倾向于使用LT模式，编程简单、安全。

四、port模型
port则和epoll非常接近，不需要前后的两次扫描，直接返回有事件的结果，可以象epoll一样绑定指针，不同点是
（1）epoll可以返回多个事件，而port一次只返回一个（port_getn可以返回多个，但是在不到指定的n值时，等待直到达到n个）
（2）port返回的结果会自动port_dissociate，如果要再次监控，需要重新port_associate
这个就不多说了。

可以看出select-->poll-->epoll/port的演化路线：
（1）从readset、writeset等分离到 将读写事件集中到统一的结构
（2）从阻塞操作前后的两次循环 到 之后的一次循环  到精确返回有事件发生的fd
（3）从只能绑定fd信息，到可以绑定指针结构信息

五、抽象接口
综合以上多路复用函数的特点，可以进行统一的封装，这里给出我封装的接口，也算是给一个思路：

 virtual  int  init() = 0 ;
 virtual  int  wait() = 0 ;
 virtual  void   *  next_result() = 0 ;
 virtual  void  delete_from_results( void   *  data) = 0 ;
 virtual  void   *  get_data( void   *  event) = 0 ;
 virtual  int  get_event( void   *  event) = 0 ;
 virtual  int  add_data( int  fd,XPollData  *  data) = 0 ;
 virtual  int  delete_data( int  fd,XPollData  * data) = 0 ;
 virtual  int  change_data( int  fd,XPollData  * data) = 0 ;
 virtual  int  reset_data( int  fd,XPollData  * data) = 0 ;

使用的时候就是先init，再wait，再循环执行next_result直到空，每个result，使用get_data和get_event挨 个处理，如果某个fd引起另一个fd关闭，调delete_from_results（除epoll，其它都直接return），处理完 reset_data（select和port用，poll/epoll直接return）。

作者：CppExplore 网址： http://www.cppblog.com/CppExplore/