Linux I/O多路复用

Linux中一切皆文件，不论是我们存储在磁盘上的字符文件，可执行文件还是我们的接入电脑的I/O设备等都被VFS抽象成了文件，比如标准输入设备默认是键盘，我们在操作标准输入设备的时候，其实操作的是默认打开的一个文件描述符是0的文件，而一切软件操作硬件都需要通过OS，而OS操作一切硬件都需要相应的驱动程序，这个驱动程序里配置了这个硬件的相应配置和使用方法。Linux的I/O分为阻塞I/O,非阻塞I/O,I/O多路复用,信号驱动I/O四种。对于I/O设备的驱动，一般都会提供关于阻塞和非阻塞两种配置。我们最常见的I/O设备之一--键盘(标准输入设备)的驱动程序默认是阻塞的。
多路复用就是为了使进程能够从多个阻塞I/O中获得自己想要的数据并继续执行接下来的任务。其主要的思路就是同时监视多个文件描述符，如果有文件描述符的设定状态的被触发，就继续执行进程，如果没有任何一个文件描述符的设定状态被触发，进程进入sleep
多路复用的一个主要用途就是实现"I/O多路复用并发服务器"，和多线程并发或者多进程并发相比，这种服务器的系统开销更低，更适合做web服务器，但是由于其并没有实现真正的多任务，所以当压力大的时候，部分用户的请求响应会较慢

阻塞I/O

阻塞I/O，就是当进程试图访问这个I/O设备而这个设备并没有准备好的时候，设备的驱动程序会通过内核让这个试图访问的进程进入sleep状态。阻塞I/O的一个好处就是可以大大的节约CPU时间，因为一旦一个进程试图访问一个没有准备好的阻塞I/O，就会进入sleep状态，而进入sleep状态的进程是不在内核的进程调度链表中，直到目标I/O准备好了将其唤醒并加入调度链表，这样就可以节约CPU时间。当然阻塞I/O也有其固有的缺点，如果进程试图访问一个阻塞I/O，但是否访问成功并不对接下来的任务有决定性影响，那么直接使其进入sleep状态显然会延误其任务的完成。

• 典型的默认阻塞IO有标准输入设备，socket设备，管道设备等，当我们使用gets(),scanf(),read()等操作请求这些IO时而IO并没有数据流入，就会造成进程的sleep。 进程会一直阻塞下去直到接收缓冲区中有数据可读，此时内核再去唤醒该进程，通过相应的函数从中获取数据。如果阻塞过程中对方发生故障，那么这个进程将会永远阻塞下去。
• 写操作时发生阻塞的情况要比读操作少，主要发生在要写入的缓冲区的大小小于要写入的数据量的情况下，这时写操作将不进行任何任何拷贝工作，将发生阻塞。一旦发送缓冲区内有足够的空间，内核将唤醒进程，将数据从用户缓冲区中拷贝到相应的发送数据缓冲区。udp不用等待确认，没有实际的发送缓冲区，所以udp协议中不存在发送缓冲区满的情况，在udp套接字上执行的写操作永远都不会阻塞

现假设一个进程希望通过三个管道中任意一个中读取数据并显示，伪代码如下

read(pipe_0,buf,sizeof(buf));       //sleep
print buf;
read(pipe_1,buf,sizeof(buf));
print buf;
read(pipe_2,buf,sizeof(buf));
print buf;

由于管道是阻塞I/O，所以如果pipe_0没有数据流入，进程就是在第一个read()处进入sleep状态而即使pipe_1和pipe_2有数据流入也不会被读取。
如果我们使用下述代码重新设置管道的阻塞属性，显然，如果三个管道都没有数据流入，那么进程就无法获得请求的数据而继续执行，倘若这些数据很重要(所以我们才要用阻塞I/O)，那结果就会十分的糟糕，改为轮询却又大量的占据CPU时间。

int fl = fcntl(pipe_fd, F_GETFL);
fcntl(pipe_fd, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK);

如何让进程同时监视三个管道，其中一个有数据就继续执行而不会sleep，如果全部没有数据流入再sleep，就是多路复用技术需要解决的问题。

非阻塞I/O

非阻塞I/O就是当一个进程试图访问一个I/O设备的时候，无论是否从中获取了请求的数据都会返回并继续执行接下来的任务。，但非常适合请求是否成功对接下来的任务影响不大的I/O请求。但如果访问一个非阻塞I/O，但这个请求如果失败对进程接下来的任务有致命影响，最粗暴的就是使用while(1)｛read()｝轮询。显然，这种方式会占用大量的CPU时间。对于非阻塞IO，除了直接返回，一个更重要的应用就是利用IO多路复用机制同时监视多个非阻塞IO。

select机制

select是一种非常"古老"的同步I/O接口，但是提供了一种很好的I/O多路复用的思路

模型

fd_set      //创建fd_set对象，将来从中增减需要监视的fd
FD_ZERO()   //清空fd_set对象
FD_SET()    //将一个fd加入fd_set对象中  
select()    //监视fd_set对象中的文件描述符
pselect()   //先设定信号屏蔽，再监视
FD_ISSET()  //测试fd是否属于fd_set对象
FD_CLR()    //从fd_set对象中删除fd

Note:

• select的第一个参数nfds是指集合中的最大的文件描述符+1，因为select会无差别遍历整个文件描述符表直到找到目标，而文件描述符是从0开始的，所以一共是集合中的最大的文件描述符+1次。
• 上一条导致了这种机制的低效，如果需要监视的文件描述符是0和100那么每一次都会遍历101次
• select()每次返回都会修改fd_set，如果要循环select()，需要先对初始的fd_set进行备

例子_I/O多路复用并发服务器

关于server本身的编程模型，参见tcp/ip协议服务器模型和udp/ip协议服务器模型这里仅是使用select实现伪并行的部分模型

#define BUFSIZE 100
#define MAXNFD  1024 

int main()
{
    /***********服务器的listenfd已经准本好了**************/
    fd_set readfds;
    fd_set writefds;
    FD_ZERO(&readfds);
    FD_ZERO(&writefds);
    FD_SET(listenfd, &readfds);

    fd_set temprfds = readfds;
    fd_set tempwfds = writefds;
    int maxfd = listenfd;


    int nready;
    char buf[MAXNFD][BUFSIZE] = {0};
    while(1){
        temprfds = readfds;
        tempwfds = writefds;

        nready = select(maxfd+1, &temprfds, &tempwfds, NULL, NULL)
        if(FD_ISSET(listenfd, &temprfds))｛          
            //如果监听到的是listenfd就进行accept
            int sockfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &len);
            
            //将新accept的scokfd加入监听集合，并保持maxfd为最大fd
            FD_SET(sockfd, &readfds);
            maxfd = maxfd>sockfd?maxfd:sockfd;
            
            //如果意见检查了nready个fd，就没有必要再等了，直接下一个循环
            if(--nready==0)
                continue;
        }
        
        int fd = 0;
        //遍历文件描述符表，处理接收到的消息
        for(;fd<=maxfd; fd++)｛   
            if(fd == listenfd)
                continue;

            if(FD_ISSET(fd, &temprfds)){
                int ret = read(fd, buf[fd], sizeof buf[0]);
                if(0 == ret)｛    //客户端链接已经断开
                    close(fd);
                    FD_CLR(fd, &readfds);
                    if(maxfd==fd) 
                        --maxfd;
                    continue;
                }
                //将fd加入监听可写的集合
                FD_SET(fd, &writefds);  
            }
            //找到了接收消息的socket的fd，接下来将其加入到监视写的fd_set中
            //将在下一次while()循环开始监视
            if(FD_ISSET(fd, &tempwfds)){
                int ret = write(fd, buf[fd], sizeof buf[0]);
                printf("ret %d: %d
", fd, ret);
                FD_CLR(fd, &writefds);
            }
        }
    }
    close(listenfd);
}

poll机制

poll是一种基于select的改良机制，其针对select的一些缺陷进行了重新设计，包括不需要备份fd_set等等，但是依然是遍历整个文件描述符表，效率较低

模型

struct pollfd   fds     //创建一个pollfd类型的数组
fds[0].fd               //向fds[0]中放入需要监视的fd
fds[0].events           //向fds[0]中放入需要监视的fd的触发事件
    POLLIN              //I/O有输入
    POLLPRI             //有紧急数据需要读取
    POLLOUT             //I/O可写
    POLLRDHUP           //流式套接字连接断开或套接字处于半关闭状态
    POLLERR             //错误条件(仅针对输出)
    POLLHUP             //挂起(仅针对输出)
    POLLNVAL            //无效的请求：fd没有被打开(仅针对输出)

例子_I/O多路复用并发服务器

/* ... */

int main()
{
    /* ... */
    struct pollfd myfds[MAXNFD] = {0};
    myfds[0].fd = listenfd;
    myfds[0].events = POLLIN;
    int maxnum = 1;
    
    int nready;
    //准备二维数组buf，每个fd使用buf的一行，数据干扰
    char buf[MAXNFD][BUFSIZE] = {0};
    while(1){
        //poll直接返回event被触发的fd的个数
        nready = poll(myfds, maxnum, -1)
        int i = 0;
        for(;i<maxnum; i++){
            //poll通过将相应的二进制位置一来表示已经设置
            //如果下面的条件成立，表示revent[i]里的POLLIN位已经是1了
            if(myfds[i].revents & POLLIN){
                if(myfds[i].fd == listenfd){
                    int sockfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &len);
                    //将新accept的scokfd加入监听集合
                    myfds[maxnum].fd = sockfd;
                    myfds[maxnum].events = POLLIN;
                    maxnum++;
                    
                    //如果意见检查了nready个fd，就直接下一个循环
                    if(--nready==0)
                        continue;
                }
                else{
                    int ret = read(myfds[i].fd, buf[myfds[i].fd], sizeof buf[0]);
                    if(0 == ret)｛    //如果连接断开了
                        close(myfds[i].fd);
                        
                         //初始化将文件描述符表所有的文件描述符标记为-1
                         //close的文件描述符也标记为-1
                         //打开新的描述符时从表中搜索第一个-1
                         //open()就是这样实现始终使用最小的fd
                         //这里为了演示并没有使用这种机制
                         myfds[i].fd = -1;  
                        continue;
                    }
                    myfds[i].events = POLLOUT;
                }
            }
            else if(myfds[i].revents & POLLOUT){
                int ret = write(myfds[i].fd, buf[myfds[i].fd], sizeof buf[0]);
                myfds[i].events = POLLIN;
            }
        }
    }
    close(listenfd);
}

epoll

epoll在poll基础上实现的更为健壮的接口，它每次只会遍历我们关心的文件描述符，也是现在主流的web服务器使用的多路复用技术，epoll一大特色就是支持EPOLLET(边沿触发)和EPOLLLT (水平触发)，前者表示如果读取之后缓冲区还有数据，那么只要读取结束，剩余的数据也会丢弃，而后者表示里面的数据不会丢弃，下次读的时候还在，默认是EPOLLLT

模型

epoll_create()          //创建epoll对象
struct epoll_event      //准备事件结构体和事件结构体数组
    event.events
    event.data.fd ...
epoll_ctl()             //配置epoll对象
epoll_wait()            //监控epoll对象中的fd及其相应的event

例子_I/O多路复用并发服务器

/* ... */

int main()
{
    /* ... */
    /* 创建epoll对象 */
    int epoll_fd = epoll_create(1024);
    
    //准备一个事件结构体
    struct epoll_event event = {0};
    event.events = EPOLLIN;
    event.data.fd = listenfd;   //data是一个共用体，除了fd还可以返回其他数据
    
    //ctl是监控listenfd是否有event被触发
    //如果发生了就把event通过wait带出。
    //所以，如果event里不标明fd，我们将来获取就不知道哪个fd
    epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, listenfd, &event);
    
    struct epoll_event revents[MAXNFD] = {0};
    int nready;
    char buf[MAXNFD][BUFSIZE] = {0};
    while(1){
        //wait返回等待的event发生的数目
        //并把相应的event放到event类型的数组中
        nready = epoll_wait(epoll_fd, revents, MAXNFD, -1)
        int i = 0;
        for(;i<nready; i++){
            //wait通过在events中设置相应的位来表示相应事件的发生
            //如果输入可用，那么下面的这个结果应该为真
            if(revents[i].events & EPOLLIN){
                //如果是listenfd有数据输入
                if(revents[i].data.fd == listenfd){
                    int sockfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &len);
                    struct epoll_event event = {0};
                    event.events = EPOLLIN;
                    event.data.fd = sockfd;
                    epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, sockfd, &event);
                }
                else{
                    int ret = read(revents[i].data.fd, buf[revents[i].data.fd], sizeof buf[0]);
                    if(0 == ret){
                        close(revents[i].data.fd);
                        epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_DEL, revents[i].data.fd, &revents[i]);
                    }
                    
                    revents[i].events = EPOLLOUT;
                    epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_MOD, revents[i].data.fd, &revents[i]);
                }
            }
            else if(revents[i].events & EPOLLOUT){
                int ret = write(revents[i].data.fd, buf[revents[i].data.fd], sizeof buf[0]);
                revents[i].events = EPOLLIN;
                epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_MOD, revents[i].data.fd, &revents[i]);
            }
        }
    }
    close(listenfd);
}