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彻底理解 IO多路复用
The following article is from caspar Author caspar
(给CPP开发者加星标，提升C/C++技能)
作者：caspar /蔡蔡技术记 （本文来自作者投稿）
1、什么是IO多路复用
「定义」
IO多路复用是一种同步IO模型，实现一个线程可以监视多个文件句柄；一旦某个文件句柄就绪，就能够通知应用程序进行相应的读写操作；没有文件句柄就绪时会阻塞应用程序，交出cpu。多路是指网络连接，复用指的是同一个线程
2、为什么有IO多路复用机制?
没有IO多路复用机制时，有BIO、NIO两种实现方式，但有一些问题
同步阻塞（BIO）
服务端采用单线程，当accept一个请求后，在recv或send调用阻塞时，将无法accept其他请求（必须等上一个请求处recv或send完）， 无法处理并发
// 伪代码描述
while(1) {
// accept阻塞
client_fd = accept(listen_fd)
fds.append(client_fd)
for (fd in fds) {
// recv阻塞（会影响上面的accept）
if (recv(fd)) {
// logic
}
}
}
服务器端采用多线程，当accept一个请求后，开启线程进行recv，可以完成并发处理，但随着请求数增加需要增加系统线程， 大量的线程占用很大的内存空间，并且线程切换会带来很大的开销，10000个线程真正发生读写事件的线程数不会超过20%，每次accept都开一个线程也是一种资源浪费
// 伪代码描述
while(1) {
// accept阻塞
client_fd = accept(listen_fd)
// 开启线程read数据（fd增多导致线程数增多）
new Thread func() {
// recv阻塞（多线程不影响上面的accept）
if (recv(fd)) {
// logic
}
}
}
同步非阻塞（NIO）
服务器端当accept一个请求后，加入fds集合，每次轮询一遍fds集合recv(非阻塞)数据，没有数据则立即返回错误， 每次轮询所有fd（包括没有发生读写事件的fd）会很浪费cpu
setNonblocking(listen_fd)
// 伪代码描述
while(1) {
// accept非阻塞（cpu一直忙轮询）
client_fd = accept(listen_fd)
if (client_fd != null) {
// 有人连接
fds.append(client_fd)
} else {
// 无人连接
}
for (fd in fds) {
// recv非阻塞
setNonblocking(client_fd)
// recv 为非阻塞命令
if (len = recv(fd) && len > 0) {
// 有读写数据
// logic
} else {
无读写数据
}
}
}
IO多路复用（现在的做法）
服务器端采用单线程通过select/epoll等系统调用获取fd列表，遍历有事件的fd进行accept/recv/send，使其能 支持更多的并发连接请求
fds = [listen_fd]
// 伪代码描述
while(1) {
// 通过内核获取有读写事件发生的fd，只要有一个则返回，无则阻塞
// 整个过程只在调用select、poll、epoll这些调用的时候才会阻塞，accept/recv是不会阻塞
for (fd in select(fds)) {
if (fd == listen_fd) {
client_fd = accept(listen_fd)
fds.append(client_fd)
} elseif (len = recv(fd) && len != -1) {
// logic
}
}
}
3、IO多路复用的三种实现方式
select poll epoll
4、select函数接口
#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
#define FD_SETSIZE 1024
#define NFDBITS (8 * sizeof(unsigned long))
#define __FDSET_LONGS (FD_SETSIZE/NFDBITS)
// 数据结构 (bitmap)
typedef struct {
unsigned long fds_bits[__FDSET_LONGS];
} fd_set;
// API
int select(
int max_fd,
fd_set *readset,
fd_set *writeset,
fd_set *exceptset,
struct timeval *timeout
) // 返回值就绪描述符的数目
FD_ZERO(int fd, fd_set* fds) // 清空集合
FD_SET(int fd, fd_set* fds) // 将给定的描述符加入集合
FD_ISSET(int fd, fd_set* fds) // 判断指定描述符是否在集合中
FD_CLR(int fd, fd_set* fds) // 将给定的描述符从文件中删除
5、select使用示例
int main() {
/*
* 这里进行一些初始化的设置，
* 包括socket建立，地址的设置等,
*/
fd_set read_fs, write_fs;
struct timeval timeout;
int max = 0; // 用于记录最大的fd，在轮询中时刻更新即可
// 初始化比特位
FD_ZERO(&read_fs);
FD_ZERO(&write_fs);
int nfds = 0; // 记录就绪的事件，可以减少遍历的次数
while (1) {
// 阻塞获取
// 每次需要把fd从用户态拷贝到内核态
nfds = select(max + 1, &read_fd, &write_fd, NULL, &timeout);
// 每次需要遍历所有fd，判断有无读写事件发生
for (int i = 0; i <= max && nfds; ++i) {
if (i == listenfd) {
--nfds;
// 这里处理accept事件
FD_SET(i, &read_fd);//将客户端socket加入到集合中
}
if (FD_ISSET(i, &read_fd)) {
--nfds;
// 这里处理read事件
}
if (FD_ISSET(i, &write_fd)) {
--nfds;
// 这里处理write事件
}
}
}
6、select缺点
单个进程所打开的FD是有限制的，通过FD_SETSIZE设置，默认1024 每次调用select，都需要把fd集合从用户态拷贝到内核态，这个开销在fd很多时会很大 对socket扫描时是线性扫描，采用轮询的方法，效率较低（高并发时）
7、poll函数接口
poll与select相比，只是没有fd的限制，其它基本一样
#include <poll.h>
// 数据结构
struct pollfd {
int fd; // 需要监视的文件描述符
short events; // 需要内核监视的事件
short revents; // 实际发生的事件
};
// API
int poll(struct pollfd fds[], nfds_t nfds, int timeout);
8、poll使用示例
// 先宏定义长度
#define MAX_POLLFD_LEN 4096
int main() {
/*
* 在这里进行一些初始化的操作，
* 比如初始化数据和socket等。
*/
int nfds = 0;
pollfd fds[MAX_POLLFD_LEN];
memset(fds, 0, sizeof(fds));
fds[0].fd = listenfd;
fds[0].events = POLLRDNORM;
int max = 0; // 队列的实际长度，是一个随时更新的，也可以自定义其他的
int timeout = 0;
int current_size = max;
while (1) {
// 阻塞获取
// 每次需要把fd从用户态拷贝到内核态
nfds = poll(fds, max+1, timeout);
if (fds[0].revents & POLLRDNORM) {
// 这里处理accept事件
connfd = accept(listenfd);
//将新的描述符添加到读描述符集合中
}
// 每次需要遍历所有fd，判断有无读写事件发生
for (int i = 1; i < max; ++i) {
if (fds[i].revents & POLLRDNORM) {
sockfd = fds[i].fd
if ((n = read(sockfd, buf, MAXLINE)) <= 0) {
// 这里处理read事件
if (n == 0) {
close(sockfd);
fds[i].fd = -1;
}
} else {
// 这里处理write事件
}
if (--nfds <= 0) {
break;
}
}
}
}
9、poll缺点
每次调用poll，都需要把fd集合从用户态拷贝到内核态，这个开销在fd很多时会很大 对socket扫描时是线性扫描，采用轮询的方法，效率较低（高并发时）
10、epoll函数接口
#include <sys/epoll.h>
// 数据结构
// 每一个epoll对象都有一个独立的eventpoll结构体
// 用于存放通过epoll_ctl方法向epoll对象中添加进来的事件
// epoll_wait检查是否有事件发生时，只需要检查eventpoll对象中的rdlist双链表中是否有epitem元素即可
struct eventpoll {
/*红黑树的根节点，这颗树中存储着所有添加到epoll中的需要监控的事件*/
struct rb_root rbr;
/*双链表中则存放着将要通过epoll_wait返回给用户的满足条件的事件*/
struct list_head rdlist;
};
// API
int epoll_create(int size); // 内核中间加一个 ep 对象，把所有需要监听的 socket 都放到 ep 对象中
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event); // epoll_ctl 负责把 socket 增加、删除到内核红黑树
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);// epoll_wait 负责检测可读队列，没有可读 socket 则阻塞进程
11、epoll使用示例
int main(int argc, char* argv[])
{
/*
* 在这里进行一些初始化的操作，
* 比如初始化数据和socket等。
*/
// 内核中创建ep对象
epfd=epoll_create(256);
// 需要监听的socket放到ep中
epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,listenfd,&ev);
while(1) {
// 阻塞获取
nfds = epoll_wait(epfd,events,20,0);
for(i=0;i<nfds;++i) {
if(events[i].data.fd==listenfd) {
// 这里处理accept事件
connfd = accept(listenfd);
// 接收新连接写到内核对象中
epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,connfd,&ev);
} else if (events[i].events&EPOLLIN) {
// 这里处理read事件
read(sockfd, BUF, MAXLINE);
//读完后准备写
epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,sockfd,&ev);
} else if(events[i].events&EPOLLOUT) {
// 这里处理write事件
write(sockfd, BUF, n);
//写完后准备读
epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,sockfd,&ev);
}
}
}
return 0;
}
12、epoll缺点
epoll只能工作在linux下
13、epoll LT 与 ET模式的区别
epoll有EPOLLLT和EPOLLET两种触发模式，LT是默认的模式，ET是“高速”模式。 LT模式下，只要这个fd还有数据可读，每次 epoll_wait都会返回它的事件，提醒用户程序去操作 ET模式下，它只会提示一次，直到下次再有数据流入之前都不会再提示了，无论fd中是否还有数据可读。所以在ET模式下，read一个fd的时候一定要把它的buffer读完，或者遇到EAGAIN错误
14、epoll应用
redis nginx
15、select/poll/epoll之间的区别
| select | poll | epoll | |
|---|---|---|---|
| 数据结构 | bitmap | 数组 | 红黑树 |
| 最大连接数 | 1024 | 无上限 | 无上限 |
| fd拷贝 | 每次调用select拷贝 | 每次调用poll拷贝 | fd首次调用epoll_ctl拷贝，每次调用epoll_wait不拷贝 |
| 工作效率 | 轮询：O(n) | 轮询：O(n) | 回调：O(1) |
16、完整代码示例
https://github.com/caijinlin/learning-pratice/tree/master/linux/io
17、高频面试题
什么是IO多路复用? nginx/redis 所使用的IO模型是什么？ select、poll、epoll之间的区别 epoll 水平触发（LT）与 边缘触发（ET）的区别？
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好文章，我在看❤️