网络编程之多路复用---mutilio

IO多路复用技术

目录

1. 定义
2. 作用
3. 并发与并行
4. IO模型
5. 阻塞IO
6. 非阻塞IO
7. 信号驱动IO
8. 并行模型
9. IO多路复用
10. select函数详解
11. select/poll/epoll区别
12. 作业要求

1. 定义

单线程或单进程同时监测若干个文件描述符是否可以执行IO操作的能力

2. 作用

应用程序通常需要处理来自多条事件流中的事件，比如我现在用的电脑，需要同时处理键盘鼠标的输入、中断信号等等事件，再比如web服务器如nginx，需要同时处理来来自N个客户端的事件。

3. 并发与并行

逻辑控制流在时间上的重叠叫做 并发
并行

而CPU单核在同一时刻只能做一件事情，一种解决办法是对CPU进行时分复用(多个事件流将CPU切割成多个时间片，不同事件流的时间片交替进行)。在计算机系统中，我们用线程或者进程来表示一条执行流，通过不同的线程或进程在操作系统内部的调度，来做到对CPU处理的时分复用。这样多个事件流就可以并发进行，不需要一个等待另一个太久，在用户看起来他们似乎就是并行在做一样。

使用并发处理的成本：

• 线程/进程创建成本
• CPU切换不同线程/进程成本 Context Switch 上下文切换 页表，寄存器，缓存
• 多线程的资源竞争

有没有一种可以在单线程/进程中处理多个事件流的方法呢？一种答案就是IO多路复用。

因此IO多路复用解决的本质问题是在用更少的资源完成更多的事。

4. IO模型

1. 阻塞IO
2. 非阻塞IO EAGAIN 忙等待 errno
3. 信号驱动IO SIGIO 用的相对少（了解）
4. 并行模型 进程，线程
5. IO多路复用 select、poll、epoll

1.阻塞IO ===》最常用 默认设置

2.非阻塞IO ===》在阻塞IO的基础上调整其为不再阻塞等待。

在程序执行阶段调整文件的执行方式为非阻塞：
===》fcntl() ===>动态调整文件的阻塞属性

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );

功能：修改指定文件的属性信息。
参数：fd 要调整的文件描述符
cmd 要调整的文件属性宏名称
… 可变长的属性值参数。
返回值：成功 不一定，看cmd
失败 -1；

eg：修改文件的非阻塞属性：

int flag ;
flag  = fcntl(fd,F_GETFL,0);  ///获取fd文件的默认属性到flag变量中。
flag  = flag | O_NONBLOCK;    ///将变量的值调整并添加非阻塞属性
fcntl(fd,F_SETFL,flag);       ///将新属性flag设置到fd对应的文件生效。

以上代码执行后的阻塞IO将变成非阻塞方式。

3.信号驱动io

文件描述符需要追加 O_ASYNC 标志。
设备有io事件可以执行时，内核发送SIGIO信号。

1.追加标志

int flag ;
flag  = fcntl(fd,F_GETFL,0);
fcntl(fd,F_SETFL,flag | O_ASYNC);    

2.设置信号接收者

fcntl(fd,F_SETOWN,getpid());//常用设置

3.对信号进行捕获

signal(SIGIO,myhandle);//

4.并行

1.进程
2.线程

5. IO多路复用 ===》并发服务器 ===》TCP协议

3.select循环服务器 ===> 用select函数来动态检测有数据流动的文件描述符

#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,
fd_set *exceptfds,
struct timeval *timeout);

功能：完成指定描述符集合中有效描述符的动态检测。
该函数具有阻塞等待功能，在函数执行完毕后
目标测试集合中将只保留最后有数据的描述符。

参数：nfds 描述符的上限值，一般是链接后描述符的最大值+1；
readfds 只读描述符集
writefds 只写描述符集
exceptfds 异常描述符集
以上三个参数都是 fd_set * 的描述符集合类型
timeout 检测超时 如果是NULL表示一直检测不超时 。

返回值：超时 0
失败 -1
成功 >0

为了配合select函数执行，有如下宏函数：

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

select poll epoll的区别

1. select

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
void FD_CLR(int fd, fd_set *set);
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set);
void FD_SET(int fd, fd_set *set);
void FD_ZERO(fd_set *set);

select的调用一般要注意几点：
① readfds等是指针结果参数，会被函数修改…
② 要注意计算nfds…
③ timeout如果为NULL表示阻塞等…
④ select返回-1表示错误…
⑤ Linux的实现中select返回时会将timeout修改为剩余时间…

select的缺点在于：
① 由于描述符集合set的限制…
② 返回的可读集合是个fdset类型…
③ nfds的存在就是为了解决select的效率问题…

3. epoll

int epoll_create(int size)；
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event)；
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);

epoll 解决了select和poll的几个性能上的缺陷…
epoll显著提高性能的前提是…
epoll的另外区别是…

作业

使用以上任意一个并发服务器模型，完成如下功能：

1. 可以向服务器发送一个消息，并在服务器端打印输出该消息的来源ip+port
2. 将所有的连接终端的个数统计出来

本小节知识总结：io多路复用

IO模型
1.阻塞io 闲等待 让出CPU
2.非阻塞 IO EAGAIN 忙等待errno，不会让出CPU 反复检测io的状态 ，使用fcntl O_NONBLG
3.并行io，进程或者线程，相对多路io而言，比较消耗系统资源
4.多路io，可以处理，单线程或者单进程中，多个阻塞io，select epoll；

多路io复用：由操作系统对io事件进行检测的机制

select：
1.创建集合
2.加入关心的文件描述符；
3.调用select 等待io事件（读或写，大部分情况是读）的到来
4.找出对应的fd’，进行读或者写的操作。
5.清除标志位（读写标志位）
epoll
1.创建集合（epoll_wait)
2.加入关心的文件描述符epoll-ctl
3.调用epoll_wait等待io事件（读或者写，大部分情况是读）的到来，并把就绪fd存入就绪集合（rev示例中的rev）
4.在rev集合中找出对应的fd，进行读写操作
对照优缺点
select：最多检测1024个fd；epoll 一般对于服务器而言<5000 fd
select：在检测文件fd式是轮询的方式，一个个文件包描述符询问检测；epoll检测方式：主动上报，通知了才会去：设备通知epoll，epoll通知a.out;
select:在找对应的fd时，需要在原始集合里面（就绪和未就绪在一起）找；epoll:rev集合里（只有就绪的fd）中找出对应的fd；