Linux高级IO_select、epoll-编程知识

调用send/write、read/recv这些IO接口进行网络通信时，需要等待IO条件满足（IO事件就绪）才能正常拷贝数据。比如调用send/write需要等待TCP的发送缓冲区有剩余空间才能将数据拷贝到TCP发送缓冲区中，调用read/recv需要等待TCP的接收缓冲区有数据才能将数据拷贝到应用层，即IO=等+数据拷贝，而这些等待是由用户来完成的，高级IO就是降低用户等的时间以提高IO效率。常见的五种IO模型有：阻塞IO、非阻塞IO、信号驱动IO、多路复用/多路转接、异步IO（让操作系统进行IO）。前四种模型是同步IO，最后一种模型是异步IO。同步还是异步取决于进程有没有参与等+数据拷贝的过程。

一.阻塞IO

二.非阻塞IO

我们如果调用read函数从0号文件描述符中读数据时，如果不输入数据，那么程序就会进入阻塞状态。如果想让这个接口进行非阻塞IO，我们可以调用fcntl()系统调用接口将该文件描述符设置为非阻塞状态。

int fd：想要设置的那个文件描述符
int cmd：
1. 如果传入F_GETFL ：返回一个位图，获取当前文件属性
2. 如果传入F_SETFL：可以设置文件的属性，可以设置O_NONBLOCK将该文件描述符的属性设置为非阻塞
一旦将文件描述符设置为非阻塞状态，那么它的返回状态有4种情况
1. 成功，返回值大于0
2. 读到文件末尾，返回值等于0
3. 读失败，IO事件没有就绪，错误码被设置为11（EAGAIN or EWOULDBLOCK）或者（EINTER）代表这次IO被信号中断，需要重新读取
4. 读失败，真正读失败，错误码不等于EAGAIN or EWOULDBLOCK or EINTER

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>int main()
{char buff[128] = {0};int sl = fcntl(0, F_GETFL);if (sl < 0) {perror("fcntl");abort();}fcntl(0, F_SETFL, O_NONBLOCK|sl);while (true){printf("please enter# ");fflush(stdout);ssize_t n = read(0, buff, sizeof(buff)-1);if (n > 0) {buff[n-1] = 0;printf("echo# %s\n", buff);  }   else if (n == 0){std::cout << "读到文件末尾！" << std::endl;break;}else{if (errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK){sleep(1);std::cout << "数据没有准备好 " << std::endl;continue;}else if (errno == EINTR){std::cout << "这次IO被信号中断,重新读取 " << std::endl;continue;}else {std::cout << "读取失败 " << std::endl;break;}}}return 0;
}

三.多路复用/多路转接

read/write系统调用，一次只能等待一个文件描述符，而接下来的select，poll、epoll可以一次等待多个文件描述符，这不同于read和write，因为select、poll、epoll只会进行等待，拷贝数据还是io系统调用完成。

3.1 select

如果要使用select进行等待多个文件描述符，我们就必须先得知道哪些文件描述符要被等待，所以我们使用select接口时，必须先设置文件描述符集。

#include <sys/select.h>
void FD_CLR(int fd, fd_set* set); 将set中的fd设置为0
void FD_ISSET(int fd, fd_set* set); 判断set中是否存在fd
void FD_SET(int fd, fd_set* set); 将set中的fd设置为1
void FD_ZERO(fd_set* set); set全部置0

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

返回值：
n > 0 ，有n个fd就绪
n==0 ，timeout
n < 0 等待失败

int nfds：等待的多个fd中，最大的fd+1

下面四个参数是输入输出型参数，你可以设置值给系统，操作系统也可以设置值返回给用户。

fd_set* readfds：
用户要告诉内核，哪些fd的读事件需要被等待
内核要告诉用户，哪些fd的读事件已经就绪

fd_set* writefds：
fd_set* exceptfds：

struct timeval
{

time_t tv_sec;
suseconds_t tv_usec:
}

struct timeval* timeout：
如果设置为nullptr，则阻塞等待，如果等待的文件描述符中有一个没有就绪，那么select就阻塞。
tv_sec:tv_usec = 0:0 ，非阻塞等待
tv_sec:tv_usec = n:0 ， n秒以内阻塞等待，否则timeout一次
输出：表示剩余时间

缺点：

每次调用select时，都需要手动设置fd集合，接口使用不方便
每次调用select时，都需要将fd集合从用户态拷贝到内核态
每次调用select时，都需要在内核中遍历传递进来的fd集合
select支持的文件描述符数量太少

第二种多路转接方案poll一定程序上解决了select的缺点，将输入输出参数分离，于是就不需要手动设置fd集合，接口使用方便许多，同时也解决了select文件描述符数量太少的缺点。

3.2 poll

返回值：
1. 大于0，几个fd就绪
2. =0，timeout
3. <0 ，等待出错

struct pollfd* fds ：等待的fd集合，可以设置检测文件描述符的哪些事件，events可以设置关心哪些事件，revents表示哪些事件触发。
1. POLLIN：读就绪
2. POLLOUT：写就绪
nfds_t nfds：fds集合的长度
int timeout：单位毫秒
1. -1：阻塞等待
2. 0：非阻塞等待
3. 0：阻塞等待n秒，然后timeout一次

第三种多路复用技术epoll，解决了上述select和poll的缺点。

3.3 epoll

epoll接口

创建epoll模型：

int size：设置一个大于0的值就行，这个参数被忽略
返回值：返回一个epoll文件描述符

控制epoll模型：

功能：用户告诉内核哪个fd的什么事件需要被关心

int epfd：epoll_create的返回值
int op：对epoll模型的操作
EPOLL_CTL_ADD
EPOLL_CTL_DEL
EPOLL_CTL_MOD

int fd：操作的目标fd
event：关心的事件

等待事件就绪：

int epfd：对某个epoll模型操作
struct epoll_event* events：输出型参数，告诉程序员哪些事件就绪
int maxevents：events的长度
int timeout：效果同timeout

events：填写下面

epoll原理

在我们调用epoll_create时，操作系统会为我们创建一个epoll模型，这个模型中有包含三个机制：红黑树、就绪队列、回调机制。所谓epoll模型就是一个结构体，当你调用epoll_create时，os会创建一个结构体，然后创建一个struct file将这个epoll结构体放入这个文件结构体中，给用户返回一个文件描述符，用户就可以通过文件描述符来找到这个epoll模型，进而对这个epoll模型进行操作。这三个机制解决了select和poll的缺点。这颗红黑树就相当于在select和poll中用户定义的第三方fd表，程序员调用epoll_ctl可以操作这棵树；就绪队列保存了已经就绪的文件描述符。当底层有文件就绪时，文件结构体内的回调函数就会被调用，将红黑树中的节点链入就绪队列中，这不像select和poll还需要每次遍历文件描述符集才能确定哪个文件就绪，时间复杂度从n变为了1。当程序员调用epoll_wait接口时，其底层只需要判断就绪队列是否为空即可，也不需要遍历检测。

让我们回想下select的缺点，1.用户需要每次手动设置关心的fd 2.需要将第三方fd数组拷贝到内核 3.内核在底层要遍历fd集 4.fd数量太少。其中1和4这两个缺点poll解决了，但是2和3这两个缺点是select和poll都有的，而epoll在底层实现了红黑树解决了缺点2，回调机制解决了缺点3。所以epoll的效率极高。