服务器（I/O）之多路转接

五种IO模型

1、阻塞等待：在内核将数据准备好之前，系统调用会一直等待。所有的套接字，默认都是阻塞方式。

2、非阻塞等待：如果内核没有将数据准备好，系统调用仍然会返回，并且会返回EWUOLDBLOCK或者EAGAIN错误码。

3、信号驱动：内核将数据准备好的时候，使用SIGIO信号通知应用程序进行IO操作。

4、多路转接（多路转接）：能够同时等待多个文件句柄的就绪状态。

5、异步IO：由内核在数据拷贝完成时，通知应用程序。（而信号驱动是告诉应用程序什么时候可以开始拷贝数据）。

前四种都属于同步IO，第五种属于异步IO。同步IO和异步IO，区别在于同步IO会参与IO结果的获取的过程。而异步IO则是不会参与IO结果获取的过程，直接拿到最终的IO结果。

IO的本质就是等和拷贝数据。也就是说没有数据的时候，就需要等待数据，当有数据的时候，再将数据拷贝走。而高效的IO，要达到高效，关键在于减少等的比重才能达到效果。在上述的五种IO模型中，多路转接的方式，一次等待多个文件描述符，在某种意义上等的效率更高，也就是说一次等通知多个就绪能够进行拷贝的文件描述符。

I/O多路转接之select

select系统调用是用来让我们的程序监视多个文件描述符的状态变化的; 程序会停在select这里等待，直到被监视的文件描述符有一个或多个发生了状态改变;

函数原型

参数解释：

nfds表示最大文件描述符+1。

readfds、writefds、exceptfds（位图结构）分别需要检测的可读文件描述符集合、可写文件描述符集合和异常文件描述符集合。

timeout表示设置select()的等待时间。（timeout取值（NULL、0、特定时间）

NULL表示阻塞等待，

0则表示仅检测描述符集合的状态，然后立即返回，

特定时间值表示select的等待时间）。

操作fd_set位图结构的接口

函数返回值

执行成功---->则返回文件描述符状态已改变的个数

如果返回0---->代表在描述词状态改变前已超过timeout时间，没有返回

当有错误发生时则---->返回-1，错误原因存于errno，此时参数readfds，writefds, exceptfds和timeout的 值变成不可预测。

select特点

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。

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。

select缺点

每次调用select, 都需要手动设置fd集合, 从接口使用角度来说也非常不便.

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

每次调用select都需要在内核遍历传递进来的所有fd，这个开销在fd很多时也很大

select支持的文件描述符数量太小

I/O多路转接之poll

函数原型

参数解释：

fds是一个poll函数监听的结构列表. 每一个元素中, 包含了三部分内容: 文件描述符, 监听的事件集合, 返回的事件集合.

其中events和revents的取值可以为如下。比如POLLIN或者POLLOUT但是某一位为1的宏，可以设置进events或者内核设置进revents中。

nfds表示fds数组的长度

timeout表示poll函数的超时时间, 单位是毫秒(ms).

返回值

返回值  <  0, 表示出错;

返回值  =  0, 表示poll函数等待超时;

返回值  >  0, 表示poll由于监听的文件描述符就绪而返回

poll的优点

不同与select使用三个位图来表示三个fdset的方式，poll使用一个pollfd的指针实现

        pollfd结构包含了要监视的event和发生的event，不再使用select“参数-值”传递的方式. 接口使用比 select更方便

        poll并没有最大数量限制 (但是数量过大后性能也是会下降，因为需要轮询的检测就绪的事件).

poll的缺点

在监听的文件句柄增多时

和select函数一样，poll返回后，需要轮询pollfd来获取就绪的描述符.

每次调用poll都需要把大量的pollfd结构从用户态拷贝到内核中.

同时连接的大量客户端在一时刻可能只有很少的处于就绪状态, 因此随着监视的描述符数量的增长, 其效率也会线性下降.

I/O多路转接之epoll

函数原型

创建epoll句柄

epoll的函数与select和poll的函数不同，epoll的函数有三个分别独立完成各自功能。

参数size表示所创建的epoll模型，最大能监听文件句柄的数目。

返回值

success -----> return 正数。fail -----> return -1

将要监控的文件描述符进行注册

参数：

        epfd表示我们所创建的epoll模型的文件句柄。

        op表示关心添加的文件句柄的什么行为。用三个宏来表示。

                EPOLL_CTL_ADD ：注册新的fd到epfd中；

                EPOLL_CTL_MOD ：修改已经注册的fd的监听事件；

                EPOLL_CTL_DEL ：从epfd中删除一个fd；

        fd表示我们需要添加关心的文件句柄

        event表示我们关心添加的文件句柄的什么事件。epoll_event结构体如下：

                

                其中events可以是一下宏的集合

返回值：

success -----> return 0。fail -----> return -1

等待文件描述符就绪

参数：

        epfd表示我们所创建的epoll模型的文件句柄。

        events表示系统监听到文件句柄的事件就绪并拷贝至用户的结构体数组

        maxevents表示events数组的大小。

        timeout表示超时时间（毫秒，0会立即返回，-1是永久阻塞）。

返回值：

        success ----> return 就绪的文件描述符的个数。

        超时  ----->  return 0

        fail  ----> return -1

多路转接的工作原理

首先，epoll的使用是一个单进程，因此我们可以通过进程找到对应的epoll句柄。

select和poll的原理：忽略其中的1、2和文件句柄，就单单看3。当外设将数据通过驱动刷新到对应文件句柄中，该文件句柄就就绪了。但是使用者需要轮询遍历3这个队列。

epoll的原理：现在我们需要将上图看作一个整体，epoll模型中存在一个红黑树存放关心的文件句柄，并带有回调函数。当外设将数据通过驱动刷新到对应文件句柄中，该文件句柄就就绪了。然后调用其回调函数，将3中就绪的文件句柄添加到2中的就绪队列中。也就是说，epoll不用再轮询遍历3这个队列了，直接遍历2这个就绪队列就能拿到所有就绪的文件句柄了。

        其次，epoll中维护着红黑树、就绪队列等数据结构，在Linux中都是交由文件管理的。着就是为什么要创建epoll模型，也就是epoll文件句柄了。

        epoll中的三个函数epoll_create、epoll_ctl、epoll_wait，epoll_create函数负责创建句柄，并初始化队列3的大小。epoll_ctl函数负责向红黑树中添加关心的文件句柄，并注册回调函数。epoll_wait函数则是遍历就绪队列2，拿到就绪的文件句柄。