【网络编程】IO多路复用

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        IO多路复用是一种高效的I/O处理方式，它允许单个进程能够同时监视多个文件描述符（sockets、文件等），并在其中任何一个文件描述符准备好进行I/O操作时进行处理。它的核心在于使用少量的线程或进程来管理多个I/O操作，以提高系统的性能和响应速度。

一、概念

1. IO多路复用的核心

        文件描述符集合：使用一个数据结构（如数组或位图）来管理多个文件描述符，通常使用select、poll或epoll等系统调用来监视这些文件描述符。

        阻塞与非阻塞：IO多路复用可以与阻塞和非阻塞I/O一起使用。非阻塞I/O允许程序立即返回，而不必等待数据准备好。

        事件驱动：当一个或多个文件描述符准备好进行读取或写入操作时，IO多路复用会触发相应的事件，从而通知应用程序执行相应的操作。

        单线程/多线程：IO多路复用可以由单个线程或多个线程来处理，取决于应用程序的需求。通常，单个线程可以管理多个文件描述符。

2. 四种IO模型

阻塞IO模型（Blocking IO）

        ① 阻塞IO模型是最简单的IO模型之一；
        ② 当程序执行IO操作时，它会被阻塞，直到IO操作完成为止；
        ③ 这种模型的效率较低，因为程序在等待IO完成期间无法执行其他任务。

非阻塞IO模型（Non-blocking IO）

        ① 非阻塞IO模型允许程序在等待IO完成时继续执行其他任务；
        ② 当程序请求IO操作时，它会立即返回，不会被阻塞；
        ③ 程序需要不断轮询以检查IO操作是否完成，这可能会导致CPU资源浪费。

多路复用IO模型（IO Multiplexing）

        ① 多路复用IO模型使用了一种机制，允许程序同时等待多个IO操作的完成；
        ② 通常使用select、poll或epoll等系统调用来实现；
        ③ 程序可以同时监视多个文件描述符，只有当其中某个文件描述符有IO事件发生时，程序才会被唤醒处理该事件。

异步IO模型（Asynchronous IO）

        ① 异步IO模型中，程序发起IO操作后立即返回，不会阻塞；
        ② 当IO操作完成时，系统会通知程序，然后程序处理完成的数据；
        ③ 这种模型的效率很高，因为程序不需要轮询，但实现复杂度较高。

        因此IO复用的核心基本思想为：先构造一张有关描述符的表，然后调用一个函数。当这些文件描述符中的一个或多个已准备好进行I/O时函数才返回。函数返回时告诉进程哪些描述符已就绪，可以进行I/O操作。

3. IO复用的优点

• 高效利用CPU：相较于传统的多线程/多进程模型，IO多路复用可以减少线程/进程的创建和切换开销，提高CPU的利用率。

• 减少资源占用：减少了每个连接的资源消耗，因为不再需要为每个连接创建一个线程或进程。

• 简化程序逻辑：IO多路复用可以简化程序的逻辑，使得代码更易于维护和理解。

二、代码实现（TCP服务器端为例）

1. 创建监听套接字socket

	// 创建套接字socket
	int ser_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	if (ser_socket == -1)
	{
		perror("socket");
		return -1;
	}
 
	int reuse = 1;
	//设置套接字属性，  SO_REUSEADDR 允许端口重用 
    if(setsockopt(ser_socket, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, (void *)&reuse, sizeof(reuse))<0)
    {
        perror("setsockopt error");
        return -1;
    }

2. 初始化套接字和服务器自己的IP地址结构体（包括端口号）

// 初始化地址结构体 // IP地址+PORT端口号
	struct sockaddr_in addr;
	addr.sin_family = AF_INET;   						//地址簇
	addr.sin_port = atoi(argv[1]);								//端口（一般以传参的传进来）
	// addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.1.25");	//IP地址
	addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);			//用特殊的"0.0.0.0"这个IP来绑定本机IP地址

3. 绑定bind

// 绑定地址结构体bind
	int b = bind(ser_socket, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(struct sockaddr_in));
	if(b == -1)
	{
		perror("bind");
		return -1;
	}
	printf("绑定成功\n");

4. 开启监听listen

int l = listen(ser_socket, 3);
	if (l == -1)
	{
		perror("listen");
		return -1;
	}
	printf("监听成功\n");//ser_socket由 待链接套接字 变成 监听套接字

5. 创建文件描述符集合，并初始化

        这里呢设置了套接字超时，就是在规定的时间内如果没有客户端连接，则退出服务器。

//设置套接字接收超时
	struct timeval tv;
	tv.tv_sec = 5; //超时秒数
	tv.tv_usec = 0;
    setsockopt(ser_socket, SOL_SOCKET, SO_RCVTIMEO, &tv, sizeof(tv)); 
 
	// 等待连接accept
	struct sockaddr_in c_addr;		//用来存放客户端链接成功之后的IP加端口
	int addrlen = sizeof(c_addr);
	int new_socekt = accept(ser_socket, (struct sockaddr *)&c_addr, &addrlen);
	if (new_socekt == -1)
	{
		printf("延时时间到了，服务器退出了\n");
		perror("accept");
		return -1;
	}
	// new_socekt 链接成功之后，用来通信的套接字
	printf("客户端【%s】【%u】连接成功\n", inet_ntoa(c_addr.sin_addr), c_addr.sin_port);
	//客户端的IP跟端口，IP是你客户端本身自带的，但是端口是系统随机分配的啊
 
	// 接收消息read/recv
	char buf[1024];
	while(1)
	{
		bzero(buf, sizeof(buf));
		read(new_socekt, buf, sizeof(buf));
		// recv(new_socekt, buf, sizeof(buf), 0);
		printf(" client %s\n", buf);
	}

6. 资源释放，关闭套接字

close(new_socekt);
	// shutdown(new_socekt, SHUT_RDWR);

三、使用场景

       1. 网络服务器： IO复用常用于网络服务器，特别是需要同时处理大量客户端连接的情况，例如Web服务器、聊天服务器和在线游戏服务器。

       2. 网络代理： 代理服务器需要同时监听多个客户端和服务器连接，以便在它们之间传递数据，这是IO复用的典型应用场景。

        3. 聊天应用： 实时聊天应用通常需要处理多个客户端的消息，IO复用可以用于同时监视多个客户端连接，以便实时传递消息。

        4. 文件传输应用： 文件传输服务器需要同时处理多个文件上传或下载请求，使用IO复用可以有效管理这些请求。

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