Linux系统开发（1）：IO多路复用

IO即输入输出，是主存和外部设备（磁盘驱动器、终端和网络）之间复制数据的过程。

IO过程

1. 应用程序进程向操作系统发起IO调用请求；
2. 操作系统将外部设备的数据加载到内核缓冲区；
3. 操作系统将内核缓冲区的数据拷贝到进程缓冲区；
4. 应用程序得到数据完成操作

IO模型
（1）阻塞IO：内核数据没有准备好，应用程序一直等待，一直到内核数据从内核拷贝到用户空间返回成功。
（2）非阻塞IO：内核数据没有准备好，返回错误到应用程序，应用程序再次轮询请求（应用程序不断进行系统调用）。
（3）IO多路复用：提供函数（select、poll、epoll）监控多个文件描述符的操作，一旦有任意内核数据就绪，函数返回可读状态，应用程序才进行系统调用。
（4）信号驱动IO：内核在数据就绪后通过信号通知应用程序，应用程序调用读取数据。
（5）异步IO：应用程序调用后立即返回，内核数据准备好后才拷贝到进程缓冲区，发送信号通知操作执行完毕。

select函数
select实现多路复用的方式是，将已连接的Socket都放入到一个文件描述符集合，然后调用select函数将文件描述符拷贝到内核里，让内核来检验是否有事件产生，检查的方式很粗暴，就是通过遍历文件描述符集合的方式，当检查到有事件产生后，将该Socket标记为可读或可写，接着再将整个文件描述符集合拷贝回用户态，然后用户态再通过遍历的方法找到可读或者可写的Socket，然后对其处理。

int select(int n, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
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timeval结构表示一个是时间值，表示等待的时间长度，tv_sec表示秒，tv_usec表示微秒。

struct timeval {
	time_t tv_sec;
	time_t tv_usec;
};
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fd_set是一组文件句柄的集合。长度为16的位图数组（64位），一位表示一个文件描述符，共1024位。

typedef long int __fd_mask; // 位掩码数据类型，用于描述一组文件描述符

#define __NFDBITS	(8 * (int) sizeof (__fd_mask)) //8*8=64,（64位）

typedef struct
  {
#ifdef __USE_XOPEN
    __fd_mask fds_bits[__FD_SETSIZE / __NFDBITS];//__FD_SETSIZE宏定义为1024
# define __FDS_BITS(set) ((set)->fds_bits)
#else 
    __fd_mask __fds_bits[__FD_SETSIZE / __NFDBITS];
# define __FDS_BITS(set) ((set)->__fds_bits)
#endif
  } fd_set;
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FD_CLR从文件句柄组里删除一个文件句柄
FD_ISSET判断一个文件句柄是否在一个组内
FD_SET添加一个文件句柄到一个组，将socket对应的位置1，执行select后若socket可读或可写，对应的位置1否则置零。
FD_ZERO清空一个文件句柄组。

int socketId;
fd_set fdRead;
struct timeval timeout;

timeout.tv_sec = 5;
timeout.tv_usec = 0;

while(1) {
	FD_ZERO(&fdRead);
	FD_SET(socketId, &fdRead);//
	
	switch (select(socketId + 1, &fdRead, nullptr, nullptr, &timeout)) {
		case -1://出错
			cout << "error" << endl;
			break;
		case 0://超时
			cout << "timeout" << endl;
			break;
		default://判断套接字
			if (FD_ISSET(socketId)) {
				cout << "return Data" << endl;
				break;
			}
	}
}
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poll函数

int poll(struct polled *ufds, unsigned int nfds, int timeout);
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使用pollfd类型的结构来监控一组文件句柄，ufds是监控的文件句柄集合，nfds是监控的文件句柄数量，timeout指定等待的毫秒数。

struct pollfd {
	int fd;
	short events;
	short revents;
};
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向poll函数传一个pollfd的数组，用于监控多个文件描述符，events是监控事件描述符的掩码，是用户感兴趣的事件；revents是文件描述符监控事件返回的掩码，是实际发生的事件。

int socketId;
struct pollfd pollfds;
int timeout;

timeout = 5000;
pollfds.fd = socketId;
pollfds.events = POLLIN | POLLPRI;//等同于select的读事件

while(1) { 
	switch (poll(&pollfds, 1, timeout)) {
		case -1://出错
			cout << "error" << endl;
			break;
		case 0://超时
			cout << "timeout" << endl;
			break;
		default://判断套接字
			if (FD_ISSET(socketId)) {
				cout << "return Data" << pollfds.revents << endl;
				break;
			}
	}
}
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epoll函数
epoll_create：内核在epoll文件系统里建了个file结点，建立文件对象对应的红黑树，构建一个list链表。

epoll_ctl：传递socket到内核，在红黑树上构建节点、此外在内核中断处理程序注册对应的回调函数，当句柄发生中断，内核将句柄放到list链表中。

epoll_wait：观察list链表里是否有数据。有数据就返回，没有数据就sleep，等到timeout后返回。epoll_wait返回时仅需要从内核态copy少量的句柄（已准备就绪的）到用户态。

参考：
https://zhuanlan.zhihu.com/p/439770090
https://zhuanlan.zhihu.com/p/93609693
https://www.cnblogs.com/zhaoxinshanwei/p/3875739.html
《Linux系统开发详解》