Linux网络编程(四)

原创已于 2022-06-28 14:54:58 修改 · 426 阅读

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#linux #网络 #服务器

于 2022-06-25 14:35:37 首次发布

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1.IO多路复用(IO多路转接)

I/O多路复用使得程序能同时监听多个文件描述符，能够提高程序的性能，Linux 下实现 I/O 多路复用的系统调用主要有 select、poll 和 epoll。

BIO(blocking IO)模型

通过多线程或进程处理多个客户端，每个线程/进程对应一个客户端
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NIO模型

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IO多路转接技术

select/poll：
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epoll：

2.select

select原理

首先要构造一个关于文件描述符的列表，将要监听的文件描述符添加到该列表中；
调用一个系统函数(函数是阻塞的)，监听该列表中的文件描述符，直到这些描述符中的一个或者多个进行I/O操作时，该函数才返回(函数对文件描述符的检测的操作是由内核完成的)。
在返回时，函数会告诉进程有多少（哪些）描述符要进行I/O操作。

select相关函数

// sizeof(fd_set) = 128 1024 
#include <sys/time.h> 
#include <sys/types.h> 
#include <unistd.h> 
#include <sys/select.h> 
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout); 
    参数： 
         - nfds : 委托内核检测的最大文件描述符的值 + 1 
         - readfds : 要检测的文件描述符的读的集合，委托内核检测哪些文件描述符的读的属性 
                     - 一般只检测读操作 
                     - 对应的是对方发送过来的数据，因为读是被动的接收数据，检测的就是读缓冲区 
                     - 是一个传入传出参数 
         - writefds : 要检测的文件描述符的写的集合，委托内核检测哪些文件描述符的写的属性 
                      - 委托内核检测写缓冲区是不是还可以写数据（不满的就可以写） 
         - exceptfds : 检测发生异常的文件描述符的集合
         - timeout : 设置的超时时间
                     struct timeval { 
                            long tv_sec; /* seconds */ 
                            long tv_usec; /* microseconds */ 
                     };
                     - NULL : 永久阻塞，直到检测到了文件描述符有变化 
                     - tv_sec = 0 tv_usec = 0， 不阻塞 
                     - tv_sec > 0 tv_usec > 0， 阻塞对应的时间 
         - 返回值 : - -1 : 失败 
                   - >0(n) : 检测的集合中有n个文件描述符发生了变化

// 将参数文件描述符fd对应的标志位设置为0 
void FD_CLR(int fd, fd_set *set); 
// 判断fd对应的标志位是0还是1， 返回值 ： fd对应的标志位的值，0，返回0， 1，返回1 
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set); 
// 将参数文件描述符fd 对应的标志位，设置为1 
void FD_SET(int fd, fd_set *set);
// fd_set一共有1024 bit, 全部初始化为0 
void FD_ZERO(fd_set *set);

select()工作过程分析

客户端A、B、C、D对应的描述符为3、4、100、101，并连接到服务器，
假设要检测读时间，那么首先创建fd_set_reads集合，fd_set有1024个比特位，每一个比特位对应一个文件描述符；
要检测这四个客户端是否有数据到达，就通过FD_SET()将客户端对应的描述符的标志位置为1，然后调用select()，将fd_set从用户态拷贝到内核态；
假设A、B发送了数据，那么内核从0遍历到101，当遍历到3-4时发现有数据，就将3-4置为1，当遍历到100-101时发现没有数据，就将100-101置为0；
内核检测完成后将fd_set从内核态拷贝到用户态，遍历fd_set发现3-4发生变化、接收到了数据。
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select()缺点

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3.poll

poll相关函数

对select()的改进，实现原理类似

#include <poll.h> 
struct pollfd { 
    int fd;         //委托内核检测的文件描述符
    short events;   //委托内核检测文件描述符的什么事件
    short revents;  //文件描述符实际发生的事件
};

例如：
struct pollfd myfd; 
myfd.fd = 5; 
myfd.events = POLLIN | POLLOUT; 

int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout); 
参数：
     - fds : 是一个struct pollfd 结构体数组，需要检测的文件描述符的集合 
     - nfds : 第一个参数数组中最后一个有效元素的下标 + 1 
     - timeout : 阻塞时长 
                 0 : 不阻塞 
                 -1 : 阻塞，当检测到需要检测的文件描述符有变化，解除阻塞 
                 >0 : 阻塞的时长 
返回值： 
       -1 : 失败 
       >0（n） : 成功,n表示检测到集合中有n个文件描述符发生变化

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poll()缺点

poll()改进了select()支持的文件描述符数量太小和fds集合不能重用的缺点，但依然每次调用poll()时需要把fd集合从用户态拷贝到内核态，并且在内核态遍历传递进来的所有fd.

4.epoll()

epoll原理

通过epoll_create在内核创建一个epoll实例(eventpoll结构体类型)，返回值是一个文件描述符，可以通过文件描述符使用epoll API操作内核中的epoll实例；
通过epoll_ctl()委托内核向eventpoll数据结构中添加要检测数据发送改变的文件描述符的信息，在eventpoll数据结构中，有两个重要的成员：rbr是需要检测的文件描述符的信息（红黑树），rdlist是就绪列表，存放检测到数据发生改变的文件描述符信息（双向链表）；
通过epoll_wait()委托内核检测eventpoll数据结构中是否有数据发生改变，如果有就发生改变的文件描述符信息存储到rdlist中，并将改变了的数据返回；
最后通过for循环遍历数据发生改变的数据进行读写操作。
在这里插入图片描述

epoll相关函数

#include <sys/epoll.h> 
int epoll_create(int size); 
参数：
     size : 没有意义，任意一个大于0的数都可 
返回值： -1 : 失败 
        > 0 : 文件描述符，操作epoll实例的

// 对epoll实例进行管理：添加文件描述符信息，删除信息，修改信息 
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event); 
    参数： 
         - epfd : epoll实例对应的文件描述符 
         - op : 要进行什么操作 
                EPOLL_CTL_ADD: 添加 
                EPOLL_CTL_MOD: 修改 
                EPOLL_CTL_DEL: 删除 
         - fd : 要检测的文件描述符 
         - event : 检测文件描述符什么事情，读还是写

struct epoll_event { 
    uint32_t events;      //Epoll检测事件
    epoll_data_t data;    //用户数据信息
};
常见的Epoll检测事件： 
   - EPOLLIN
   - EPOLLOUT 
   - EPOLLERR 
typedef union epoll_data { 
    void *ptr; 
    int fd; 
    uint32_t u32; 
    uint64_t u64; 
} epoll_data_t; 

// 检测函数 
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout); 
    参数：
         - epfd : epoll实例对应的文件描述符 
         - events : 传出参数，保存了发送了变化的文件描述符的信息(与epoll_ctl不一样)
         - maxevents : 第二个参数结构体数组的大小 
         - timeout : 阻塞时间 
                     0 : 不阻塞 
                     -1 : 阻塞，直到检测到fd数据发生变化，解除阻塞 - 
                     > 0 : 阻塞的时长（毫秒） 
返回值： - 成功，返回发送变化的文件描述符的个数 > 0 
        - 失败，返回-1

epoll的两种工作模式

LT模式(水平触发)

LT（level - triggered）是缺省的工作方式，并且同时支持 block 和 no-block socket。在这种做法中，内核告诉你一个文件描述符是否就绪了，然后你可以对这个就绪的 fd 进行 IO 操作。如果你不作任何操作，内核还是会继续通知你的。

示例：
假设委托内核检测读事件 -> 检测fd的读缓冲区
读缓冲区有数据 - > epoll检测到了会给用户通知
a.用户不读数据，数据一直在缓冲区，epoll 会一直通知
b.用户只读了一部分数据，epoll会通知
c.缓冲区的数据读完了，不通知

ET模式(边沿触发)

ET（edge - triggered）是高速工作方式，只支持 no-block socket。在这种模式下，当描述符从未就绪变为就绪时，内核通过epoll告诉你。然后它会假设你知道文件描述符已经就绪，并且不会再为那个文件描述符发送更多的就绪通知，直到你做了某些操作导致那个文件描述符不再为就绪状态了。但是请注意，如果一直不对这个 fd 作 IO 操作（从而导致它再次变成未就绪），内核不会发送更多的通知（only once）。

ET 模式在很大程度上减少了 epoll 事件被重复触发的次数，因此效率要比 LT 模式高。epoll工作在 ET 模式的时候，必须使用非阻塞套接口，以避免由于一个文件句柄的阻塞读/阻塞写操作把处理多个文件描述符的任务饿死。

示例：
假设委托内核检测读事件 -> 检测fd的读缓冲区
读缓冲区有数据 - > epoll检测到了会给用户通知
a.用户不读数据，数据一致在缓冲区中，epoll下次检测的时候就不通知了
b.用户只读了一部分数据，epoll不通知
c.缓冲区的数据读完了，不通知

struct epoll_event { 
    uint32_t events;      //Epoll检测事件
    epoll_data_t data;    //用户数据信息
};
常见的Epoll检测事件： 
   - EPOLLIN
   - EPOLLOUT 
   - EPOLLERR
   - EPOLLET     //设置边沿触发

EPOLLONESHOT事件

即使使用 ET 模式，一个socket 上的某个事件还是可能被触发多次。这在并发程序中就会引起一个问题。比如一个线程在读取完某个socket上的数据后开始处理这些数据，而在数据的处理过程中该socket 上又有新数据可读（EPOLLIN 再次被触发），此时另外一个线程被唤醒来读取这些新的数据。于是就出现了两个线程同时操作一个 socket 的局面。一个socket连接在任一时刻都只被一个线程处理，可以使用epoll 的 EPOLLONESHOT 事件实现。

对于注册了 EPOLLONESHOT 事件的文件描述符，操作系统最多触发其上注册的一个可读、可写或者异常事件，且只触发一次，除非我们使用 epoll_ctl 函数重置该文件描述符上注册的 EPOLLONESHOT 事件。这样，当一个线程在处理某个 socket 时，其他线程是不可能有机会操作该 socket 的。但反过来思考，注册了 EPOLLONESHOT 事件的 socket 一旦被某个线程处理完毕，该线程就应该立即重置这个socket 上的 EPOLLONESHOT 事件，以确保这个 socket 下一次可读时，其 EPOLLIN 事件能被触发，进而让其他工作线程有机会继续处理这个 socket。