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基于I/O复用的服务器端
多进程服务器缺点：
- 创建进程时需要大量的运算和内存空间， 由于每个进程都具有独立的内存空间，所以相互间的数据交换也要求采用相对复杂的方法 (IPC （管道）属于相对复杂的通信方法)
理解复用
人不是同时说话----时分复用
双方说话频率不一样----频分复用
复用技术在服务器端的应用
无论连接多少客户端，提供服务的进程只有一个！
IO模型
[1]blockingIO - 同步阻塞IO
[2]nonblockingIO - 非阻塞IO
[3]signaldrivenIO - 信号驱动IO
[4]asynchronousIO - 异步IO
[5]IOmultiplexing - IO多路复用
同步阻塞 IO (Blocking IO)
原理：
- 进程发起 IO 操作后会被阻塞，直到内核完成数据准备并将其复制到用户空间，进程才会继续执行。
- 主要特点是进程阻塞挂起不消耗CPU资源，能及时响应每个操作；实现难度低，
应用场景
- 连接数少且 IO 操作耗时短的场景，像文件下载这种大资源的操作就不适合；
- 适用并发量小的网络应用开发，不适用并发量大的应用，因为每一个请求IO会阻塞进程，所以每请求分配一个处理进程（线程）去响应，系统开销大。
#include <iostream>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
int main() {
int server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
// 绑定和监听...
while (true) {
int client_fd = accept(server_fd, nullptr, nullptr); // 阻塞等待连接
char buffer[1024] = {
0};
int valread = read(client_fd, buffer, 1024); // 阻塞等待数据
std::cout << "Read: " << buffer << std::endl;
// 处理数据...
}
}
非阻塞式I/O模型：
原理：
- 进程发起 IO 操作后立即返回，通过主动轮询（Polling）方式不断检查 IO 状态，直到数据就绪
应用场景： - 连接数较多，但每个连接 IO 操作频繁且耗时短的场景。
- 适合实现轻量级轮询机制。
缺点 - 轮询消耗大量 CPU 资源，效率低。
int main() {
int fd = open("file.txt", O_RDONLY | O_NONBLOCK); // 设置非阻塞
char buffer[1024];
while (true) {
int n = read(fd, buffer, 1024);
//内核缓冲没数据时，read返回-1，errno此时为EAGAIN表示是轮训发现没数据直接返回了
if (n == -1 && (errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK)) {
// 数据未就绪，继续轮询
std::cout << "Polling..." << std::endl;
usleep(1000);
} else {
// 数据就绪，处理数据
std::cout << "Read: " << buffer << std::endl;
break;
}
}
}
信号驱动IO
原理：
- 进程通过
sigaction注册信号处理函数，内核在数据就绪时发送 SIGIO 信号通知进程。
流程： - 进程注册信号处理函数 → 继续执行其他任务 → 当内核数据就绪时会发送一个信号给进程，进程便在信号处理函数中调用IO读取数据`
应用场景 - 需要异步通知但不要求立即处理的场景。
- 适合处理少量但重要的 IO 事件。
特点：回调机制，实现、开发应用难度大；
void signal_handler(int signum) {
if (signum == SIGIO) {
// 数据就绪，读取数据
char buffer[1024];
read(fd, buffer, 1024);
std::cout << "Read: " << buffer << std::endl;
}
}
int main() {
signal(SIGIO, signal_handler);// 进程注册信号处理函数
fcntl(fd, F_SETOWN, getpid()); // 设置进程为信号接收者
fcntl(fd, F_SETFL, O_ASYNC); // 启用异步 IO
// 继续执行其他任务...
}
异步IO
原理：
- 当进程发起一个IO操作，进程返回（不阻塞），但也不能返回果结；内核把整个IO处理完后，会通知进程结果。如果IO操作成功则进程直接获取到数据
特点：
- 不阻塞，数据一步到位；Proactor模式；
- 需要操作系统的底层支持，LINUX 2.5 版本内核首现，2.6 版本产品的内核标准特性；
- 实现、开发应用难度大；
- 非常适合高性能高并发应用；
IO复用模型
https://blog.youkuaiyun.com/weixin_45905650/article/details/123181040IO多路复用、同步、异步、阻塞和非阻塞的区别
并发服务器的第二种实现方法一一基于I/O复用( Multi-plexing) 的服务器端构建
IO 复用（I/O Multiplexing）是一种在一个线程中并发处理多个 I/O 操作的机制，允许一个进程或线程监视多个文件描述符（sockets、files、pipes等），并在其中任意一个文件描述符就绪（可读或可写）时进行操作。这种机制主要用于提高系统的性能和效率，特别是在处理大量并发连接或事件时非常有用。.
IO分两阶段：
- 数据准备阶段
- 内核空间复制回用户进程缓冲区阶段。如下图：
I/O多路复用就是通过一种机制，一个进程可以监视多个描述符，一旦某个描述符就绪（一般是读就绪或者写就绪），能够通知程序进行相应的读写操作。
- select，poll，epoll本质上都是同步I/O，因为他们都需要在读写事件就绪后自己负责进行读写，也就是说这个读写过程是阻塞的，
- 异步I/O则无需自己负责进行读写，异步I/O的实现会负责把数据从内核拷贝到用户空间
select
函数介绍
slelect函数
使用流程
- 先思考
- 是否存在套接字接收数据?—读文件描述符集
- 无需阻塞传输数据的套接字有哪些？—写文件描述符集
- 哪些套接字发生了异常？—异常文件描述符集
-
设置文件描述符
- 不超过1024，因为监视的机制是轮询机制，监视太多效率低，此时首先需要将要监视的文件描述符按照监视项(接收、传输、异常) 进行区分，即按照上述 3种监视项分。
- 使用fd_set数组（存有0和1的位数组）：
- 在fd-set变量中注册或更改值的操作都由下列宏完：
-
指定监视范围
- select 函数要求通过 第一个参数传 监视对象文件描述符的数量 ，因此，需要得到注册在fd_set变量中的文件描述符 ，但每次新建文件描述符时，其值都会增1 ，故只需将最大的文件描述符值加1再传递到select 函数即可，加1 是因为文件描述符的值从 0开始
-
超时时间
- select是阻塞操作 ，当然要设置超时事件
- timeval结构体定义如：
- 超时后， select 函数返回0。 因此，可以通过返回值了解返回原因
-
调用 select 函数后查看结果
- select函数调用完成后，向其传递的fd_set中将发生变化， 原来为1的所有位均变为0 ，但发生变化的文件描述符对应位除外。 因此，可以认为值仍为 1的位置上的文件描述符发生了变化。
- select函数调用完成后，向其传递的fd_set中将发生变化， 原来为1的所有位均变为0 ，但发生变化的文件描述符对应位除外。 因此，可以认为值仍为 1的位置上的文件描述符发生了变化。
原理
原理流程
- fd_set拷贝到内核->内核轮询->有事件/超时时，再次轮询->标记fd_set发生事件的fd->内核态拷贝到用户态->用户态轮询哪个fd有事件；
当用户process调用select的时候
-
用户态到内核态的数据拷贝：
select每次调用时，会将readfds、writefds、exceptfds从用户空间拷贝到内核空间（用户态拷贝到内核态）。这是一个 O(n) 的操作，当监控的文件描述符（FD）数量很大时，开销显著。
-
轮询检查可读事件：
- 内核遍历所有监控的 FD，调用对应的
poll函数检查是否有数据可读 / 可写。如果没有事件，进程进入睡眠。
- 当有事件发生或超时，内核再次遍历所有 FD，将就绪的 FD 标记在原 fd_set 中返回给用户（无变化的fd置为0，有变化的仍保持为1）（内核态拷贝到用户态）
- 内核遍历所有监控的 FD，调用对应的
-
用户态再次轮询：
- 用户程序需要遍历所有 FD，通过
FD_ISSET判断哪些 FD 就绪。这是第二个 O(n) 的操作。
- 用户程序需要遍历所有 FD，通过
select问题
- 重复拷贝开销：每次调用select，都需要把被监控的fds集合从用户态空间拷贝到内核态空间，即使大部分 FD 未发生变化。高并发场景下这样的拷贝会使得消耗的资源是很大的。
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