IO模型---IO多路复用

一、IO多路复用简介

允许单个线程或者进程管理多个网络连接或者文件描述符

可以通过以下几种机制实现：

1. select（表，本质就是一个结构体，成员只有一个数组）
   ① select监听的最大文件描述符个数是1024
   ② select会有清空表的过程，需要反复构造表，反复拷贝表，效率比较低
   ③ select对应的进程从休眠态被唤醒后，需要再次遍历文件描述符表找到就绪的文件描述符，效率比较低
2. poll（链表）
   ① poll监听的文件描述符没有个数限制
   ② poll没有清空表的过程，不需要反复构造表，反复拷贝表，效率比较高
   ③ poll对应的进程从休眠态被唤醒后，需要再次遍历文件描述符表，效率比较低
3. epoll（红黑树+双向链表：红黑树保存要监听的文件描述符，双向链表保存就绪的文件描述符）
   ① epoll监听的文件描述符没有个数限制
   ② epoll没有清空表的过程，不需要反复构造表，反复拷贝表，效率比较高
   ③ epoll对应的进程从休眠态被唤醒后，将就绪的文件描述符直接放到双向链表中，不需要再次遍历文件描述符表，能直接获得就绪的文件描述符，效率比较高

二、应用层相关API

（一）select

#include <sys/select.h>
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
功能：
	允许一个进程或线程管理多个文件描述符
参数：
	nfds：监听的文件描述符数量，即最大的文件描述符+1
	readfds：监听读表; 没有可以传NULL
	writefds：监听写表; 没有可以传NULL
	exceptfds：监听其他表; 没有可以传NULL
	timeout：超时时间; NULL表示会一直阻塞，直到有文件描述符就绪
返回值：
	成功返回三个集合一共就绪的文件描述符数量
	失败返回-1，重置错误码
	
//判断fd是否存在于表中
int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set);
//向表中添加成员
void FD_SET(int fd, fd_set *set);
//删除表中的成员
void FD_CLR(int fd, fd_set *set);
//清空表
void FD_ZERO(fd_set *set);

补充：fd_set
该表本质就是一个结构体，结构体中只有一个unsigned long类型(4个字节，即32位)的数组成员，该数组有32个元素，即4*8*32=1024

• 注：进程会记录自己打开的文件描述符个数，每个进程维护自己的fd，进程与进程之间的fd互不影响

（二）poll

 #include <poll.h>
int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
功能：
	允许程序同时监视多个文件描述符，查看其是否发生读、写或者错误等事件
参数：
	fds：指向pollfd结构数组的指针。每个pollfd结构代表一个要监视的文件描述符及其感兴趣的事件。
	nfds：监视的文件描述符数量，即最大的文件描述符加1
	timeout：超时时间
返回值：
	成功返回revents为非0的结构体数量
	超时没有就绪文件描述符，返回0
	失败返回-1，重置错误码
	
struct pollfd {
     
    int fd;         // 文件描述符  
    short events;   // 感兴趣的事件  
    short revents;  // 返回的事件  
};
成员：
	fd：要监视的文件描述符。
	events：通过位掩码指定的感兴趣的事件类型，如POLLIN（有数据可读）、POLLOUT（可以写入数据）等。
	revents：在调用poll后，由系统填充，表示实际发生的事件。
	nfds：fds数组中的元素数量，即要监视的文件描述符的数量。这个值通常是fds数组中最后一个元素的索引加1。
	timeout：指定等待事件的超时时间（毫秒）。
		如果timeout为-1，则poll会无限期地等待，直到某个事件发生。
		如果timeout为0，则poll会立即返回，不阻塞。
		如果timeout为正数，则poll会等待指定的毫秒数，如果在这段时间内没有事件发生，则返回

（三）epoll

更适用于高并发场景，epoll使用红黑树作为底层数据结构来维护注册的文件描述符集合，实现高效的检索和管理

#include <sys/epoll.h>
int epoll_create(int size);
功能：
	创建一个epoll实例
参数：
	@size:这是一个提示性的参数，表示epoll实例可以监视的文件描述符的数量上限。Linux 2.6.8及以后的版本中，这个参数被忽略，但仍然需要传递一个大于0的值。
返回值：
	成功返回epfd;
	失败返回-1，重置错误码
备注：
	这个函数本质就是创建一个红黑树，用户通过epfd拿到红黑树,这个epfd也会占用一个文件描述符fd


int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
功能：
	epoll的控制操作
参数：
	@epfd:由epoll_create返回的文件描述符，表示epoll实例
	@op:操作方式
	 	EPOLL_CTL_ADD	添加
       	EPOLL_CTL_MOD	修改
       	EPOLL_CTL_DEL	删除
	@fd:被操作的文件描述符
	@event:事件结构体，包含事件类型
		struct epoll_event{
   
			uin32_t	events;  //events字段表示注册的事件类型（如EPOLLIN、EPOLLOUT等）
			epoll_data_t data; //data字段用于存储用户数据
		}
返回值：
	成功返回0;
	失败返回-1,置位错误码


int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *revents, int maxevents, int timeout);
功能：
	阻塞等待文件描述符就绪
参数：
	@epfd		epoll实例
	@revents	用于存放事件信息的数组，每个数组元素都是epoll_event类型的结构体。这个数组用于接收就绪的文件描述符及其对应的事件信息。
	@maxevents	events数组的大小，即最多可以等待多少个事件
	@timeout	超时时间
		= 0	:立即返回
		> 0	:毫秒超时
		=-1	:忽略超时，永久阻塞，直到有fd就绪
返回值：
	成功,返回就绪的文件描述符的个数;
	超时,返回0,代表超时,没有文件描述符就绪
	失败,返回-1，重置错误码

三、内核中IO多路复用的实现机制

US:
---
 select(fd2 + 1, &rfds, NULL, NULL, NULL)
-----------------------------------------------------------
KS: VFS: 
---
进入到内核层之后会调用到syscall函数，进行宏定义替换后会得到sys_select函数

	long sys_select(int n, fd_set __user * inp, fd_set __user * outp