day36-多路IO复用

一、基本概念

（服务器多客户端模型）

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定义：单线程或单进程同时监测若干个文件描述符是否可以执行IO操作的能力

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作用：应用程序通常需要处理来自多条事件流中的事件，比如我现在用的电脑，需要同时处理键盘鼠标的输入、中断信号等等事件，再比如web服务器如nginx，需要同时处理来来自N个客户端的事件。

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逻辑控制流在时间上的重叠叫做 并发（时间段是并行，但时间点上是串行的）

并行：在一个时间点上同时运行。
    
        而CPU单核在同一时刻只能做一件事情，一种解决办法是对CPU进行时分复用(多个事件流将CPU切割成多个时间片，不同事件流的时间片交替进行)。在计算机系统中，我们用线程或者进程来表示一条执行流，通过不同的线程或进程在操作系统内部的调度，来做到对CPU处理的时分复用。这样多个事件流就可以并发进行，不需要一个等待另一个太久，在用户看起来他们似乎就是并行在做一样。

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使用并发处理的成本：
    线程/进程创建成本
    CPU切换不同线程/进程成本 Context Switch        （上下文切换：页表、寄存器、缓存）
    多线程的资源竞争

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        有没有一种可以在单线程/进程中处理多个事件流的方法呢？一种答案就是IO多路复用。

        因此IO多路复用解决的本质问题是在用更少的资源完成更多的事。

    

二、IO模型

1、阻塞IO  
2、非阻塞IO  EAGAIN  忙等待 errno
3、信号驱动IO  SIGIO 用的相对少（了解）
4、并行模型 进程，线程
5、IO多路复用  select、poll、epoll

2.1阻塞IO

最常用 默认设置

2.2非阻塞IO

在阻塞IO的基础上调整其为不再阻塞等待。
     在程序执行阶段调整文件的执行方式为非阻塞：
            ===》fcntl() ===>动态调整文件的阻塞属性

int fcntl(int fd,         int cmd,         ... /* arg */ );操作对象    进行何种操作        看第二个参数是否需要

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    功能：修改指定文件的属性信息。
    参数：fd 要调整的文件描述符
          cmd 要调整的文件属性宏名称
          ... 可变长的属性值参数。
    返回值：成功  不一定，看cmd； 失败  -1

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1.获得原设备状态标志位

2.在原标志位基础上加上 非阻塞

3.当是FILE *文件时，使用fileno，转换为标志位

4.当写0，是只读

eg：修改文件的非阻塞属性：
        int flag ;
        flag  = fcntl(fd,F_GETFL,0);  ///获取fd文件的默认属性到flag变量中。
        flag  = flag | O_NONBLOCK;    ///将变量的值调整并添加非阻塞属性
        fcntl(fd,F_SETFL,flag);       ///将新属性flag设置到fd对应的文件生效。

        以上代码执行后的阻塞IO将变成非阻塞方式。

缺点：CPU占用率高 

2.3信号驱动IO（了解）

文件描述符需要追加 O_ASYNC//信号通知 标志。
    设备有io事件可以执行时，内核发送SIGIO信号。
    
        1.追加标志
        int flag ;
        flag  = fcntl(fd,F_GETFL,0);
        fcntl(fd,F_SETFL,flag | O_ASYNC);    //设置为异步
        2.设置信号接收者
        fcntl(fd,F_SETOWN,getpid());//常用设置
        3.对信号进行捕获
        signal(SIGIO,myhandle);

2.4并行模型

        1.进程
        2.线程
 IO 多路复用 ===》并发服务器 ===》TCP协议    
        3、select循环服务器 ===> 用select函数来动态检测有数据流动的文件描述符

2.5 IO多路复用

2.5.1 select函数

select:

1. 创建fd集合
2. 文件描述符加入集合
3. select等待事件到来
4. 找到对应的fd，进行读写操作
5. 清除标志位

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,检测读            一般不检测fd_set *exceptfds,错误struct timeval *timeout);超时控制，NULL为阻塞，填秒数/毫秒，都写0，非阻塞工作，只扫一圈，都没有准备好，返-1；

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    功能：完成指定描述符集合中有效描述符的动态检测。
          该函数具有阻塞等待功能，在函数执行完毕后
          目标测试集合中将只保留最后有数据的描述符。

    参数：nfds 描述符的上限值，一般是链接后描述符的最大值+1；
               readfds 只读描述符集
               writefds 只写描述符集
               exceptfds 异常描述符集
               以上三个参数都是 fd_set * 的描述符集合类型
               timeout  检测超时 如果是NULL表示一直检测不超时 。

    返回值：超时 0
                  失败  -1
                  成功 >0

为了配合select函数执行，有如下宏函数：
        void FD_CLR(int fd, fd_set *set);
        功能：将指定的set集合中编号为fd的描述符号删除。

        int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set);//是否就绪
        功能：判断值为fd的描述符是否在set集合中，
              如果在则返回真，否则返回假。

        void FD_SET(int fd, fd_set *set);
        功能：将指定的fd描述符，添加到set集合中。

        void FD_ZERO(fd_set *set);
        功能：将指定的set集合中所有描述符删除。 

2.5.2 epoll函数

epoll:

1. 创建fd集合（二叉树）
2. 加入关心的文件描述符
3. epoll_wait                 当 epoll_wait 成功时，它返回准备就绪的文件描述符的数量，如果超时则返回 0。如果发生错误，则返回 -1 并设置相应的 errno。
4. epoll把准备就绪的fd放入rev集合（数组）

1.int epoll_create(int size)；

2.int epoll_ctl(int epfd,       int op,         int fd,         struct epoll_event *event)；

                        哪个集合   何种操作           放入谁        监视事件，用户自定义变量

3.int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);

                                                                                                                 -1 

                                                                                                                 0 非阻塞

epoll 解决了select和poll的几个性能上的缺陷：

①不限制监听的描述符个数（poll也是），只受进程打开描述符总数的限制；

②监听性能不随着监听描述 符数的增加而增加，是O(1)的，不再是轮询描述符来探测事件，而是由描述符主动上报事件；

③使用共享内存的方式，不在用户和内核之间反复传递监听的描述 符信息；

④返回参数中就是触发事件的列表，不用再遍历输入事件表查询各个事件是否被触发。
epoll显著提高性能的前提是：监听大量描述符，并且每次触发事件的描述符文件非常少。
epoll的另外区别是：①epoll创建了描述符，记得close；

                                 ②支持水平触发和边沿触发。

 仅TCP使用（由对方的通信套接字）

getpeername函数是一个网络编程中常用的函数，它用于获取与某个套接字关联的远程协议地址。这个函数在网络通信中非常有用，尤其是在需要获取连接对方的IP地址和端口号时。

int getpeername(int sockfd, struct sockaddr *peeraddr, socklen_t *addrlen);

• sockfd 是需要获取远程协议地址的套接字描述符。

• peeraddr 是一个指向struct sockaddr结构的指针，该结构将被填充远程地址信息。

• addrlen 是一个指向socklen_t类型的变量，初始时表示peeraddr指向的缓冲区的大小，函数返回时，它包含远程地址的实际大小。

getpeername(conn,(SA),&cli,&len);