【计算机网络】五种IO模型与IO多路转接之select

一、五种IO模型

什么是IO？什么是高效的IO？

我们知道，我们调用read/recv的时候，如果缓冲区中没有数据，那么就会阻塞住，有数据的时候，read/recv会进行拷贝，完成之后返回。所以 IO = 等 + 数据拷贝

那么如何让IO更加的高效呢，只要减少等待的比重即可。

我们以几个人钓鱼为例来说明五种IO模型

张三：钓鱼的时候一直盯着鱼竿，不做任何其他事情

李四：钓鱼的时候，偶尔看看书，看看手机

王五：在鱼竿上方一个铃铛，铃铛响了就说明有鱼，在铃铛没有的时间内，王五也看看书，看看手机

赵六：同时投放了多个鱼竿，来回进行检测看哪个鱼竿上有鱼

田七和小王：田七是一个老板，想吃鱼，就让小王去钓，钓满一桶之后，小王联系田七，田七来取鱼

对于上面的几种钓鱼方式，鱼就是数据，河为内核空间，鱼漂：鱼就绪，数据就绪事件，鱼竿：文件描述符

钓鱼的动作：read/recv调用

张三是阻塞式IO，李四是非阻塞式IO，王五是信号驱动式IO，赵六是多路转接/多路复用，田七是异步IO

张三李四王五在效率上没有差别，但是李四和王五可以做其他的事情，张三李四王五赵六每个人都等了，每个人都参与了IO的过程，称为同步IO。田七没有参与IO的两个阶段的任何一个阶段，称为异步IO

在我们看来赵六的钓鱼效率是最高的，因为他等的比重比较低，单位时间内钓鱼的效率就高

为什么多路转接/多路复用是高效的代名词：IO = 等(减少等的比重) + 拷贝

阻塞IO是最常见的IO模型

非阻塞IO: 如果内核还未将数据准备好, 系统调用仍然会直接返回, 并且返回EWOULDBLOCK错误码.

非阻塞IO往往需要程序员循环的方式反复尝试读写文件描述符, 这个过程称为轮询. 这对CPU来说是较大的浪费, 一般只有特定场景下才使用

信号驱动IO: 内核将数据准备好的时候, 使用SIGIO信号通知应用程序进行IO操作

IO多路转接: 虽然从流程图上看起来和阻塞IO类似. 实际上最核心在于IO多路转接能够同时等待多个文件描述符的就绪状态.

异步IO: 由内核在数据拷贝完成时, 通知应用程序(而信号驱动是告诉应用程序何时可以开始拷贝数据).

任何IO过程中, 都包含两个步骤. 第一是等待, 第二是拷贝. 而且在实际的应用场景中, 等待消耗的时间往往都远远高于拷贝的时间. 让IO更高效, 最核心的办法就是让等待的时间尽量少

同步通信vs异步通信(synchronous communication/ asynchronouscommunication)

同步和异步关注的是消息通信机制

所谓同步，就是在发出一个调用时，在没有得到结果之前，该调用就不返回. 但是一旦调用返回，就得到返回值了; 换句话说，就是由调用者主动等待这个调用的结果;

异步则是相反，调用在发出之后，这个调用就直接返回了，所以没有返回结果; 换句话说，当一个异步过程调用发出后，调用者不会立刻得到结果; 而是在调用发出后，被调用者通过状态、通知来通知调用者，或通过回调函数处理这个调用.

另外, 我们回忆在讲多进程多线程的时候, 也提到同步和互斥. 这里的同步通信和进程之间的同步是完全不想干的概念

进程/线程同步也是进程/线程之间直接的制约关系

是为完成某种任务而建立的两个或多个线程，这个线程需要在某些位置上协调他们的工作次序而等待、传递信息所产生的制约关系. 尤其是在访问临界资源的时候

阻塞 vs 非阻塞

阻塞和非阻塞关注的是程序在等待调用结果（消息，返回值）时的状态

阻塞调用是指调用结果返回之前，当前线程会被挂起. 调用线程只有在得到结果之后才会返回.

非阻塞调用指在不能立刻得到结果之前，该调用不会阻塞当前线程

其他高级IO

非阻塞IO，纪录锁，系统V流机制，I/O多路转接（也叫I/O多路复用）,readv和writev函数以及存储映射IO（mmap），这些统称为高级IO

二、非阻塞IO

1.fcntl

一个文件描述符, 默认都是阻塞IO.

函数原型如下

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );

传入的cmd的值不同, 后面追加的参数也不相同.

fcntl函数有5种功能:

复制一个现有的描述符（cmd=F_DUPFD）.

获得/设置文件描述符标记(cmd=F_GETFD或F_SETFD).

获得/设置文件状态标记(cmd=F_GETFL或F_SETFL).

获得/设置异步I/O所有权(cmd=F_GETOWN或F_SETOWN).

获得/设置记录锁(cmd=F_GETLK,F_SETLK或F_SETLKW)

我们此处只是用第三种功能, 获取/设置文件状态标记, 就可以将一个文件描述符设置为非阻塞

2.实现函数SetNoBlock

基于fcntl, 我们实现一个SetNoBlock函数, 将文件描述符设置为非阻塞

void SetNoBlock(int fd)
{ int fl = fcntl(fd, F_GETFL); if (fl < 0){ perror("fcntl");return; }fcntl(fd, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK); 
}

使用F_GETFL将当前的文件描述符的属性取出来(这是一个位图).

然后再使用F_SETFL将文件描述符设置回去. 设置回去的同时, 加上一个O_NONBLOCK参数.

3.轮询方式读取标准输入

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>void SetNonBlock(int fd)
{int fl = fcntl(fd, F_GETFL);if (fl < 0){perror("fcntl");return;}fcntl(fd, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK);
}int main()
{SetNonBlock(0);while (true){char buffer[1024];ssize_t s = read(0, buffer, sizeof(buffer) - 1);if (s > 0){std::cout << buffer << std::endl;}else{perror("read");sleep(1);continue;}}return 0;
}

三、I/O多路转接之select

1.初识select

系统提供select函数来实现多路复用输入/输出模型.

select系统调用是用来让我们的程序监视多个文件描述符的状态变化的;

程序会停在select这里等待，直到被监视的文件描述符有一个或多个发生了状态改变

select : IO = 等 + 拷贝

select 只负责等待，可以一次等待多个fd，select本身没有数据拷贝的能力，拷贝要read，write来完成

2.select函数原型

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

参数解释:

参数nfds是需要监视的最大的文件描述符值+1；

readfds,writefds,exceptfds分别对应于需要检测的可读文件描述符的集合，可写文件描述符的集 合及异常文件描述符的集合;

参数timeout为结构timeval，用来设置select()的等待时间

fd_set *readfds, fd_set *writefds,fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout都是输入输出型参数

参数timeout取值:

NULL：则表示select（）没有timeout，select将一直被阻塞，直到某个文件描述符上发生了事件;

0：仅检测描述符集合的状态，然后立即返回，并不等待外部事件的发生。

特定的时间值：如果在指定的时间段里没有事件发生，select将超时返回。

关于fd_set结构

其实这个结构就是一个整数数组, 更严格的说, 是一个 “位图”. 使用位图中对应的位来表示要监视的文件描述符.

提供了一组操作fd_set的接口, 来比较方便的操作位图.

void FD_CLR(int fd, fd_set *set); // 用来清除描述词组set中相关fd 的位
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set); // 用来测试描述词组set中相关fd 的位是否为真
void FD_SET(int fd, fd_set *set); // 用来设置描述词组set中相关fd的位
void FD_ZERO(fd_set *set); // 用来清除描述词组set的全部位

我们以读事件为例来说明readfds,writefds,exceptfds

作为输入时：表示用户告诉内核，你要帮我关心一下，我给你的集合中的所有的fd的读事件–哪些fd上的读事件内核你要关心，比特位的位置，表示fd的数值，比特位的内容，表示是否关心

作为输出时：内核告诉用户，你所关心的多个fd中，有哪些已经就绪了。比特位的位置，表示fd的数值，比特位的内容，表示哪些fd上面的读事件已经就绪了

这样让用户和内核之间相互沟通，互相知晓对方要的或者关心的。

fd_set是一种类型，既然是一种类型，必定有大小，而且是固定的，所以能够添加的fd的个数也是有上限的

关于timeval结构

timeval结构用于描述一段时间长度，如果在这个时间内，需要监视的描述符没有事件发生则函数返回，返回值为0。

struct timaval
{time_t tv_sec;  /* seconds */suseconds_t tv_usec; /* microseconds */
};传输参数：
nullptr : 阻塞式
struct timeval timeout = {0,0}; 非阻塞
struct timeval timeout = {5,0};
5s以内阻塞式，超过5s，非阻塞返回一次

函数返回值：

执行成功则返回文件描述词状态已改变的个数

如果返回0代表在描述词状态改变前已超过timeout时间，没有返回

当有错误发生时则返回-1，错误原因存于errno，此时参数readfds，writefds, exceptfds和timeout的值变成不可预测。

ret > 0 : 有几个fd就绪了

ret == 0 : 超时返回了

ret < 0 : select 调用失败了

错误值可能为：

EBADF 文件描述词为无效的或该文件已关闭

EINTR 此调用被信号所中断

EINVAL 参数n 为负值。

ENOMEM 核心内存不足

3.socket就绪条件

读就绪

socket内核中, 接收缓冲区中的字节数, 大于等于低水位标记SO_RCVLOWAT. 此时可以无阻塞的读该文件描述符, 并且返回值大于0;

socket TCP通信中, 对端关闭连接, 此时对该socket读, 则返回0;

监听的socket上有新的连接请求;

socket上有未处理的错误;

写就绪

socket内核中, 发送缓冲区中的可用字节数(发送缓冲区的空闲位置大小), 大于等于低水位标记

SO_SNDLOWAT, 此时可以无阻塞的写, 并且返回值大于0;

socket的写操作被关闭(close或者shutdown). 对一个写操作被关闭的socket进行写操作, 会触发SIGPIPE信号;

socket使用非阻塞connect连接成功或失败之后;

socket上有未读取的错误;

异常就绪

socket上收到带外数据. 关于带外数据, 和TCP紧急模式相关(TCP协议头中, 有一个紧急指针的字段),

4.select的特点

1.可监控的文件描述符个数取决与sizeof(fd_set)的值. 我这边服务器上sizeof(fd_set)＝512，每bit表示一个文件描述符，则我服务器上支持的最大文件描述符是512*8=4096。即select能同时等待的文件fd是有上限的，除非重新改变内核，否则无法解决。

2.将fd加入select监控集的同时，还要再使用一个数据结构array保存放到select监控集中的fd，

2.1一是用于再select 返回后，array作为源数据和fd_set进行FD_ISSET判断。即必须借助第三方数组，来维护合法的fd

2.2二是select返回后会把以前加入的但并无事件发生的fd清空，则每次开始select前都要重新从array取得fd逐一加入(FD_ZERO最先)，扫描array的同时取得fd最大值maxfd，用于select的第一个参数。select第一个参数为什么是最大fd+1呢？确定遍历范围 – 内核层面

3.select的大部分参数是输入输出型的，调用select前，要重新设置所有的fd,调用之后，我们还要检查更新所有的fd，这就带来遍历成本

4.select 采用位图，用户 -> 内核，内核 -> 用户，来回的进行数据拷贝，拷贝成本问题

备注: fd_set的大小可以调整，可能涉及到重新编译内核

5.select缺点

每次调用select, 都需要手动设置fd集合, 从接口使用角度来说也非常不便.

每次调用select，都需要把fd集合从用户态拷贝到内核态，这个开销在fd很多时会很大

同时每次调用select都需要在内核遍历传递进来的所有fd，这个开销在fd很多时也很大

select支持的文件描述符数量太小，有上限

6.select使用案例–只读取数据的server服务器

1.err.hpp

#pragma onceenum
{USAGE_ERR = 1,SOCKET_ERR,BIND_ERR,LISTEN_ERR
};

2.log.hpp

#pragma once#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdarg.h>#define NORMAL 0
#define DEBUG 1
#define WARNING 2
#define ERROR 3
#define FATAL 4#define LOG_NORMAL "./log.txt"
#define LOG_ERR "./err.txt"#define NUM 1024const char *to_levelstr(int level)
{switch (level){case DEBUG:return "DEBUG";case NORMAL:return "NORMAL";case WARNING:return "WARNING";case ERROR:return "ERROR";case FATAL:return "FATAL";default:return nullptr;}
}void LogMessage(int level, const char *format, ...)
{// [日志等级] [时间戳/时间] [pid] [messge]char logprofix[NUM];snprintf(logprofix, sizeof logprofix, "[%s][%ld][pid:%d]", to_levelstr(level), (long int)time(nullptr), getpid());char logcontent[NUM];va_list arg;va_start(arg, format);vsnprintf(logcontent, sizeof logcontent, format, arg);std::cout << logprofix << logcontent << std::endl;FILE *log = fopen(LOG_NORMAL, "a");FILE *error = fopen(LOG_ERR, "a");if (log && error){FILE *cur = nullptr;if (level == DEBUG || level == NORMAL || level == WARNING)cur = log;if (level == ERROR || level == FATAL)cur = error;if (cur)fprintf(cur, "%s%s\n", logprofix, logcontent);fclose(log);fclose(error);}
}

3.sock.hpp

#pragma once#include <iostream>
#include <cstring>
#include <string>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>#include "log.hpp"
#include "err.hpp"class Sock
{static const int backlog = 32;public:// 1. 创建socket文件套接字对象static int Socket(){int sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (sock < 0){LogMessage(FATAL, "create socket error");exit(SOCKET_ERR);}LogMessage(NORMAL, "create socket success:%d", sock);// 允许地址重用，使得在套接字关闭后，该套接字所使用的地址可以立即被其他套接字使用int opt = 1;setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR | SO_REUSEPORT, &opt, sizeof opt);return sock;}// 2.bind自己的网络信息static void Bind(int sock, const uint16_t &port){struct sockaddr_in local;memset(&local, 0, sizeof local);local.sin_family = AF_INET;local.sin_port = htons(port);local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;int n = bind(sock, (struct sockaddr *)&local, sizeof local);if (n < 0){LogMessage(FATAL, "socket bind error");exit(BIND_ERR);}LogMessage(NORMAL, "socket bind success");}// 3. 设置socket 为监听状态static void Listen(int sock){int n = listen(sock, backlog);if (n < 0){LogMessage(FATAL, "socket listen error");exit(LISTEN_ERR);}LogMessage(NORMAL, "socket listen success");}// 4.获取连接static int Accept(int listensock, std::string *clientip, uint16_t *clientport){struct sockaddr_in peer;socklen_t len = sizeof(peer);int sock = accept(listensock, (struct sockaddr *)&peer, &len);if (sock < 0){LogMessage(ERROR, "socket accept error,next");}else{LogMessage(NORMAL, "accept a new link success, get new sock: %d", sock);*clientip = inet_ntoa(peer.sin_addr);*clientport = ntohs(peer.sin_port);}return sock;}
};

4.select_server.hpp

#pragma once#include <iostream>
#include <cstring>
#include <cstdlib>
#include <cerrno>
#include <string>
#include <functional>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/select.h>#include "sock.hpp"
#include "log.hpp"
#include "err.h"namespace select_ns
{const static int defaultport = 8080;const static int fdnum = sizeof(fd_set) * 8;const static int defaultfd = -1;typedef std::function<std::string(std::string)> func_t;class selectServer{public:selectServer(const func_t &func, const uint16_t &port = defaultport): _port(port), _func(func), _listensock(-1), _fdarray(nullptr){}void initServer(){_listensock = Sock::Socket();Sock::Bind(_listensock, _port);Sock::Listen(_listensock);_fdarray = new int[fdnum];for (int i = 0; i < fdnum; i++)_fdarray[i] = defaultfd;_fdarray[0] = _listensock;}void Print(){std::cout << "fd list: ";for (int i = 0; i < fdnum; i++){if (_fdarray[i] != defaultfd){std::cout << _fdarray[i] << " ";}}}void Accepter(int listensock){std::string clientip;uint16_t clientport;int sock = Sock::Accept(listensock, &clientip, &clientport);if (sock < 0)return;LogMessage(NORMAL, "accept success[%s:%d]", clientip.c_str(), clientport);// sock我们能直接recv/read 吗？不能，整个代码，只有select有资格检测事件是否就绪// 将新的sock 托管给select！// 将新的sock托管给select的本质，其实就是将sock，添加到fdarray数组中即可！int i = 0;for (; i < fdnum; i++){if (_fdarray[i] != defaultfd)continue;elsebreak;}if (i == fdnum){LogMessage(WARNING, "server is full,please wait");close(sock);}else_fdarray[i] = sock;Print();}void Recver(int sock, int pos){// 1. 读取requestchar buffer[1024];ssize_t s = recv(sock, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0);if (s > 0){buffer[s] = 0;LogMessage(NORMAL, "client#: %s", buffer);}else if (s == 0){close(sock);_fdarray[pos] = defaultfd;LogMessage(NORMAL, "client quit");return;}else{close(sock);_fdarray[pos] = defaultfd;LogMessage(ERROR, "client error:%s", strerror(errno));return;}// 2. 处理requeststd::string response = _func(buffer);// 3. 返回responsewrite(sock, response.c_str(), response.size());}void HandlerEvent(fd_set &rfds){for (int i = 0; i < fdnum; i++){if (_fdarray[i] == defaultfd)continue;if (FD_ISSET(_fdarray[i], &rfds) && _fdarray[i] == _listensock)Accepter(_listensock);else if (FD_ISSET(_fdarray[i], &rfds))Recver(_fdarray[i], i);else{}}}void start(){for (;;){fd_set rfds;FD_ZERO(&rfds);int maxfd = _fdarray[0];for (int i = 0; i < fdnum; i++){if (_fdarray[i] == defaultfd)continue;FD_SET(_fdarray[i], &rfds); // 合法 fd 全部添加到读文件描述符集中if (maxfd < _fdarray[i])maxfd = _fdarray[i]; // 更新所有fd中最大的fd}int n = select(maxfd + 1, &rfds, nullptr, nullptr, nullptr);switch (n){case 0:LogMessage(NORMAL, "timeout...");break;case -1:LogMessage(WARNING, "select error,code: %d, err string: %s", errno, strerror(errno));break;default:// 说明有事件就绪了,目前只有一个监听事件就绪了LogMessage(NORMAL, "have event ready!");HandlerEvent(rfds);break;}}}~selectServer(){if (_listensock > 0)close(_listensock);if (_fdarray)delete[] _fdarray;}private:int _port;int _listensock;int *_fdarray;func_t _func;};
}

5.main.cc

#include "selectServer.hpp"
#include "err.hpp"
#include <memory>using namespace std;
using namespace select_ns;static void Usage(const string proc)
{std::cerr << "Usage:\n\t" << proc << " port\n\n";
}string transaction(const string &request)
{return request;
}int main(int argc, char *argv[])
{if (argc != 2){Usage(argv[0]);exit(USAGE_ERR);}// std::unique_ptr<selectServer> svr(new selectServer(transaction,atoi(argv[0])));std::unique_ptr<selectServer> svr(new selectServer(transaction));svr->initServer();svr->start();return 0;
}