Linux多路转接

IO模型

在还在学习语言的阶段，C++里使用cin，或者是C使用scanf的时候，总是要等着我们输入数据才执行，这种IO是阻塞IO。下面是比较正式的说法。
阻塞IO: 在内核将数据准备好之前，系统调用会一直等待数据的获取数据的做法，就是阻塞IO。

所以网络套接字，在你没有自行设置的情况下，用的也是阻塞方式IO。

上面说的仿佛只有读取一种情况，那么写呢？
实际上写也是有一样的问题，内核有缓冲区的空间才写，没有缓冲区空间就一样得阻塞。

非阻塞IO:顾名思义，如果需求的数据，内核还没卓备好，那么操作系统就会直接返回。

在C语言里，如果你使用C接口的非阻塞IO，如果没收到数据系统调用就返回，那么 宏变量 errno就会被设置，其值是EWOULDBLOCK 错误码。
C在C11标准之后，C++11标准之后，都是支持线程安全的。

那么问题来了，究竟什么是IO呢？
等待数据 + 拷贝数据
我们发现不论是网络的套接字，亦或者是我们常用的自己的输入输出，其实无非都在等待一些数据，把这些数据拷贝进我们的内存交由程序处理。

多路转接

理解多路转接之前，我们先思考一个问题，
IO=等待+拷贝。

那我们该什么时候区拷贝呢？
一些比较经典的操作就是，轮询，信号。
所谓轮询就是，每当我需要数据，我就问问你，数据好了没，没有我就稍等一会再来接着问，知道数据好了我取走。
所谓信号就是，当你数据好了你来通知我，让我来取走数据。

我们知道，一个主机可以和其他多个主机建立TCP链接，也就是需要使用多个套接字。

那么每当有一个新的连接来临，我们不想中断我主线程的业务，但是新连接的数据收发也要管理。该如何呢？ 其中一般想到的是，开多个线程。
开多线程固然是一种解决方案，其对于一般服务器负载也没问题。

那么有成千上万的连接来临呢？要知道创建新线程也是有开销的，根据我的Linux下的POSIX线程库正常创建线程（不重新设置栈大小等），那么每一个线程约需要10MiB的空间。
算下来4GiB的内存，用户一般有3GiB，那么就是说约莫只有300个线程的情况，显然算不上高并发。

因此就有一种IO模型，其处于非阻塞IO，你的每一个文件描述符（windows下叫文件句柄），都有一个中间者来给你管理，当这些句柄有数据来临时，他来通知你，告诉你改处理这些数据了。而这就是多路转接。

下面介绍Linux多路转接常用的函数，select，poll，和epoll

select 和 poll

int select (int __nfds, fd_set *__restrict __readfds,fd_set *__restrict __writefds,fd_set *__restrict __exceptfds,struct timeval *__restrict __timeout);void FD_CLR(int fd, fd_set *set);int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set);void FD_SET(int fd, fd_set *set);void FD_ZERO(fd_set *set);

fd_set # 文件描述符集的类型

注：select和poll在2.6版本之后用的较少，因为后来的机器内存都相对较大，同时主要因为有了epoll的出现，使之取代了select。

select维护了一个文件描述符集，FDS，其类型如上面的 fd_set，你可以用一些列函数接口来操作。当你有一个文件描述符是5号文件描述符，那么你就可以调用 FD_SET取设置入你的fd_set的数据类型里面。然后最后交给select帮你管理。

虽然答题过程如上输代码一言，但是其实际使用并不方便。原因也十分简单，select的思想处理其实是一种轮询的方式。、，这导致你每次都要设置文件描述符。
下面是一段示例代码。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>#define MAX_FD 10  // 最大文件描述符数量
#define BUFFER_SIZE 1024  // 读取缓冲区大小int main() {int fd[MAX_FD];  // 存储文件描述符的数组fd_set read_fds;  // select的可读文件描述符集合int max_fd = 0;  // 当前最大的文件描述符char buffer[BUFFER_SIZE];  // 读取数据的缓冲区int i, ret;// 初始化文件描述符，这里只是示例，实际情况可能是套接字for (i = 0; i < MAX_FD; i++) {fd[i] = -1;  // 初始化为-1，表示未使用}// 假设我们监听标准输入（文件描述符0）fd[0] = 0;max_fd = 0;  // 标准输入的文件描述符是0while (1) {// 清空fd集合FD_ZERO(&read_fds);// 将需要监听的文件描述符加入到fd集合for (i = 0; i <= max_fd; i++) {if (fd[i] != -1) {FD_SET(fd[i], &read_fds);}}// 设置超时时间，这里设置为永远等待struct timeval timeout;timeout.tv_sec = 10;  // 10秒timeout.tv_usec = 0;  // 0微秒// 调用selectret = select(max_fd + 1, &read_fds, NULL, NULL, &timeout);if (ret == -1) {perror("select error");exit(EXIT_FAILURE);} else if (ret == 0) {printf("select timeout\n");continue;}// 检查哪个文件描述符可读for (i = 0; i <= max_fd; i++) {if (fd[i] != -1 && FD_ISSET(fd[i], &read_fds)) {// 这里处理文件描述符i的数据memset(buffer, 0, BUFFER_SIZE);ssize_t count = read(fd[i], buffer, BUFFER_SIZE - 1);if (count > 0) {printf("Read from fd %d: %s\n", fd[i], buffer);} else if (count == 0) {// EOF，可能需要关闭文件描述符close(fd[i]);fd[i] = -1;} else {// 读取错误perror("read error");}}}}return 0;
}

你会发现意见很让人觉得效率低且麻烦的事情，那就是select每一次都需要遍历。如同轮询一般，因为你放进去的select文件描述符发生事件时，select并不会告诉你具体是谁发生了，只知道在 FD_MAX（目前最大的文件描述符为止），有事件发生，这就显得麻烦且效率低下。不过因为select上限文件描述符大多数都是1024，也就是 FD_SETSIZE 宏。所以select的整体效率不算高，但是其适用于一些比较没有那么支持性能的机器。
总结：
1.每次调用select都需要把fd集合从用户态往内核态拷贝一次，而每次拷贝都需要通过系统调用进入内核态，且在内核也是遍历访问这个开销在fd很多时会很大
2.select支持的文件描述符数量太小了，默认是1024
3.select返回后，需要遍历文件描述符集合，来获取已经就绪的socket
4.select不支持O_NONBLOCK
5.每次对要用第三方数组，动不动就需要遍历，十分耗时

poll类似select，解决了文件描述符上限，同时解决了输入输出每次重置的问题。（也就是select每次都要传一个表进去，同时也要传出来。）
具体用法不多叙述，可以自行百度。

epoll

epoll整体设计理念相较于select就比较人性化，我们知道每当有数据来临的时候，目前许多OS采用的都是硬件中断，让CPU临时去被数据接受之后存储起来。比如你的键盘输入就是如此。
那么为什么不把每个文件描述符有数据需要处理时，都会有信号，那么既然如此我维护这份记录就行，因此epoll就是如此做的。每当一个进程调用epoll时，会创建一个红黑树，将你关心的文件描述符添加进去，每当有事件来临，他就去红黑树里面找关心了这个事件与否，然后如果发现时关心了的，那么就通过回调（ep_poll_callback ）把这个节点给放到 另外的就绪队列上去，如此你就知道这个事件需要用了。

因此总结一下：使得epoll关心文件描述符的方法
调用epoll_create创建一个epoll句柄;
调用epoll_ctl, 将要监控的文件描述符进行注册;
调用epoll_wait, 等待文件描述符就绪;

具体调用可查询手册，下面是例子

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/epoll.h>#define MAX_EVENTS 10
#define PORT 8080int main() {int listen_sock, conn_sock, epfd;struct sockaddr_in serv_addr;struct epoll_event event;struct epoll_event events[MAX_EVENTS];int num_fds;// 创建监听socketlisten_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (listen_sock == -1) {perror("socket");exit(EXIT_FAILURE);}memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));serv_addr.sin_family = AF_INET;serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);serv_addr.sin_port = htons(PORT);// 绑定socketif (bind(listen_sock, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) == -1) {perror("bind");exit(EXIT_FAILURE);}// 监听socketif (listen(listen_sock, 5) == -1) {perror("listen");exit(EXIT_FAILURE);}// 创建epoll实例epfd = epoll_create1(0);if (epfd == -1) {perror("epoll_create");exit(EXIT_FAILURE);}// 添加监听socket到epoll实例event.data.fd = listen_sock;event.events = EPOLLIN;if (epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, listen_sock, &event) == -1) {perror("epoll_ctl: listen_sock");exit(EXIT_FAILURE);}// 事件循环while (1) {num_fds = epoll_wait(epfd, events, MAX_EVENTS, -1);if (num_fds == -1) {perror("epoll_wait");exit(EXIT_FAILURE);}for (int i = 0; i < num_fds; i++) {if (events[i].data.fd == listen_sock) {// 处理新的连接conn_sock = accept(listen_sock, NULL, NULL);if (conn_sock == -1) {perror("accept");exit(EXIT_FAILURE);}printf("Accepted connection on fd %d\n", conn_sock);// 将新的连接添加到epoll实例event.data.fd = conn_sock;event.events = EPOLLIN | EPOLLET; // 边缘触发模式if (epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, conn_sock, &event) == -1) {perror("epoll_ctl: conn_sock");exit(EXIT_FAILURE);}} else {// 处理已连接socket的数据if (events[i].events & EPOLLIN) {char buffer[1024];ssize_t count;count = read(events[i].data.fd, buffer, sizeof(buffer));if (count == -1) {perror("read");close(events[i].data.fd);} else if (count == 0) {// 连接关闭printf("Closed connection on fd %d\n", events[i].data.fd);close(events[i].data.fd);} else {// 处理读取到的数据printf("Read %zd bytes from fd %d\n", count, events[i].data.fd);// 这里可以将数据发送回去或者进行其他处理}}}}}close(listen_sock);return 0;
}