11.IO模型
什么是IO:
IO 是 Input/Output 的缩写，指的是输入和输出。在计算机当中，IO 操作通常指将数据从一个设备或文件中读取到计算机内存中，或将内存中的数据写入设备或文件中。这些设备可以包括硬盘驱动器、网卡、键盘、屏幕等。
通常用户进程中的一个完整I/O分为两个阶段：
用户进程空间→内核空间
内核空间→设备空间
I/O分为内存I/O、网络I/O和磁盘I/O三种
IO操作的两个阶段
Linux中进程无法直接操作I/O设备，其必须通过系统调用请求内核来协助完成I/O操作。
内核会为每个I/O设备维护一个缓冲区。
对于一个输入操作来说，进程I/O系统调用后，内核会先看缓冲区中有没有相应的缓存数据，没有的话再到设备（比如网卡设备）中读取（因为设备I/O一般速度较慢，需要等待）；
内核缓冲区有数据则直接复制到用户进程空间。
所以，对于一个网络输入操作通常包括两个不同阶段：
- 等待网络数据到达网卡，把数据从网卡读取到内核缓冲区，准备好数据。
- 从内核缓冲区复制数据到用户进程空间。
网络I/O的本质是对socket的读取，socket在Linux系统中被抽象为流，I/O可以理解为对流的操作。
网络I/O的模型可分为两种：
- 异步I/O(asynchronous I/O)
- 同步I/O(synchronous I/O)
同步I/O又包括
- 阻塞I/O(blocking I/O)
- 非阻塞I/O(non-blocking I/O)
- 多路复用I/O(multiplexing I/O)
- 信号驱动I/O(signal-driven I/O)
强调一下：信号驱动I/O属于同步I/O，原因往后看。
信号驱动I/O和异步I/O只作概念性的讲解，不作为学习重点。
五种I/O模型
阻塞I/O(blocking I/O)
对于一个套接字上的输入操作，第一步通常涉及等待数据从网络中到达，当所有等待分组到达时，它被复制到内核中的某个缓冲区。第二步是把数据从内核缓冲区复制到应用程序缓冲区。
同步阻塞I/O模型是最常用、最简单的模型。在Linux中，默认情况下，所有套接字都是阻塞的。下面我们以阻塞套接字的recvfrom的调用图来说明阻塞，如图所示
非阻塞I/O(non-blocking I/O)
非阻塞的recvform系统调用之后，进程并没有被阻塞，内核马上返回给进程，如果数据还没准备好，此时会返回一个error（EAGAIN或EWOULDBLOCK）。
进程在返回之后，可以先处理其他的业务逻辑，稍后再发起recvform系统调用。
采用轮询的方式检查内核数据，直到数据准备好。再拷贝数据到进程，进行数据处理。
在Linux下，可以通过设置套接字选项使其变为非阻塞。非阻塞的套接字的recvfrom操作如图所示
可以看到前三次调用recvfrom请求时，并没有数据返回，内核返回errno(EWOULDBLOCK)，并不会阻塞进程。
当第四次调用recvfrom时，数据已经准备好了，于是将它从内核空间拷贝到程序空间，处理数据。
在非阻塞状态下，I/O执行的等待阶段并不是完全阻塞的，但是第二个阶段依然处于一个阻塞状态（调用者将数据从内核拷贝到用户空间，这个阶段阻塞)。
多路复用I/O(multiplexing I/O)
I/O多路复用的好处在于单个进程就可以同时处理多个网络连接的I/O。它的基本原理是不再由应用程序自己监视连接，而由内核替应用程序监视文件描述符。
以select函数为例，当用户进程调用了select，那么整个进程会被阻塞，而同时，kernel会“监视”所有select负责的socket，当任何一个socket中的数据准备好，select就会返回。
这个时候用户进程再调用read操作，将数据从内核拷贝到用户进程，如下图所示。
信号驱动I/O(signal-driven I/O)
该模型允许socket进行信号驱动I/O，并注册一个信号处理函数，进程继续运行并不阻塞。当数据准备好时，进程会收到一个SIGIO信号，可以在信号处理函数中调用I/O操作函数处理数据，如图所示
注意：虽然信号驱动IO在注册完信号处理函数以后，就可以做其他事情了。但是第二阶段拷贝数据的过程当中进程依然是被阻塞的，而后要介绍的异步IO是完全不会阻塞进程的，所以信号驱动虽然具有异步的特点，但依然属于异步IO
异步I/O(asynchronous I/O)
相对于同步I/O，异步I/O不是按顺序执行。用户进程进行aio_read系统调用之后，就可以去处理其他逻辑了，无论内核数据是否准备好，都会直接返回给用户进程，不会对进程造成阻塞。这是因为aio_read只向内核递交申请，并不关心有没有数据。
等到数据准备好了，内核直接复制数据到进程空间，然后内核向进程发送通知，此时数据已经在用户空间了，可以对数据进行处理。
五种I/O模型比较
前四种I/O模型都是同步I/O操作，它们的区别在于第一阶段，而第二阶段是一样的：在数据从内核复制到应用缓冲区期间（用户空间)，进程阻塞于recvfrom调用。
相反，异步I/O模型在等待数据和接收数据的这两个阶段都是非阻塞的，可以处理其他的逻辑，用户进程将整个I/O操作交由内核完成，内核完成后会发送通知。在此期间，用户进程不需要检查I/O操作的状态，也不需要主动拷贝数据。
在了解了Linux的I/O模型之后，我们就可以进行服务器设计了。
12.IO多路复用
I/O多路复用的好处在于单个进程就可以同时处理多个网络连接的I/O。它的基本原理是不再由应用程序自己监视连接，而由内核替应用程序监视文件描述符。
在Linux系统中，select、poll和epoll是三种常用的I/O多路复用技术，它们用于处理多个I/O流，以实现高效的并发服务器设计。
| 特性 | select函数 | poll函数 | epoll函数族 |
|---|---|---|---|
| 支持平台 | 几乎所有类Unix系统 | Unix及类Unix系统 | 主要为Linux系统 |
| 数据结构 | 位图（限制文件描述符数量） | 链表（无文件描述符数量限制） | 红黑树（高效管理事件） |
| 文件描述符限制 | 通常最多1024个 | 无限制 | 无限制 |
| 拷贝开销 | 每次调用时拷贝整个集合 | 每次调用时拷贝整个集合 | 通过回调机制，避免拷贝 |
| 返回就绪描述符 | 需要遍历所有描述符识别就绪状态 | 直接返回就绪状态的描述符 | 高效返回只包含就绪事件的描述符 |
| 并发性能 | 低至中等（因位图扫描） | 中等（因链表扫描） | 高（高效的事件通知和数据结构） |
| 触发模式 | 不支持 | 不支持 | 支持水平触发和边缘触发 |
| API复杂度 | 简单直观 | 类似select但更灵活 | 功能丰富但使用相对复杂 |
| 适用场景 | 小规模并发服务器或客户端 | 中规模并发服务器 | 大规模并发服务器，尤其是网络服务 |
select函数
原型：
#include <sys/select.h> int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);功能：监视文件描述符集合，等待其中任意一个文件描述符准备好进行I/O操作。
参数：
nfds：文件描述符集合中最大的文件描述符值加1。readfds：需要监视可读状态的文件描述符集合。writefds：需要监视可写状态的文件描述符集合。exceptfds：需要监视异常状态的文件描述符集合。timeout：设置select函数的超时时间。
- NULL，永久阻塞。
- 0，非阻塞。
返回值：
- 成功：返回准备好的文件描述符个数。
- 超时：返回0。
- 出错：返回-1，并设置errno。
fd_set:
- 表示文件描述符集合的数据结构
- 在fd_set中，每个文件描述符都对应一个位，如果该位为1，则表示对应的文件描述符处于准备好的状态；如果该位为0，则表示对应的文件描述符未准备好。
- fd_set提供了一些宏操作来方便地对文件描述符集合进行操作:
FD_ZERO(fd_set *set)：清空文件描述符集合。FD_SET(int fd, fd_set *set)：将指定的文件描述符添加到集合中。FD_CLR(int fd, fd_set *set)：从集合中移除指定的文件描述符。FD_ISSET(int fd, fd_set *set)：检查指定的文件描述符是否在集合中。FD_COPY(fd_set *src, fd_set *dst)：复制源文件描述符集合到目标文件描述符集合。
struct timeval：
struct timeval { long tv_sec; /* 秒 */ long tv_usec; /* 微秒 */ };
select实现多路复用
sever.c
#include "net.h"
#include <sys/select.h>
#define MAX_SOCK_FD 1024 // 定义最大文件描述符数量为1024
int main(int argc, char *argv[])
{
int i, ret, fd, newfd;
fd_set set, tmpset;
Addr_in clientaddr;
socklen_t clientlen = sizeof(Addr_in); // 定义客户端地址长度clientlen
/*检查参数，小于3个 直接退出进程*/
Argment(argc, argv);
/*创建已设置监听模式的套接字*/
fd = CreateSocket(argv);
FD_ZERO(&set);
FD_ZERO(&tmpset);
FD_SET(fd, &set);
while(1){
tmpset = set;
if( (ret = select(MAX_SOCK_FD, &tmpset, NULL, NULL, NULL)) < 0) // 调用select函数监听文件描述符集合tmpset中的文件描述符
ErrExit("select");
if(FD_ISSET(fd, &tmpset) ){
/*接收客户端连接，并生成新的文件描述符*/
if( (newfd = accept(fd, (Addr *)&clientaddr, &clientlen) ) < 0)
perror("accept");
printf("[%s:%d]已建立连接\n",
inet_ntoa(clientaddr.sin_addr), ntohs(clientaddr.sin_port)); // 输出客户端地址和端口号
FD_SET(newfd, &set); // 将新的文件描述符加入文件描述符集合set
}else{
for(i = fd + 1; i < MAX_SOCK_FD; i++){
if(FD_ISSET(i, &tmpset)){
if( DataHandle(i) <= 0){
if( getpeername(i, (Addr *)&clientaddr, &clientlen) )
perror("getpeername");
printf("[%s:%d]断开连接\n", inet_ntoa(clientaddr.sin_addr),ntohs(clientaddr.sin_port)); // 输出客户端地址和端口号
FD_CLR(i, &set); // 从文件描述符集合set中移除文件描述符i
}
}
}
}
}
return 0; // 程序正常结束，返回0
}
socket.c
#include "net.h"
void Argment(int argc, char *argv[]){
if(argc < 3){
fprintf(stderr, "%s<addr><port>\n", argv[0]);
exit(0);
}
}
int CreateSocket(char *argv[]){
/*创建套接字*/
int fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if(fd < 0)
ErrExit("socket");
/*允许地址快速重用*/
int flag = 1;
if( setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &flag, sizeof(flag) ) )
perror("setsockopt");
/*设置通信结构体*/
Addr_in addr;
bzero(&addr, sizeof(addr) );
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons( atoi(argv[2]) );
/*绑定通信结构体*/
if( bind(fd, (Addr *)&addr, sizeof(Addr_in) ) )
ErrExit("bind");
/*设置套接字为监听模式*/
if( listen(fd, BACKLOG) )
ErrExit("listen");
return fd;
}
int DataHandle(int fd){
char buf[BUFSIZ] = {};
Addr_in peeraddr;
socklen_t peerlen = sizeof(Addr_in);
if( getpeername(fd, (Addr *)&peeraddr, &peerlen) )
perror("getpeername");
int ret = recv(fd, buf, BUFSIZ, 0);
if(ret < 0)
perror("recv");
if(ret > 0){
printf("[%s:%d]data: %s\n",
inet_ntoa(peeraddr.sin_addr), ntohs(peeraddr.sin_port), buf);
}
return ret;
}
net.h
#ifndef _NET_H_
#define _NET_H_
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/tcp.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <strings.h>
#include <errno.h>
typedef struct sockaddr Addr;
typedef struct sockaddr_in Addr_in;
#define BACKLOG 5
#define ErrExit(msg) do { perror(msg); exit(EXIT_FAILURE); } while(0)
void Argment(int argc, char *argv[]);
int CreateSocket(char *argv[]);
int DataHandle(int fd);
#endif
成功建立连接
poll 函数
与select函数的功能类似
原型：
#include <poll.h> int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);功能：监视一组文件描述符的I/O状态，等待它们中的一个或多个变为可读、可写或异常状态。
参数：
fds：一个指向pollfd结构体数组的指针，该数组包含了需要监视的文件描述符及其对应的事件。nfds：fds数组中的元素个数。timeout：等待的最长时间（以毫秒为单位），如果设置为0，则表示立即返回；如果设置为负数，则表示无限期等待。返回值：
- 如果成功，返回发生事件的文件描述符个数；
- 如果超时，返回0；
- 如果出错，返回-1。
struct pollfd：
struct pollfd { int fd; // 文件描述符 short events; // 注册的事件 short revents; // 返回的事件 };
fd：这是文件描述符，即需要被监视的句柄。
events：这是一个位掩码，定义了我们关心的文件描述符的事件类型。常用的事件类型有：
POLLIN：表示文件描述符可读。POLLOUT：表示文件描述符可写。POLLPRI：表示文件描述符有紧急数据（带外数据）可读。POLLERR：表示文件描述符发生错误。POLLHUP：表示文件描述符挂起。
revents：这是一个输出参数，当poll返回时，它指出了文件描述符上实际发生了哪些事件。
nfds_t:
typedef unsigned long int nfds_t;
poll实现多路复用
sever.c
#include "net.h"
#include <poll.h>
#define MAX_SOCK_FD 1024
int main(int argc, char *argv[])
{
int i, j, fd, newfd;
nfds_t nfds = 1;
struct pollfd fds[MAX_SOCK_FD] = {};
Addr_in addr;
socklen_t addrlen = sizeof(Addr_in);
/*检查参数，小于3个 直接退出进程*/
Argment(argc, argv);
/*创建已设置监听模式的套接字*/
fd = CreateSocket(argv);
fds[0].fd = fd;
fds[0].events = POLLIN;
while(1){
if( poll(fds, nfds, -1) < 0)
ErrExit("poll");
for(i = 0; i < nfds; i++){
/*接收客户端连接，并生成新的文件描述符*/
if(fds[i].fd == fd && fds[i].revents & POLLIN){
if( (newfd = accept(fd, (Addr *)&addr, &addrlen) ) < 0)
perror("accept");
fds[nfds].fd = newfd;
fds[nfds++].events = POLLIN;
printf("[%s:%d][nfds=%lu] connection successful.\n",
inet_ntoa(addr.sin_addr), ntohs(addr.sin_port), nfds);
}
/*处理客户端数据*/
if(i > 0 && fds[i].revents & POLLIN){
if(DataHandle(fds[i].fd) <= 0){
if( getpeername(fds[i].fd, (Addr *)&addr, &addrlen) < 0)
perror("getpeername");
printf("[%s:%d][fd=%d] exited.\n",
inet_ntoa(addr.sin_addr), ntohs(addr.sin_port), fds[i].fd);
close(fds[i].fd);
for(j=i; j<nfds-1; j++)
fds[j] = fds[j+1];
nfds--;
i--;
}
}
}
}
close(fd);
return 0;
}
socket.c
#include "net.h"
void Argment(int argc, char *argv[]){
if(argc < 3){
fprintf(stderr, "%s<addr><port>\n", argv[0]);
exit(0);
}
}
int CreateSocket(char *argv[]){
/*创建套接字*/
int fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if(fd < 0)
ErrExit("socket");
/*允许地址快速重用*/
int flag = 1;
if( setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &flag, sizeof(flag) ) )
perror("setsockopt");
/*设置通信结构体*/
Addr_in addr;
bzero(&addr, sizeof(addr) );
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons( atoi(argv[2]) );
/*绑定通信结构体*/
if( bind(fd, (Addr *)&addr, sizeof(Addr_in) ) )
ErrExit("bind");
/*设置套接字为监听模式*/
if( listen(fd, BACKLOG) )
ErrExit("listen");
return fd;
}
int DataHandle(int fd){
char buf[BUFSIZ] = {};
Addr_in peeraddr;
socklen_t peerlen = sizeof(Addr_in);
if( getpeername(fd, (Addr *)&peeraddr, &peerlen) )
perror("getpeername");
int ret = recv(fd, buf, BUFSIZ, 0);
if(ret < 0)
perror("recv");
if(ret > 0){
printf("[%s:%d]data: %s\n",
inet_ntoa(peeraddr.sin_addr), ntohs(peeraddr.sin_port), buf);
}
return ret;
}
net.h
#ifndef _NET_H_
#define _NET_H_
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/tcp.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <strings.h>
#include <errno.h>
typedef struct sockaddr Addr;
typedef struct sockaddr_in Addr_in;
#define BACKLOG 5
#define ErrExit(msg) do { perror(msg); exit(EXIT_FAILURE); } while(0)
void Argment(int argc, char *argv[]);
int CreateSocket(char *argv[]);
int DataHandle(int fd);
#endif
成功实现多路复用
epoll函数族
epoll函数族用于高效的I/O事件管理，特别适用于高并发服务器应用
头文件: #include <sys/epoll.h>
epoll_create:
int epoll_create(int size);功能：创建一个epoll实例，并返回一个文件描述符作为该epoll实例的标识。
参数
size：之前用于定义事件队列的大小，但在Linux 2.6以后的版本中已被忽略。通常设置为0。返回值：
- 成功：返回一个非负的文件描述符。
- 失败：返回-1，并设置
errno。
epoll_ctl:
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);功能：向epoll实例中添加、修改或删除文件描述符及其相关事件。
参数：
epfd：epoll实例的文件描述符。op：操作类型，可以是EPOLL_CTL_ADD（添加新的文件描述符）、EPOLL_CTL_MOD（修改已注册的文件描述符的事件）或EPOLL_CTL_DEL（删除一个文件描述符）。fd：要操作的文件描述符。event：指向epoll_event结构的指针，用于指定事件类型和文件描述符的数据。
返回值：
- 成功：返回0。
- 失败：返回-1，并设置
errno。
epoll_wait:
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);功能：阻塞等待已注册的文件描述符上的事件发生。
参数：
epfd：epoll实例的文件描述符。events：指向epoll_event结构体数组的指针，用于存储发生的事件。maxevents：可以接收的事件数量的最大值。timeout：超时时间（以毫秒为单位），决定函数的阻塞行为。设置为0立即返回，设置为-1则无限期阻塞。
返回值：
- 成功：返回就绪事件的个数。
- 超时：返回0。
- 失败：返回-1，并设置
errno。
epoll实现多路复用
sever.c
#include "net.h"
#include <sys/epoll.h>
#define MAX_SOCK_FD 1024
int main(int argc, char *argv[])
{
int i, nfds, fd, epfd, newfd;
Addr_in addr;
socklen_t addrlen = sizeof(Addr_in);
struct epoll_event tmp, events[MAX_SOCK_FD] = {};
/*检查参数，小于3个 直接退出进程*/
Argment(argc, argv);
/*创建已设置监听模式的套接字*/
fd = CreateSocket(argv);
if( (epfd = epoll_create(1)) < 0)
ErrExit("epoll_create");
tmp.events = EPOLLIN;
tmp.data.fd = fd;
if( epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &tmp) )
ErrExit("epoll_ctl");
while(1) {
if( (nfds = epoll_wait(epfd, events, MAX_SOCK_FD, -1) ) < 0)
ErrExit("epoll_wait");
printf("nfds = %d\n", nfds);
for(i = 0; i < nfds; i++) {
if(events[i].data.fd == fd){
/*接收客户端连接，并生成新的文件描述符*/
if( (newfd = accept(fd, (Addr *)&addr, &addrlen) ) < 0)
perror("accept");
printf("[%s:%d] connection.\n", inet_ntoa(addr.sin_addr), ntohs(addr.sin_port) );
tmp.events = EPOLLIN;
tmp.data.fd = newfd;
if( epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, newfd, &tmp) )
ErrExit("epoll_ctl");
}else{/*处理客户端数据*/
if(DataHandle(events[i].data.fd) <= 0){
if( epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, events[i].data.fd, NULL) )
ErrExit("epoll_ctl");
if( getpeername(events[i].data.fd, (Addr *)&addr, &addrlen) )
perror("getpeername");
printf("[%s:%d] exited.\n", inet_ntoa(addr.sin_addr), ntohs(addr.sin_port) );
close(events[i].data.fd);
}
}
}
}
close(epfd);
close(fd);
return 0;
}
socket.c
#include "net.h"
void Argment(int argc, char *argv[]){
if(argc < 3){
fprintf(stderr, "%s<addr><port>\n", argv[0]);
exit(0);
}
}
int CreateSocket(char *argv[]){
/*创建套接字*/
int fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if(fd < 0)
ErrExit("socket");
/*允许地址快速重用*/
int flag = 1;
if( setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &flag, sizeof(flag) ) )
perror("setsockopt");
/*设置通信结构体*/
Addr_in addr;
bzero(&addr, sizeof(addr) );
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons( atoi(argv[2]) );
/*绑定通信结构体*/
if( bind(fd, (Addr *)&addr, sizeof(Addr_in) ) )
ErrExit("bind");
/*设置套接字为监听模式*/
if( listen(fd, BACKLOG) )
ErrExit("listen");
return fd;
}
int DataHandle(int fd){
char buf[BUFSIZ] = {};
Addr_in peeraddr;
socklen_t peerlen = sizeof(Addr_in);
if( getpeername(fd, (Addr *)&peeraddr, &peerlen) )
perror("getpeername");
int ret = recv(fd, buf, BUFSIZ, 0);
if(ret < 0)
perror("recv");
if(ret > 0){
printf("[%s:%d]data: %s\n",
inet_ntoa(peeraddr.sin_addr), ntohs(peeraddr.sin_port), buf);
}
return ret;
}
net.h
#ifndef _NET_H_
#define _NET_H_
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/tcp.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <strings.h>
#include <errno.h>
typedef struct sockaddr Addr;
typedef struct sockaddr_in Addr_in;
#define BACKLOG 5
#define ErrExit(msg) do { perror(msg); exit(EXIT_FAILURE); } while(0)
void Argment(int argc, char *argv[]);
int CreateSocket(char *argv[]);
int DataHandle(int fd);
#endif
