网络编程IO多路复用

场景：设计一个高性能的网络服务器，能够供多个客户端同时进行连接，并且能够处理这些客户端传上来的请求

应对并发，可以设计一个多线程的程序，每个传上来的请求都开一个线程。存在一个弊端，需要CPU上下文的切换，代价高

如何使用单线程解决问题？
每一个网络连接在内核中以文件描述符的形式存在
如果服务器正在处理A的请求，此时B发送一个请求，B的请求会被丢弃吗？不会，因为处理IO的设备不是CPU，而是专门的DMA
最简单粗暴的方法，缺点是仍然由CPU判断是否有数据

while(1){
    for(fdx in (fda ~ fde)){
        if(fdx有数据){
            读fdx并处理;
        }
    }
}

select

sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
memset(&addr, 0, sizeof(addr));
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons(2000);
addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
bind(socket, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));
listen(sockfd, 5);
for(i = 0; i < 5; i++){
    memset(&client, 0, sizeof(client));
    addrlen = sizeof(client);
    fds[i] = accept(socket, (struct sockaddr*)&client, &addrlen);
    if(fds[i] > max)
        max = fds[i];
}
/*----------------------*/
while(1){
    FD_ZERO(&rset);
    for(i = 0; i < 5; i++)
        FD_SET(fds[i], &rset);

    puts("round again");
    select(max + 1, &rset, NULL, NULL, NULL);
 
    for(i = 0; i < 5; i++){
        if(FD_ISSET(fds[i], &rset)){
            memset(buffer, 0, MAXBUF);
            read(fds[i], buffer, MAXBUF);
            puts(buffer);
        }
    }
}

上一个部分主要是为了准备文件描述符的数组fds。首先创建了一个socket的服务端，然后创建了五个文件描述符
文件描述符是一些随机的不重复的数，将其中的最大值存到max中

select方法的参数：读文件描述符集合、rset、写文件描述符集合、异常描述符集合、超时时间
这里关心的是读文件描述符，因为要读取网络连接中的数据，将写文件描述符集合、异常描述符集合设置为NULL，超时时间NULL表示使用默认时间
rset是一个bitmap，用来表示哪一个文件描述符是被启用/监听的，bitmap有1024位，哪一位为1表示哪一个文件描述符被监听

select将rset从用户态拷贝到内核态，由内核态直接判断文件描述符是否有数据的操作；暴力方法判断时需要反复从用户态切换到内核态，效率更低

select函数的执行流程

select是一个阻塞函数，当没有数据时，会一直阻塞在select函数那一行
当有数据时会将rset中对应的那一位置位
select函数返回，不再阻塞
遍历文件描述符数组，判断哪个fd被置位了
读取数据，处理

select函数的缺点

bitmap默认大小为1024，虽然可以调整但是有限度
rset每次循环都需要重置，不可重复使用
尽管将rset从用户态拷贝到内核态由内核判断是否有数据，但还是有拷贝的开销
当有数据时select就会返回，但是select函数并不知道哪个文件描述符有数据了，后面还需要再次对文件描述符遍历

poll

struct pollfd{
    int fd;
    short events;
    short revents;
}
/*----------*/
for(i = 0; i < 5; i++){
    memset(&client, 0, sizeof(client));
    addrlen = sizeof(client);
    pollfds[i].fd = accept(socket, (struct sockaddr*)&client, &addrlen);
    pollfds[I].events = POLLIN;
}
sleep(1);
/*----------*/
while(1){
    puts("round again");
    poll(pollfds, 5, 50000);
    
    for(i = 0; i < 5; i++){
        if(pollfds[i].revents & POLLIN){
            pollfds[i].revents = 0;
            memset(buffer, 0, MAXBUF);
            read(pollfds[i].fd, buffer, MAXBUF);
            puts(buffer);
        }
    }
}

poll函数的参数

自定义的结构体数组
数组的长度
超时时间

自定义结构体

fd，文件描述符
events，在意的事件是什么，读是POLLIN，写是POLLOUT，读和写都在意用或
revents，对events的回馈，开始时为0，当有数据可读时就置为POLLIN，类似于上面的rset

poll函数的执行流程

将五个fd从用户态拷贝到内核态
poll为阻塞方法，执行poll方法，如果有数据会将fd对应的revents置为POLLIN
poll方法返回
循环遍历，查找哪个fd被置位为POLLIN了
将revents重置为0，便于复用
对置位的fd进行读取和处理

解决了select的哪些缺陷

使用数组，大小不止1024，解决了bitmap的大小限制
每次置位revents字段，revents可以恢复，解决了rset不可重用的情况
3和4的缺陷未被解决，因为两者原理相同

epoll

struct epoll_events[5];
int epfd = epoll_create(10);
...
...
for(i = 0; i < 5; i++){
    static struct epoll_event ev;
    memset(&client, 0, sizeof(client));
    addrlen = sizeof(client);
    ev.data.fd = accept(socket, (struct sockaddr*)&client, &addrlen);
    ev.events = POLLIN;
    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, ev.data.fd, &ev);
}
/*---------*/
while(1){
    puts("round again");
    nfds = epoll_wait(epfd, events, 5, 10000);

    for(i = 0; i < nfds; i++){
        memset(buffer, 0, MAXBUF);
        read(events[I].data.fd, buffer, MAXBUF);
        puts(buffer);
    }
}

epoll准备过程

利用epoll_create创建epfd，epfd相当于一个白板，用来作为epoll_wait的第一个参数，epoll_create的参数没有多大的实际意义，可以随意取值，用户态和内核态共享epfd
利用epoll_ctl对epfd进行配置，添加了五个fd-events的数据，没有revents

epoll的执行流程

当有数据的时候，会把相应的文件描述符置位，但是epoll没有revent标志位，并非真正的置位，而是将有数据的文件描述符放到队首
epoll返回有数据的文件描述符的个数
根据返回的个数，读取前n个文件描述符即可
读取并处理