关于I/O模型,和select、poll、epoll的区别

I/O模型主要包括:阻塞IO、非阻塞IO、I/O 多路复用、异步I/O和信号I/O;


Socket创建的时候默认是阻塞的,如何将Socket设置为非阻塞的?

第一种:直接在创建socket时设置

int sockfd= socket(AF_INET,SOCK_STREAM | SOCK_NONOBLOCK,0);

第二种,fcntl系统调用函数是用来控制文件描述符常用的属性和行为,通过此函数可以修改socket属性;

#include <fcntl.h>

int fcntl(int fd,int cmd,...)


int flags = fcntl(sockfd,F_GETFL,0);

fcntl(sockfd,F_SETFL,flags | SOCK_NONOBLOCK);


阻塞和非阻塞的理解

阻塞和非阻塞能应用于所有文件描述符。所谓阻塞方式的意思是指,当试图对该文件描述符进行读写时,如果当时没有东西可读,或者暂时不可写,程序就进入等待状态,直到有东西可读或者可写为止;而对于非阻塞状态,如果没有东西可读,或者不可写,读写函数马上返回,而不会等待,O_NONBLOCK 的标志打开文件/Socket/FIFO句柄,如果连续做 read 操作而没有数据可读,此时程序不会阻塞起来等待数据准备就绪返回,read 函数会返回一个错误 EAGAIN,提示你的应用程序现在没有数据可读请稍后再试。

 

IO Multiplexing - IO多路复用

I/O复用是最常使用的I/O通知机制,指的是,应用程序通过I/O复用函数向内核注册一组事件,内核通过I/O复用函数把其中就绪的事件通知给应用程序,Linux常用的I/O复用函数有select、poll和epoll;但I/O复用函数本身是阻塞的,它们能提高程序效率的原因在于它们具有同时监听多个I/O事件的能力;


SIGIO信号,即信号驱动IO,也可以用来报告I/O事件,但某个目标文件描述符上有事件发生时,SIGIO信号的信号处理函数就将被触发,我们也就可以在该信号处理函数中对目标文件描述符执行非阻塞I/O操作了。


Asynchronous IO - 异步IO,用户直接对I/O执行读写操作,这些操作告诉内核用户读写缓冲区的位置,以及I/O操作完成之后内核通知应用程序的方式,异步I/O的读写操作总是立即返回,而不论I/O是否是阻塞的,因为真正的读写操作已经由内核接管。也就是说,同步I/O模型要求用户代码自行执行I/O操作(将数据从内核缓冲区读入用户缓冲区,或是将数据从用户缓冲区写入内核缓冲区),而异步I/O机制则由内核来在后台执行I/O操作。同步I/O向应用程序通知的是I/O就绪事件,而异步I/O向应用程序通知的是I/O完成时间。

Linux环境中,aio.h头文件中定义的函数提供了对异步I/O的支持。


进程文件描述符上限和系统文件描述符上限

进程文件描述符上限user limit中nofile的soft limit,实际上这是单个用户的文件描述符上限

[root@ff353cc400a7 ~]# ulimit -a

open files                      (-n) 1048576


[root@ff353cc400a7 ~]# ps -ef|grep nginx

root       401     1  0 May06 ?        00:00:00 nginx: master process /usr/sbin/nginx

www-data   402   401  0 May06 ?        00:00:00 nginx: worker process

www-data   403   401  0 May06 ?        00:00:00 nginx: worker process

www-data   404   401  0 May06 ?        00:00:00 nginx: worker process

www-data   405   401  0 May06 ?        00:00:00 nginx: worker process

[root@ff353cc400a7 ~]# cat /proc/401/limits

Max processes             unlimited            unlimited            processes 

Max open files            1048576              1048576              files     


查看nginx进程实际打开的文件句柄数!

[root@ff353cc400a7 ~]# ll /proc/401/fd | wc -l

22


进程文件描述符上限修改:

1、临时修改,重启恢复:ulimit -n 2048

2、修改linux系统参数。vi /etc/security/limits.conf 添加

*  soft  nofile  65536

*  hard  nofile  65536


系统文件描述符上限, 文件描述符一定会占用资源,在有限的硬件条件下,比方内存等系统资源,文件描述符必定会有上限,但远大于进程文件描述符大小:

[root@ff353cc400a7 ~]# cat /proc/sys/fs/file-max

782683 

 

select、poll和epoll的区别与关键差异

select监听文件句柄的个数,主要受限sys/select.h头文件中 FD_SETSIZE 的大小,一般来说是1024,只有重新编译内核才能调整,这就限定了select函数中的文件描述符上限;

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


poll监听文件句柄的个数,则是进程可打开的文件描述符大小;

int poll(struct pollfd *fds, unsigned int nfds, int timeout);

pollfd 结构包含了要监视的 event 和发生的 event,不在使用 select “参数-值”的传递方式。poll 方式为每个需要监听的文件描述符构建一个类型为 pollfd 的对象并填充监听的事件,poll 返回后,检查 revents 字段判断是否就绪。poll 不会修改 pollfds 数组,所以不需要每次都重新传入 pollfds,但是每次处理完需要重制 revents 值。


struct pollfd {

    int fd;  /* file descriptor */

    short events; /* requested events to watch */

    short revents; /* returned events witnessed */

}

同时,pollfd 并没有最大数量限制(但是数量过大后性能也是会下降)。和 select 函数一样,poll 返回后,需要轮询 pollfd 来获取就绪的描述符。


select 和 poll 都需要在返回后,通过遍历文件描述符来获取已经就绪的 socket。事实上,同时连接的大量客户端在某一时刻可能只有很少的处于就绪状态,因此随着监视的描述符数量的增长,效率也会线性下降。


epoll监听文件句柄的个数,则是系统文件描述符上限,句柄上限是系统最大可以打开文件的数目,这个通常可以达到百万量级;

// 创建一个 epoll 的句柄,size 用来告诉内核这个监听的数目一共有多大,并不是限制了 epoll 所能监听的描述符的最大个数,只是对内核初始分配内部数据结构的一个建议

int epoll_create(int size); 

// 向 epfd 里添加、移除文件描述符

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

// 等待事件发生

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

epfd: 是 epoll_create() 的返回值。

op: 表示 op 操作,用三个宏来表示,

添加 EPOLL_CTL_ADD,

删除 EPOLL_CTL_DEL,

修改 EPOLL_CTL_MOD。

分别添加,删除和修改对 fd 的监听事件。

fd:是需要监听的 fd(文件描述符)

epoll_event:是告诉内核需要监听什么事件,struct epoll_event 的结构如下:

struct epoll_event {

__uint32_t events; / Epoll events /

epoll_data_t data; / User data variable /

};


epoll的ET模式和LT模式理解;

epoll是一种的较为高效的多路复用模型,高效主要体现在哪些方面?并发性能更强,处理大量句柄能力没有内核句柄列表拷贝的过程,内核提供了更快的性能处理。

 

epoll的ET模式下,正确的读写方式是:

读: 只要可读, 就一直读,直到返回0,或者 errno = EAGAIN

写:只要可写, 就一直写,直到数据发送完,或者 errno = EAGAIN


思考:epoll为什么只能使用非阻塞的Socket?


epoll 对文件描述符的操作有两种模式:LT(水平触发 level trigger) 和 ET(边缘触发 edge trigger)。LT 模式为默认模式,LT 模式与 ET 模式的区别如下:

LT模式:当 epoll_wait 检测到描述符时间发生并将此事件通知应用程序,应用程序可以不立即处理该时间。下次调用 epoll_wait 时,会再次相应应用程序并通知此事件。

ET模式:当 epoll_wait 检测到描述符事件发生并将此事件通知应用程序,应用程序必须立即处理该事件。如果不处理,下次调用 epoll_wait 时,不会再次响应应用程序并通知次事件。


一种是在单独的线程或进程里解析数据,另外一种解决方法就是设置EPOLLONESHOT属性!

void Eepoll::ResetOneShot(intepollfd,SOCKET fd,bool bOne)
{
         epoll_eventevent;
         event.data.fd= fd;
         event.events= EPOLLIN | EPOLLET ;

         if(bOne)
         {
                   event.events |=EPOLLONESHOT;
         }
         if(-1 == epoll_ctl(epollfd,EPOLL_CTL_MOD,fd,&event))
         {
                   perror("resetoneshotepoll_ctl error!");
         }
}


呱牛笔记

参考:《Linux高性能服务器编程》

文章1

文章2


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