关于I/O模型，和select、poll、epoll的区别

呱牛
2020-05-26 20:28:52
编程语言
经验分享 Linux网络编程

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

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!");
         }
}

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