I/O复用技术

Unix下5种IO模型：
阻塞式IO；
非阻塞式IO；
IO复用；
信号驱动IO；
异步IO；

阻塞IO会使调用进程在IO数据未准备好时阻塞。

非阻塞IO在数据未准备好时不是阻塞调用进程，而是返回一个错误。

IO复用使调用进程阻塞在IO复用函数上，而不是阻塞在真正IO系统调用上，其优势在于可以等待多个描述符就绪。

信号驱动IO首先要开启套接字的信号驱动IO功能，并通过sigaction系统调用安装一个信号处理函数，它不会阻塞进程，当数据准备好的时候，内核就为该进程产生一个SIGIO信号，然后就可以在信号处理函数中去处理IO操作，或者通知主循环处理IO操作。

异步IO是由内核通知我们IO操作何时完成，而信号驱动IO是内核通知我们何时可以启动一个IO操作。

下面介绍IO复用的函数

select函数

#include <sys/select.h>#include <sys/time.h>int select(int maxfdp1, fd_set *readset, fd_set *writeset, fd_set *exceptset, const struct timeval *timeout);返回：若有就绪描述符则为其数目，若超时则为0，若出错则为-1

struct timeval{    long  tv_sec;  //秒    long  tv_usec;  //微秒};

timeout参数：
1、NULL —— 永远等待下去
2、指定秒数和微秒数 —— 等待一段固定时间
3、定时器的值为0 —— 根本不等待

readset, writeset, exceptset指定要让内核测试读、写和异常条件的描述符。

四个宏：
void FD_ZERO(fd_Set *fdset); //清除fdset中所有bits
void FD_SET(int fd, fd_set *fdset); //在fdset中为fd turn on位
void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset); //在fdset中为fd turn off位
int FD_ISST(int fd, fd_set *fdset); //测试fdset中的fd描述符

注意：描述符集内任何与未就绪描述符对应的位返回时均清成0，因此每次重新调用select函数时，我们都得再次把所有描述符集内所关心的位均置为1。

maxfdp1是待测试的最大描述符加1。

poll函数

#include <poll.h>int poll(struct pollfd *fdarray, unsigned long nfds, int timeout);返回：如有就绪描述符则为其数目，若超时则为0，若出错则为-1。

struct pollfd{    int    fd;       //待检查的描述符    short  events;   //在fd上感兴趣的事件    short  revents;  //在fd上发生的事件}

事件标志：
POLLIN 普通或者优先级带数据可读
POLLRDNORM 普通数据可读
POLLRDBAND 优先级带数据可读
POLLPRI 高优先级带数据可读

POLLOUT 普通或优先级带数据可写
POLLWRNORM 普通数据可写
POLLWRBAND 优先级带数据可写

POLLERR 发生错误
POLLHUP 发生挂起
POLLNVAL 描述符不是一个打开的文件

nfds指定结构数组个数

timeout参数指定poll函数返回前等待多长时间，其值是一个应等待毫秒数的正直，如果值为INFTIM就永远等待，如果为0就立即返回。

epoll

epoll是Linux内核为处理大批量文件描述符而作了改进的poll，是Linux下多路复用IO接口select/poll的增强版本，它能显著提高程序在大量并发连接中只有少量活跃的情况下的系统CPU利用率。另一点原因就是获取事件的时候，它无须遍历整个被侦听的描述符集，只要遍历那些被内核IO事件异步唤醒而加入Ready队列的描述符集合就行了。epoll除了提供select/poll那种IO事件的水平触发（Level Triggered）外(LT)，还提供了边缘触发（Edge Triggered），这就使得用户空间程序有可能缓存IO状态，减少epoll_wait/epoll_pwait的调用，提高应用程序效率(即高速模式ET)。传统的select/poll另一个致命弱点就是当你拥有一个很大的socket集合，不过由于网络延时，任一时间只有部分的socket是“活跃”的，但是select/poll每次调用都会线性扫描全部的集合，导致效率呈现线性下降。但是epoll不存在这个问题，它只会对“活跃”的socket进行操作---这是因为在内核实现中epoll是根据每个fd上面的callback函数实现的。那么，只有“活跃”的socket才会主动的去调用 callback函数，其他idle状态socket则不会。另外，epoll使用mmap加速内核与用户空间的消息传递，无论是select, poll还是epoll都需要内核把FD消息通知给用户空间，如何避免不必要的内存拷贝就很重要，在这点上，epoll是通过内核与用户空间mmap同一块内存实现的。epoll有两种工作方式：LT 和 ET。LT（level triggered）是缺省的工作方式，并且同时支持block和no-block socket.在这种做法中，内核告诉你一个文件描述符是否就绪了，然后你可以对这个就绪的fd进行IO操作。如果你不作任何操作，内核还是会继续通知你的，所以，这种模式编程出错误可能性要小一点。传统的select/poll都是这种模型的代表。ET （edge-triggered）是高速工作方式，只支持non-block socket。在这种模式下，当描述符从未就绪变为就绪时，内核通过epoll告诉你。然后它会假设你知道文件描述符已经就绪，并且不会再为那个文件描述符发送更多的就绪通知，直到你做了某些操作导致那个文件描述符不再为就绪状态了（比如，你在发送，接收或者接收请求，或者发送接收的数据少于一定量时导致了一个EWOULDBLOCK 错误）。但是请注意，如果一直不对这个fd作IO操作（从而导致它再次变成未就绪），内核不会发送更多的通知（only once）。

epoll的接口

epoll操作过程需要三个接口，分别如下：

#include <sys/epoll.h>int epoll_create(int size);int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);

（1） int epoll_create(int size);
　　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。这个参数不同于select()中的第一个参数，给出最大监听的fd+1的值。需要注意的是，当创建好epoll句柄后，它就是会占用一个fd值，在linux下如果查看/proc/进程id/fd/，是能够看到这个fd的，所以在使用完epoll后，必须调用close()关闭，否则可能导致fd被耗尽。

（2）int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
　　epoll的事件注册函数，它不同与select()是在监听事件时告诉内核要监听什么类型的事件epoll的事件注册函数，它不同与select()是在监听事件时告诉内核要监听什么类型的事件，而是在这里先注册要监听的事件类型。第一个参数是epoll_create()的返回值，第二个参数表示动作，用三个宏来表示：
EPOLL_CTL_ADD：注册新的fd到epfd中；
EPOLL_CTL_MOD：修改已经注册的fd的监听事件；
EPOLL_CTL_DEL：从epfd中删除一个fd；
第三个参数是需要监听的fd，第四个参数是告诉内核需要监听什么事，struct epoll_event结构如下：

struct epoll_event {
__uint32_t events; /* Epoll events */
epoll_data_t data; /* User data variable */
};

events可以是以下几个宏的集合：
EPOLLIN ：表示对应的文件描述符可以读（包括对端SOCKET正常关闭）；
EPOLLOUT：表示对应的文件描述符可以写；
EPOLLPRI：表示对应的文件描述符有紧急的数据可读（这里应该表示有带外数据到来）；
EPOLLERR：表示对应的文件描述符发生错误；
EPOLLHUP：表示对应的文件描述符被挂断；
EPOLLET： 将EPOLL设为边缘触发(Edge Triggered)模式，这是相对于水平触发(Level Triggered)来说的。
EPOLLONESHOT：只监听一次事件，当监听完这次事件之后，如果还需要继续监听这个socket的话，需要再次把这个socket加入到EPOLL队列里

（3） int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);
　　等待事件的产生，类似于select()调用。参数events用来从内核得到事件的集合，maxevents告之内核这个events有多大，这个maxevents的值不能大于创建epoll_create()时的size，参数timeout是超时时间（毫秒，0会立即返回，-1将不确定，也有说法说是永久阻塞）。该函数返回需要处理的事件数目，如返回0表示已超时。