C++ Webserver从零开始：基础知识（四）—

C++ Webserver从零开始：基础知识（四）——I/O复用

前言

select系统调用

poll系统调用

epoll系统调用

epoll_create

epoll_ctl

epoll_wait

LT和ET模式

EPOLLONESHOT事件

epoll和select/poll的区别

事件集处理方式

实现原理和效率

其他区别

前言

在第三章中我们大概地讲解了什么是I/O复用，即：I/O复用技术即使用select,poll,epoll等系统调用，让主线程能同时监听多个文件描述符，提高服务器运行的效率。

PS: 虽然I/O复用能同时监听多个文件描述符，但是其本身是阻塞的，当主线程已经监听到多个文件描述符时，如果不采用并发技术，那么程序也只能按顺序一个一个去处理这些文件描述符。

在本章中，我们将依次介绍select，poll，epoll系统调用，基于简单且重要的原则，本章不会详细介绍select和poll，但他们依然是面试高频考点，希望读者能自行去了解一下。本章将重点介绍epoll，同时介绍epoll中两种重要的触发模式LT水平触发模式和ET边沿触发模式，这些内容是第三章中提到的是I/O处理单元中的核心内容，需要读者理解且记忆。

select系统调用

#include<sys/select.h>
int select(int nfds,fd_set* readfds, fd_set* writefds, 
           fd_set* exceptfds,struct timeval* timeout);

作用：在指定的一段时间内，轮询监听文件描述符上的可读，可写和异常等事件
参数：

- nfds:指定被监听文件描述符的总数,通常却文件描述符中的最大值+1
- readfds:可读事件对应的文件描述符的集合
- writefds:可写事件对应的文件描述符的集合
- exceptfds:异常事件对应的文件描述符的集合
- timeout:函数运行的时间

返回值：

- 成功：就绪文件描述符的总数
- 失败：-1

其中fd_set结构指针类型和struct timeval指针类型感兴趣可以自行搜索。

select系统调用中的文件描述符只有在可读，可写或异常的条件下才被计入就绪文件描述符，而这些具体条件感兴趣的读者自行搜索。

poll系统调用

#include<poll.h>
int poll(struct pollfd* fds,nfds_t nfds,int timeout);

struct pollfd{
    int fd;/*文件描述符*/
    short events;/*注册的事件*/
    short revents;/*实际发生的事件，由内核填充*/

作用：在一定时间内，轮询一定数量的描述符，检测其中是否有就绪事件
参数：

- fds:pollfd结构类型的数组

- - fd:文件描述符
  - events:fd上有哪些事件（见下图），这些事件通过按位或传入events
  - revents:内核进行修改，通知程序fd上那些事件确实发生了

- nfds:被监听的事件集合大小

- - nfds_t定义：typedef unsigned long int nfds_t;

- timeout:poll运行的时间，可以理解为一个倒计时，当时间到达函数返回

- - -1：永远阻塞直到某个事件发生

返回值：

- 成功：就绪文件描述符的总数
- 失败：-1

epoll系统调用

epoll是非常高效的I/O复用函数，它不是一个函数，而是一组函数，即

epoll_create
epoll_ctl
epoll_wait

epoll把文件描述符上的事件放入一个内核事件表里，而不是像select和poll那样每次调用重复传入文件描述符，但epll需要一个额外的文件描述符来标识这个内核事件表。

epoll_create

#include<sys/epoll.h>
int epoll_create(int size);

作用：创建文件描述符来标识内核事件表
参数：size不起作用，仅仅给内核一个提示，事件表应该有多大
返回值：作为其他epoll函数的第一个参数

epoll_ctl

创建好了标识内核事件表的文件描述符，即可使用epoll_ctr对内核事件表进行设置

#include<sys/epoll.h>
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event* event);

struct epoll_event
{
    _uint32_t events;
    epoll_data_t data;
}

作用：对内核事件表进行操作
参数：

- epfd:标识内核事件表
- op:操作类型

- - EPOLL_CTL_ADD:往时间表中注册fd上的事件
  - EPOLL_CTL_MOD:修改fd上的注册事件
  - EPOLL_CTL_DEL:删除fd上的注册事件

- fd:要操作的文件描述符
- event:指定事件(结构体内如下）

- - _uint32_t events ：事件类型(与poll的事件类型相同，但要前加“E"）
  - epoll_data_t data ：存储用户数据(联合体内如下）

- - - void* ptr : 指定与fd相关的用户数据
    - int fd : 事件所从属的目标文件描述符（常用）
    - uint32_t: u32:
    - uint64_t:u64:
    - （PS：联合体union即多选一使用，不能同时使用)

返回值：

- 成功：0
- 失败：-1

事件类型（poll类型的，epoll在poll类型的事件类型前面 + ”E"；

epoll_wait

创建并设置好内核事件表后，即可使用epoll_wait()开始等待事件

#include<sys/epoll.h>
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event* events,int maxevents,int timeout);

作用：在一定时间内接收就绪事件，并加入一个事件数组中等待程序处理
参数：

- epfd:内核事件表的标识符（epoll_create创建的）
- events:事件数组，将epfd中的就绪事件取出放进去
- maxevents:最多监听多少个时间
- timeout:epoll_wait等待的时间，可以理解为倒计时，时间到了返回

返回值

- 成功：接收到的事件数量
- 失败：-1

epoll_wait函数检测到事件后，会将内核注册表中的就绪事件放入第二个数组中，当工作线程来数组中取事件处理时，就不需要判断事件是否是就绪事件，而poll则需要先判断是否就绪。

可以这样理解，文件描述符上的事件是一堆未处理的食物，而I/O复用函数作用是将这些食物放入一格一格的容器中。poll容器不管食物是否烹饪过，直接放进去。而epoll会有一个大厨（内核）来将烹饪过的食物放进去。在食客挑选食物食用时（工作线程逻辑处理），如果是poll容器，则需要一个格子一个格子打开判断食物是否可以食用,而epoll容器中都是可以直接食用的食物，食客直接打开食用即可。

LT和ET模式

epoll对文件描述符的操作又两种模式，LT模式ET模式。

LT模式（水平触发）：LT是默认的工作模式，这种模式epoll相当于一个高效的poll

ET模式（边沿触发）：当往epoll内核事件表中注册一个文件描述符上的EPOLLET事件时，epoll会切换成ET模式

LT模式：当epoll_wait检测到文件描述符上有事件发生并通知应用程序后，应用程序可以不立即处理事件，当下一次调用epoll_wait时，epoll_wait还会再次向应用程序通告此事件，直到这个事件被处理。

ET模式：当epoll_wait检测到文件描述符上有事件发生并通知应用程序后，应用程序必须立即处理事件，后续epoll_wait不再通知

LT模式和ET模式可以这样理解，还是上面那个例子，EPOLL容器安装了一个语音呼叫装置，当容器某一格内有食物（就绪事件）时，它就会呼叫食客来取餐。LT模式下，食客可以不来用餐，这样当主线程循环一遍后又一次调用EPOLL时，它又会再次呼叫食客来取走上次未取走的那个格子里的食物。而ET模式下，EPOLL容器一呼叫，食客就必须来取餐。

EPOLLONESHOT事件

在使用epoll时可能遇到这样的问题，在某个线程读取完某个socket上的数据开始处理时，这个socket上又来了新的数据，这时另一个线程被唤醒处理这些数据，那么就出现了两个线程处理同一个socket的情况。为了避免这种情况，可以使用EPOLLONESHOT事件。

一个注册了EPOLLONESHOT事件的文件描述符，操作系统最多可以触发其上的一个事件，且只能触发一次。除非用epoll_ctl函数重置该文件描述符上的EPOLLONESHOT事件。反过来，当一个线程处理完一个socket上的事件，就该立刻重置其上的EPOLLONESHOT事件，保证下次其他线程能处理这个socket。