操作系统中的IO多路复用

操作系统中的IO多路复用

  • 1. IO多路复用的概念和原理
  • 2. 五种IO模型
  • 3. select函数
  • 4. poll函数
  • 5. epoll函数

1. IO多路复用的概念和原理

IO多路复用是一种基于事件驱动的IO模型，它允许一个进程同时监视多个IO事件，并在有事件发生时进行响应。这种模型的核心在于使用一组系统调用同时监听多个文件描述符的IO状态，包括可读、可写、异常等，从而实现高效的IO操作管理。

2. 五种IO模型

  1. 阻塞IO：IO操作会一直阻塞当前线程，直到数据准备完毕才返回结果。
  2. 非阻塞IO：IO操作立即返回，如果数据尚未准备好则返回一个错误码。
  3. IO多路复用：同时监听多个IO事件，当有事件就绪时通知应用程序进行处理，避免了轮询带来的CPU浪费。
  4. 信号驱动IO：IO操作完成时，内核向应用程序发送信号通知，应用程序进行后续处理。
  5. 异步IO：IO操作完成后内核直接将数据拷贝到用户空间，并通过回调函数或其他机制通知应用程序，实现完全异步的IO操作。

3. select函数

select 函数是用于实现I/O多路复用的系统调用之一，其作用是在一组文件描述符上进行监视，以确定是否有输入输出操作可以进行而不会阻塞。

具体来说，select 的作用包括：

多路复用：select允许同时监视多个文件描述符，可以在这些文件描述符中的任何一个上等待数据的到达，而不需要为每个文件描述符创建一个单独的线程或进程来处理。
非阻塞等待：使用 select 可以在一组文件描述符上进行非阻塞的等待，当其中任何一个文件描述符准备好进行I/O操作时，select 函数返回，并告知哪些文件描述符已经就绪。
异步通知：select 函数可以在指定的一段时间内等待文件描述符的就绪状态，或者一直等待直到文件描述符就绪为止。这种等待过程是异步的，不会阻塞整个程序的执行。
多种事件：select 不仅可以检测文件描述符是否可读，还可以检测文件描述符是否可写、是否出现异常等。

select函数原型

#include <sys/select.h>

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

nfds：这是一个整数类型的参数，表示监视的文件描述符的最大值加1。在Unix系统中，文件描述符是从0开始的，因此nfds通常设置为需要监视的最大文件描述符加1。

fd_set 结构：
使用 fd_set 类型时，实际上使用了一种位图的数据结构。这个位图中的每一位对应一个文件描述符，位图的内容表示该文件描述符是否在集合中。如果一个位是 1，则表示对应位置的文件描述符在集合中，有效；如果是 0，则表示对应位置的文件描述符不在集合中，无效。
fd_set 是一个位图，其大小是固定的，通常上限是 1024 个文件描述符

fd_set 提供了一系列操作宏来操作文件描述符集合：
FD_ZERO(fd_set *set)：将文件描述符集合清空。
FD_SET(int fd, fd_set *set)：将文件描述符 fd 添加到集合中。
FD_CLR(int fd, fd_set *set)：从集合中移除文件描述符 fd。
FD_ISSET(int fd, fd_set *set)：检查文件描述符 fd 是否在集合中。

fd_set *readfds、fd_set *writefds、fd_set * exceptfds： 这三个参数都是指向 fd_set 类型的指针。fd_set 是一个位图，用于表示文件描述符集合。这三个参数分别表示待检查可读、可写和异常条件的文件描述符集合。

struct timeval 结构体：

struct timeval {
    time_t tv_sec;  // 秒
    suseconds_t tv_usec;  // 微秒
};

tv_sec 表示等待的秒数，tv_usec 表示等待的微秒数。如果 timeout 参数为 NULL，select 函数将会一直阻塞，直到有文件描述符就绪或者被信号中断。

基于 select 的多路复用服务器:

#include <iostream>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <unistd.h>
#include <cstring>
#include <vector>
#include <algorithm>

constexpr int MAX_CLIENTS = 10;
constexpr int BUFFER_SIZE = 1024;

int main() {
    // 创建监听套接字
    int server_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (server_socket == -1) {
        std::cerr << "Error: Could not create socket\n";
        return 1;
    }

    // 绑定地址和端口
    sockaddr_in server_address;
    server_address.sin_family = AF_INET;
    server_address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    server_address.sin_port = htons(8080);

    if (bind(server_socket, reinterpret_cast<sockaddr*>(&server_address), sizeof(server_address)) == -1) {
        std::cerr << "Error: Could not bind to address\n";
        close(server_socket);
        return 1;
    }

    // 监听连接
    if (listen(server_socket, MAX_CLIENTS) == -1) {
        std::cerr << "Error: Could not listen on socket\n";
        close(server_socket);
        return 1;
    }

    // 准备客户端套接字集合
    fd_set client_fds;
    FD_ZERO(&client_fds);
    FD_SET(server_socket, &client_fds);
    int max_fd = server_socket;

    while (true) {
        // 复制客户端套接字集合以供select修改
        fd_set read_fds = client_fds;

        // 使用select等待读事件
        if (select(max_fd + 1, &read_fds, nullptr, nullptr, nullptr) == -1) {
            std::cerr << "Error: Select failed\n";
            break;
        }

        // 检查服务器套接字是否有新的连接
        if (FD_ISSET(server_socket, &read_fds)) {
            sockaddr_in client_address;
            socklen_t client_address_len = sizeof(client_address);
            int client_socket = accept(server_socket, reinterpret_cast<sockaddr*>(&client_address), &client_address_len);
            if (client_socket == -1) {
                std::cerr << "Error: Could not accept connection\n";
            } else {
                std::cout << "New connection from " << inet_ntoa(client_address.sin_addr) << ":" << ntohs(client_address.sin_port) << std::endl;
                FD_SET(client_socket, &client_fds);
                max_fd = std::max(max_fd, client_socket);
            }
        }

        // 检查现有连接是否有数据可读
        for (int i = server_socket + 1; i <= max_fd; ++i) {
            if (FD_ISSET(i, &read_fds)) {
                char buffer[BUFFER_SIZE];
                int bytes_received = recv(i, buffer, BUFFER_SIZE, 0);
                if (bytes_received <= 0) {
                    if (bytes_received == 0) {
                        std::cout << "Connection closed by client\n";
                    } else {
                        std::cerr << "Error: Could not receive data\n";
                    }
                    close(i);
                    FD_CLR(i, &client_fds);
                } else {
                    std::cout << "Received: " << std::string(buffer, bytes_received);
                }
            }
        }
    }

    close(server_socket);
    return 0;
}

select 函数的缺点包括：

  1. 效率低下：在大量文件描述符时，性能下降。
  2. 文件描述符数量限制：监视的文件描述符数量有限。
  3. 用户空间与内核空间据拷贝增加系统开销。

4. poll函数

poll 是用于实现I/O多路复用的系统调用，它和 select 在实现上有一些区别，但都具有相似的作用。

作用：

实现I/O多路复用：select 和 poll 都允许同时监视多个文件描述符，以确定是否有输入输出操作可以进行而不会阻塞。
非阻塞等待：使用 select 和 poll 可以在一组文件描述符上进行非阻塞的等待，当其中任何一个文件描述符准备好进行I/O操作时，函数返回，并告知哪些文件描述符已经就绪。
异步通知：select 和 poll 可以在指定的一段时间内等待文件描述符的就绪状态，或者一直等待直到文件描述符就绪为止。这种等待过程是异步的，不会阻塞整个程序的执行。
用于网络编程和文件I/O：select 和 poll 可以用于网络编程中的服务器端和客户端，也可以用于管道、套接字等文件描述符的I/O操作。

select 和 poll 区别：

数据结构不同：
select 使用 fd_set 结构来管理文件描述符集合。
poll 使用 pollfd 结构数组来管理文件描述符及其关注的事件。
事件通知方式不同：
select 中就绪事件通过修改 fd_set 集合来返回。
poll 中就绪事件通过设置 pollfd 结构体中的 revents 字段来返回。
文件描述符数量限制：
select 需要指定文件描述符的最大值加1，并且有限制（通常为1024）。
poll 则不需要指定文件描述符的最大值，并且没有文件描述符数量的限制。
性能差异：
在文件描述符较多时，poll 通常比 select 更高效，因为 poll 使用了更为简洁的数据结构，在内核中的实现也更为高效。

poll函数原型：

#include <poll.h>

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

struct pollfd结构体：

struct pollfd {
    int   fd;       // 要监视的文件描述符
    short events;   // 要监视的事件
    short revents;  // 实际发生的事件
};

fd：表示要监视的文件描述符。当 fd 为负数时，表示忽略此项，即此 pollfd 结构体不会监视任何文件描述符。

events：表示要监视的事件，是一个位掩码，用于指定感兴趣的事件。常见的事件包括：
POLLIN：表示可读事件。
POLLOUT：表示可写事件。
POLLERR：表示错误事件。
POLLHUP：表示挂起事件。
POLLNVAL：表示无效事件。

revents：表示实际发生的事件，是 poll 函数返回时填充的字段。它是由内核填充的位掩码，用于指示发生了哪些事件。在调用 poll 函数后，应用程序需要检查 revents 字段来确定哪些事件发生了。

fds：一个指向 struct pollfd 结构体数组的指针，用于指定待监视的文件描述符及其事件。
nfds：监视的文件描述符数量，即 fds 数组中元素的个数。
timeout：超时时间，单位为毫秒。如果设置为负数，表示 poll 将永远阻塞，直到有事件发生；如果设置为 0，表示 poll 立即返回，即便没有任何事件发生；如果设置为正数，表示 poll 在超时时间内等待事件发生。

基于 poll 的多路复用服务器

#include <iostream>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <unistd.h>
#include <vector>
#include <algorithm>

constexpr int MAX_CLIENTS = 10;
constexpr int BUFFER_SIZE = 1024;

int main() {
    // 创建监听套接字
    int server_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (server_socket == -1) {
        std::cerr << "Error: Could not create socket\n";
        return 1;
    }

    // 绑定地址和端口
    sockaddr_in server_address;
    server_address.sin_family = AF_INET;
    server_address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    server_address.sin_port = htons(8080);

    if (bind(server_socket, reinterpret_cast<sockaddr*>(&server_address), sizeof(server_address)) == -1) {
        std::cerr << "Error: Could not bind to address\n";
        close(server_socket);
        return 1;
    }

    // 监听连接
    if (listen(server_socket, MAX_CLIENTS) == -1) {
        std::cerr << "Error: Could not listen on socket\n";
        close(server_socket);
        return 1;
    }

    // 准备客户端套接字集合
    std::vector<pollfd> client_fds(1);
    client_fds[0].fd = server_socket;
    client_fds[0].events = POLLIN;

    while (true) {
        // 使用poll等待读事件
        if (poll(client_fds.data(), client_fds.size(), -1) == -1) {
            std::cerr << "Error: Poll failed\n";
            break;
        }

        // 检查服务器套接字是否有新的连接
        if (client_fds[0].revents & POLLIN) {
            sockaddr_in client_address;
            socklen_t client_address_len = sizeof(client_address);
            int client_socket = accept(server_socket, reinterpret_cast<sockaddr*>(&client_address), &client_address_len);
            if (client_socket == -1) {
                std::cerr << "Error: Could not accept connection\n";
            } else {
                std::cout << "New connection from " << inet_ntoa(client_address.sin_addr) << ":" << ntohs(client_address.sin_port) << std::endl;
                client_fds.push_back({client_socket, POLLIN});
            }
        }

        // 检查现有连接是否有数据可读
        for (size_t i = 1; i < client_fds.size(); ++i) {
            if (client_fds[i].revents & POLLIN) {
                char buffer[BUFFER_SIZE];
                int bytes_received = recv(client_fds[i].fd, buffer, BUFFER_SIZE, 0);
                if (bytes_received <= 0) {
                    if (bytes_received == 0) {
                        std::cout << "Connection closed by client\n";
                    } else {
                        std::cerr << "Error: Could not receive data\n";
                    }
                    close(client_fds[i].fd);
                    client_fds.erase(client_fds.begin() + i);
                    --i; // 因为erase后迭代器会失效，需要调整索引
                } else {
                    std::cout << "Received: " << std::string(buffer, bytes_received);
                }
            }
        }
    }

    close(server_socket);
    return 0;
}

poll 函数的缺点包括：

  1. 低效性：poll 在处理大量文件描述符时效率较低。每次调用 poll 都需要遍历所有注册的文件描述符，无论它们是否就绪，因此随着文件描述符数量的增加，poll 的性能会逐渐下降。
  2. 复制开销：poll 使用的是用户空间的数据结构来管理事件，每次调用 poll 都需要将文件描述符集合复制到内核空间，这个复制过程会带来一定的开销。
  3. 不支持边缘触发：poll 不支持边缘触发（Edge-Triggered，简称 ET）模式，只支持水平触发（Level-Triggered，简称 LT）模式。在高并发场景下，边缘触发模式更加高效，因为它只会在状态发生变化时通知应用程序。

5. epoll函数

epoll 是 Linux 内核提供的一种事件通知机制，用于实现高性能的I/O多路复用。它是 select 和 poll 的改进版本，在处理大量并发连接时具有更好的性能和扩展性。

主要特点：

高性能：epoll 可以有效地管理大量的文件描述符，监视它们的I/O事件并通知应用程序，避免了 select 和 poll 在大规模连接时的性能瓶颈。
事件驱动：epoll 是事件驱动的，当文件描述符上发生对应的事件时，内核会将该事件通知给应用程序，从而实现了异步的I/O操作。
支持多种模式：epoll 支持边沿触发（Edge-Triggered，简称 ET）和水平触发（Level-Triggered，简称 LT）两种模式，可以根据需要选择合适的模式。
仅通知活跃事件：与 poll 和 select 不同，epoll 只会通知活跃的事件，而不是遍历所有注册的文件描述符，因此在有大量非活跃文件描述符的情况下，epoll 的性能更好。
使用内核空间管理事件：epoll 利用了 Linux 内核空间的数据结构来管理事件，避免了大量文件描述符的复制和遍历，从而提高了性能。

epoll 原理：

epoll 使用三种核心数据结构来管理事件：
红黑树（Red-Black Tree）：用于存储监听的文件描述符，通过文件描述符来快速定位到对应的事件结构。
就绪链表（Ready List）：用于存储已经就绪的事件，当有文件描述符上的事件发生时，将对应的事件结构添加到就绪链表中。
事件结构（Event Structure）：用于存储文件描述符的事件状态（读、写、异常等）以及其他相关信息。

注册事件：
应用程序通过调用 epoll_create 创建一个 epoll 实例，并使用 epoll_ctl 函数将需要监听的文件描述符注册到 epoll 实例中，同时指定关注的事件类型（读、写、错误等）。

事件监听：
当文件描述符上的事件发生时，内核会将对应的事件结构添加到就绪链表中。 epoll_wait 函数被调用时，内核会检查就绪链表，将其中的事件返回给应用程序，并在就绪链表中移除这些事件。

效率优化：
epoll 的核心优化在于使用了红黑树来存储文件描述符，这使得 epoll 能够高效地处理大量的文件描述符。
epoll 只通知活跃的事件，避免了遍历所有文件描述符的开销，从而提高了效率。

事件触发模式：

epoll 支持两种事件触发模式：水平触发（Level-Triggered，简称 LT）和边缘触发（Edge-Triggered，简称 ET）。
水平触发模式下，当文件描述符上的事件处于就绪状态时，每次调用 epoll_wait 都会返回该事件。
边缘触发模式下，只有在状态发生变化时才会通知应用程序，因此需要应用程序自己管理事件的状态。

epoll 函数是 Linux 提供的一组系统调用，用于实现高性能的I/O多路复用。它主要包括以下几个函数：

  1. epoll_create函数
#include <sys/epoll.h>

int epoll_create(int size);

功能：创建一个 epoll 实例，返回一个文件描述符，用于后续的 epoll 操作。
参数：
size：只需传入一个大于0的值。
返回值：成功时返回一个非负整数，表示 epoll 实例的文件描述符；失败时返回 -1，并设置 errno。

  1. epoll_ctl函数
#include <sys/epoll.h>

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

功能：控制 epoll 实例中的文件描述符，用于注册、修改或删除文件描述符的监听事件。
参数：
epfd：epoll 实例的文件描述符，由 epoll_create 返回。
op：操作类型，可以是 EPOLL_CTL_ADD（添加）、EPOLL_CTL_MOD（修改）或 EPOLL_CTL_DEL（删除）。
fd：待操作的文件描述符。
event：指向 epoll_event 结构体的指针，用于设置监听事件。
返回值：成功时返回 0；失败时返回 -1，并设置 errno。

epoll_event 结构体：

struct epoll_event {
    uint32_t events; // 监听的事件类型，可由 EPOLLIN、EPOLLOUT、EPOLLERR 等组合而成
    epoll_data_t data; // 与事件相关的数据，可以是文件描述符或者指针等
};

epoll_data_t 是一个联合体（union），用于存储与 epoll 事件相关的数据。它的定义如下：

typedef union epoll_data {
    void *ptr;         // 指向任意数据类型的指针
    int fd;            // 文件描述符
    uint32_t u32;      // 32位整数值
    uint64_t u64;      // 64位整数值
} epoll_data_t;
  1. epoll_wait函数
#include <sys/epoll.h>

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

功能：等待文件描述符上的事件发生，当有事件发生时，将事件信息填充到指定的数组中。
参数：
epfd：epoll 实例的文件描述符，由 epoll_create 返回。
events（输出型参数）：指向 epoll_event 结构体数组的指针，用于存储事件信息，即就绪队列。
maxevents：指定 events 数组的大小，即最多可以存储多少个事件。
timeout：超时时间，单位为毫秒，可以是 -1（无限等待），0（立即返回），或一个正整数（等待指定的时间）。
返回值：成功时返回就绪的事件数量；失败时返回 -1，并设置 errno。

基于 epoll 的多路复用服务器

#include <iostream>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <cstring>

constexpr int MAX_EVENTS = 10;
constexpr int BACKLOG = 5;
constexpr int BUFFER_SIZE = 1024;

int main() {
    // 创建监听套接字
    int server_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (server_socket == -1) {
        std::cerr << "Error: Could not create socket\n";
        return 1;
    }

    // 设置为非阻塞模式
    fcntl(server_socket, F_SETFL, O_NONBLOCK);

    // 绑定地址和端口
    sockaddr_in server_address;
    server_address.sin_family = AF_INET;
    server_address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    server_address.sin_port = htons(8080);

    if (bind(server_socket, reinterpret_cast<sockaddr*>(&server_address), sizeof(server_address)) == -1) {
        std::cerr << "Error: Could not bind to address\n";
        close(server_socket);
        return 1;
    }

    // 监听连接
    if (listen(server_socket, BACKLOG) == -1) {
        std::cerr << "Error: Could not listen on socket\n";
        close(server_socket);
        return 1;
    }

    // 创建epoll实例
    int epoll_fd = epoll_create1(0);
    if (epoll_fd == -1) {
        std::cerr << "Error: Could not create epoll instance\n";
        close(server_socket);
        return 1;
    }

    epoll_event event;
    event.events = EPOLLIN | EPOLLET; // 关注可读事件，边沿触发模式
    event.data.fd = server_socket;

    // 将服务器套接字添加到epoll实例中
    if (epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, server_socket, &event) == -1) {
        std::cerr << "Error: Could not add server socket to epoll\n";
        close(server_socket);
        close(epoll_fd);
        return 1;
    }

    epoll_event events[MAX_EVENTS];

    while (true) {
        int num_events = epoll_wait(epoll_fd, events, MAX_EVENTS, -1);
        for (int i = 0; i < num_events; ++i) {
            if (events[i].data.fd == server_socket) {
                // 新的连接
                sockaddr_in client_address;
                socklen_t client_address_len = sizeof(client_address);
                int client_socket = accept(server_socket, reinterpret_cast<sockaddr*>(&client_address), &client_address_len);
                if (client_socket == -1) {
                    std::cerr << "Error: Could not accept connection\n";
                    continue;
                }

                // 设置为非阻塞模式
                fcntl(client_socket, F_SETFL, O_NONBLOCK);

                // 将客户端套接字添加到epoll实例中
                event.events = EPOLLIN | EPOLLET;
                event.data.fd = client_socket;
                if (epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, client_socket, &event) == -1) {
                    std::cerr << "Error: Could not add client socket to epoll\n";
                    close(client_socket);
                }
                std::cout << "New connection from " << inet_ntoa(client_address.sin_addr) << ":" << ntohs(client_address.sin_port) << std::endl;
            } else {
                // 已有连接的读事件
                char buffer[BUFFER_SIZE];
                int bytes_received = recv(events[i].data.fd, buffer, BUFFER_SIZE, 0);
                if (bytes_received == -1) {
                    std::cerr << "Error: Could not receive data\n";
                } else if (bytes_received == 0) {
                    // 客户端关闭连接
                    std::cout << "Connection closed by client\n";
                    epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_DEL, events[i].data.fd, nullptr);
                    close(events[i].data.fd);
                } else {
                    std::cout << "Received: " << std::string(buffer, bytes_received);
                }
            }
        }
    }

    close(server_socket);
    close(epoll_fd);
    return 0;
}

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