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1、IO模型
所谓IO模型其实就是研究的就是读写一个文件描述符的几种不同的方式，大致可以分为：
1）阻塞IO
读：
如果有数据(即使小于你要读取的字节数)，直接读取数据
如果没有数据，则阻塞等待，直到有数据或者出错
写：
如果有空间(即使小于你要写入的字节数)，直接写入数据
如果没有空间，则阻塞等待，直到有空间或者出错
2）非阻塞IO
读：
如果有数据，则立即读取数据
如果没有数据，则立即返回，不等待
写：
如果有空间，则立即写入数据
如果没有空间，则立即返回，不等待
3）IO多路复用
允许同时对多个IO进行控制，同时监听多个文件描述符是否就绪(是否可读/可写/出错)
允许一个进程同时等待多个文件描述符，直到某个描述符就绪（可读/可写/出错），再进行IO操作。
例子：
一个服务器，可能同时会有多个客户端与之发生通信
可以在服务器使用多线程技术 与 每一个客户端进行通信
缺点：并不知道何时与客户端进行通信
==》IO多路复用
通过一定手段 监听每个客户端的读写状态 以及 服务器的连接状态
2、IO多路复用
select / poll / epoll 都是IO多路复用的机制，都是用来监视多个文件描述符，等待IO事件的发生。
1）select
具体实现为：
(1)将 服务器 和 连接到服务器的客户端 的套接字描述符 都添加到一个 fd_set 集合中
(2)将 fd_set 集合中 所有的文件描述符 都拷贝到内核中
(3)内核会自动注册一个函数 pollwait()函数 用来轮询所有的文件描述符的读写状态
(4)一旦 有一个或者多个文件描述的状态发生了改变，select函数就会返回
（5)将 fd_set 集合 从内核中 拷贝到 用户空间 ，此时 状态发生改变的文件描述符就已经被 标记了
注意：用类型 fd_set 来表示一个文件描述符集合
可能要监听：
是否可读
是否可写
是否出错
需要用到3个fd_set集合 来表示要监听可读的文件描述符的集合
可写的文件描述符集合
出错的文件描述符集合
NAME
select, pselect, FD_CLR, FD_ISSET, FD_SET, FD_ZERO - synchronous I/O multiplexing
SYNOPSIS
/* According to POSIX.1-2001, POSIX.1-2008 */
#include <sys/select.h>
/* According to earlier standards */
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds,
struct timeval *timeout);
功能：IO多路复用
参数：
nfds：所有要监听的文件描述符的最大值 +1
readfds：可读的文件描述符集合
select函数返回时，把整个集合返回，其中 可读的已经被标记了
writefds：可写的文件描述符集合
select函数返回时，把整个集合返回，其中 可写的已经被标记了
exceptfds：出错的文件描述符集合
select函数返回时，把整个集合返回，其中 出错的已经被标记了
timeout：超时时间
struct timeval
{
long tv_sec; /* 秒 seconds */
long tv_usec; /* 微秒 microseconds */
};
注意：
在调用之前，调用者传入的参数 是指“超时时间”
在函数返回之后，这个timeout就表示“剩余时间”
返回值：
>0 表示已经就绪的文件描述符的个数
==0 表示超时
==-1 出错，同时errno被设置
void FD_CLR(int fd, fd_set *set);
功能：把fd 从set集合中移除
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set);
功能：判断fd是否在set集合中 （判断是否就绪）
返回值：1 存在 0 不存在
void FD_SET(int fd, fd_set *set);
功能：把fd加入到set集合中
void FD_ZERO(fd_set *set);
功能：把set集合清空
例子： 1）select延时效果 struct timeval timeout; timeout.tv_sec = 10; timeout.tv_usec = 0; select( 100, NULL, NULL, NULL, &timeout ); 2）IO多路复用 利用select 实现基于TCP的一对多的通信 select_server.c / select_client.c int main( int argc, char * argv[] ) { //1.创建套接字 socket int server_fd = socket( AF_INET, SOCK_STREAM, 0 ); if( server_fd == -1 ) { perror("socket server error "); return -1; } printf("server_fd = %d\n", server_fd ); //2.绑定服务器的ip和端口 bind (服务器的ip和端口) struct sockaddr_in server_addr; server_addr.sin_family = AF_INET; //协议族 server_addr.sin_port = htons( atoi(argv[2]) ); //端口号 ( 网络字节序 ) inet_aton( argv[1] , &server_addr.sin_addr ); //ip地址 //设置端口号重用 int n = 1; setsockopt( server_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEPORT, &n, sizeof(n) ); int re = bind( server_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr) ); if( re == -1 ) { perror("bind server error "); close( server_fd ); return -1; } printf("bind success! \n"); //3.监听 listen re = listen( server_fd, 5 ); if( re == -1 ) { perror("listen server error "); close( server_fd ); return -1; } printf("listen success! \n"); //========== select() IO多路复用 ======================== int client_fd[256] = {0}; //存储已经连接到服务器的客户端的套接字描述符 int num = 0; //记录客户端的个数 int i; int max_fd = server_fd; //文件描述符中的最大值，初始时 最大值一定是服务器的套接字描述符 //超时时间 struct timeval timeout; //可读的集合 fd_set read_fds; while( 1 ) { timeout.tv_sec = 2; timeout.tv_usec = 0; //将 read_fds 清空 FD_ZERO( &read_fds ); //将 服务器的套接字 加入到 read_fds 集合中 FD_SET( server_fd, &read_fds ); //将 连接到服务器的客户端 的套接字 加入到 read_fds 集合中 for( i=0; i<num; i++ ) { FD_SET( client_fd[i], &read_fds ); } //select 监听 re = select( max_fd+1, &read_fds, NULL, NULL, &timeout ); if( re > 0 ) { //判断read_fds 集合中 是否有文件描述符就绪 //服务器就绪 : 新的客户端来连接 //客户端就绪 ： 表示客户端上有数据可读 if( FD_ISSET( server_fd, &read_fds ) ) //服务器就绪 --> 去接受客户端的连接请求 { //接受连接请求 accept struct sockaddr_in client_addr; socklen_t len = sizeof(client_addr); int new_fd = accept( server_fd, (struct sockaddr *)&client_addr, &len ); if( new_fd == -1 ) { perror("accept error "); break; } printf("accept success \n"); printf("client ip = %s\n", inet_ntoa(client_addr.sin_addr) ); //把新的客户端的套接字保存 client_fd[num] = new_fd; num++; if( new_fd > max_fd ) //更新文件描述符中的最大值 { max_fd = new_fd; } } //客户端就绪 ---> 读取数据 for( i=0; i<num; i++ ) { //判断客户端的套接字描述符是否可读 if( FD_ISSET( client_fd[i], &read_fds ) ) { //读取数据 //在实际工作在，对于客户端的处理，一般采用线程来处理 char buf[128] = {0}; int r = recv( client_fd[i], buf, sizeof(buf), 0 ); if( r > 0 ) { printf("recv : %s\n", buf ); } if( buf[0] == '#' ) { close( server_fd ); return -1; } } } } else if( re == 0 ) { //超时 printf( "超时 \n" ); } else { //出错 perror( "select error " ); break; } } //关闭套接字 close( server_fd ); }2）poll
poll的作用和实现原理 和 select 是类似的，select监听的文件描述符 在内核中监听的时候存储在数组中而poll存储在链表上。并且poll的功能和select类似，select “监听”多个文件描述符是否就绪 ，而 poll 是用一个结构体 struct pollfd{} 来描述监听请求 。
struct pollfd
{
int fd; /* 指定要监听的文件描述符 file descriptor */
short events; /* 监听事件 requested events */
在Linux内核中 事件是用 bit-fields 位域实现的
POLLIN 可读事件
POLLOUT 可写事件
POLLERR 出错事件
...
例子：
可读可写事件 POLLIN | POLLOUT
short revents; /* 返回已经就绪的事件 returned events */
在调用poll函数后，revents 字段会被填充相应的事件
例子：
//判断是否已经可读
struct pollfd pfd;
if( pfd.revents & POLLIN )
{
//可读
}
};
NAME
poll - wait for some event on a file descriptor
SYNOPSIS
#include <poll.h>
int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
功能：
参数：
fds：结构体指针，指向要监听的文件描述符数组
nfds：结构体数组的元素个数
timeout：超时时间 单位：ms
返回值：
>0 表示已经就绪的文件描述符的个数
==0 表示超时
==-1 出错，同时errno被设置
练习： 利用poll 来实现基于TCP的一对多的通信 poll_server.c / poll_client.c #define MAX_NUM 256 //1.创建套接字 //2.设置服务器的ip和端口 //3.绑定 //4.监听 //================= poll() IO多路复用 =================== //定义一个 struct pollfd 结构体数组，来保存要监听的文件描述符 struct pollfd fds[MAX_NUM]; int client_fd[MAX_NUM] = {0}; //存储已经连接到服务器的客户端的套接字描述符 int num = 0; //记录客户端的个数 int i; struct sockaddr_in client_addr[MAX_NUM]; while( 1 ) { //把服务器的文件描述符 加入到 fds结构体数组中 fds[0] fds[0].fd = server_fd; fds[0].events = POLLIN; //要监听的事件：可读 fds[0].revents = 0; //把客户端的文件描述符 加入到 fds结构体数组中 for( i=0; i<num; i++ ) { fds[i+1].fd = client_fd[i]; fds[i+1].events = POLLIN; //要监听的事件：可读 fds[i+1].revents = 0; } //poll() 监听 re = poll( fds, MAX_NUM, 2000 ); if( re > 0 ) { //服务器就绪 ---> 接受客户端的连接请求 if( fds[0].revents & POLLIN ) { socklen_t len = sizeof(client_addr[num]); //接受连接请求 accept int new_fd = accept( server_fd, (struct sockaddr *)&client_addr[num], &len ); if( new_fd == -1 ) { perror("accept error "); break; } printf("accept success \n"); printf("client ip = %s\n", inet_ntoa(client_addr[num].sin_addr) ); //把新的客户端的套接字保存 client_fd[num] = new_fd; num++; } else //客户端就绪 ---> 读取数据 { for( i=0; i<num; i++ ) { if( fds[i+1].revents & POLLIN ) { //读取数据 char buf[128] = {0}; int r = recv( client_fd[i], buf, sizeof(buf), 0 ); if( r > 0 ) { printf("%s : %s\n", inet_ntoa(client_addr[i].sin_addr), buf ); } } } } } else if( re == 0 ) { //超时 printf( "超时 \n" ); } else { //出错 perror( "poll error " ); break; } }3）epoll --- epoll_create / epoll_ctl / epoll_wait
(3.1) epoll_create()
NAME
epoll_create - open an epoll file descriptor
SYNOPSIS
#include <sys/epoll.h>
int epoll_create(int size);
功能： 创建一个epoll实例 用来监听其他的文件描述符的状态
参数：
size：该参数已经被忽略了，现在只需要给一个大于0数即可
返回值：
成功，返回epoll实例对象，就是一个文件描述符
失败，返回-1，同时errno被设置
创建一个epoll实例 用来监听其他的文件描述符的状态 ，则要被监听的文件描述符 就必须加入到epoll实例中 。
(3.2) epoll_ctl()
NAME
epoll_ctl - control interface for an epoll file descriptor
SYNOPSIS
#include <sys/epoll.h>
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
功能： 控制监听的文件描述符的状态
参数：
epfd：指定要操作的epoll实例
op： 选项
EPOLL_CTL_ADD 添加 把一个要监听的文件描述符添加到epoll实例中
EPOLL_CTL_MOD 修改 修改一个已经在epoll实例中的文件描述符的监听事件
EPOLL_CTL_DEL 删除 从epoll实例中删除一个文件描述符
fd：指定要操作的文件描述符
event：指定要监听的事件 结构体
struct epoll_event
{
uint32_t events; /* 要监听的事件 Epoll events */
EPOLLIN 可读事件
EPOLLOUT 可写事件
EPOLLERR 出错事件
EPOLLET 边缘触发模式
...
LT 级别触发 Level-triggered
只要有数据，就会不停地往上报告事件
默认：LT
ET 边缘触发 Edge-triggered
只要数据的变化(数量)，才报告事件
epoll_data_t data; /* 用来存储用户的数据 User data variable */
};
typedef union epoll_data
{
void *ptr; //用户的指针数据
int fd; //文件描述符
uint32_t u32;
uint64_t u64;
} epoll_data_t;
返回值：
成功，返回0
失败，返回-1，同时errno被设置
(3.3) epoll_wait()
NAME
epoll_wait - wait for an I/O event on an epoll file descriptor
SYNOPSIS
#include <sys/epoll.h>
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);
功能： 用来等待监听事件的发生
参数：
epfd：指定要操作的epoll实例
events： 结构体事件数组，用来存储已经就绪的事件的信息
maxevents：结构体数组中，最大可以保存多少个事件
timeout：超时时间 单位：ms
返回值：
>0 表示已经就绪的文件描述符的个数
==0 表示超时
==-1 出错，同时errno被设置
利用epoll 实现UDP的简单通信 epoll_udp_server.c / epoll_udp_client.c //1.创建套接字 UDP //2.设置服务器的ip和端口 //3.绑定 //================= epoll() IO多路复用 =================== //(1)创建一个epoll实例，用来监听其他的文件描述符的状态 int epfd = epoll_create( 10 ); if( epfd == -1 ) { perror("epoll_create error "); close( server_fd ); return -1; } printf("epoll_create success! \n"); //(2)把要监听的文件描述符 加入到epoll实例中 struct epoll_event ev; ev.events = EPOLLIN | EPOLLET; //要监听的事件：可读 | 边缘触发模式 ev.data.fd = server_fd; re = epoll_ctl( epfd, EPOLL_CTL_ADD, server_fd, &ev ); if( re == -1 ) { perror("epoll_ctl error "); close( server_fd ); return -1; } printf("epoll_ctl success! \n"); struct sockaddr_in client_addr; socklen_t len = sizeof(client_addr); while( 1 ) { struct epoll_event ee[10]; //保存已经就绪的事件信息的数组 int i; //(3)等待监听事件的发生 int num = epoll_wait( epfd, ee, 10, 2000 ); if( num > 0 ) { //判断是否已经可读 for( i=0; i<num; i++ ) { if( ee[i].events & EPOLLIN ) { //接收数据 char buf[128] = {0}; re = recvfrom( server_fd, buf, sizeof(buf), 0, (struct sockaddr *)&client_addr, &len ); if( re > 0 ) { printf("recv : %s\n", buf ); } else { perror("recvfrom error "); break; } } } } else if( num == 0 ) { //超时 printf( "超时 \n" ); } else { //出错 perror( "epoll_wait error " ); break; } }
3、 select、poll、epoll 的区别
select、poll、epoll 都是IO多路复用技术，都是用来监听多个文件描述符的状态变化(是否可读/可写/出错)的
他们的区别：
1) select
时间复杂度 O(n) 无差别轮询
缺点：
监听文件描述符的数量上有限制，基于数组来存储的
轮询，效率低
文件描述符需要 维护在一个比较大的数组中，在用户空间和内核空间中传递时 开销比较大
2) poll
时间复杂度 O(n) 轮询
缺点：
轮询，效率低
文件描述符需要 维护在一个比较大的空间中，在用户空间和内核空间中传递时 开销比较大
优点：
没有最大连接数量的限制，基于链表来存储的
3) epoll
时间复杂度 O(1)
优点：
没有最大连接数量的限制
效率提升，不是轮询方式，不会随着fd数量的增加 而效率下降
内存拷贝开销比较小，利用内存映射
总结：
综上所述，在选择select、poll、epoll时，
要根据具体的应用场景、系统资源、连接数等因素 以及 三者自身的特点 进行选择。
(1)表面上看epoll的性能好，但是在连接数量比较少且都比较活跃的情况下
select和poll的性能 可能比epoll好，毕竟epoll的通知机制需要很多函数的回调
(2)select低效是因为每次都需要去轮询，但是低效也是相对的，视情况而定，
也可以通过良好的设计改善
