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I/O多路复用及其相关详解

2022-04-23 17:54:00 【Augustu_】

Fd详解

Fd:是一个正整型数，实际是为文件描述符表（数组）的索引，文件描述符表中保存着已打开的文件的指针。

每一个进程在PCB（Process Control Block）即进程控制块中都保存着一分文件描述符表，文件描述符就是这个表的索引，文件描述符表中每个表项都有一个指向已打开文件的指针。现在我们明确一下：已打开的文件在内核中用file结构体表示，文件描述符表中的指针指向file结构体。

file结构体才是内核中用来描述文件属性的结构体。

系统调用详解

系统调用的基本概念：通常，在操作系统中都设置了一组用于实现各种系统功能的子程序，并将它们提供给应用程序调用。

程序接口是 OS 专门为用户程序设置的，也是用户程序取得 OS 服务的唯一途径。程序接口通常是由各种类型的系统调用所组成的，因而，也可以说，系统调用提供了用户程序和操作系统之间的接口，应用程序通过系统调用实现其与 OS 的通信，并可取得它的服务。

操作系统中提供了系统调用，使应用程序可以通过系统调用的方法，间接调用操作系统的相关过程，取得相应的服务。

软件中断实现系统调用：

软件中断：它是通过软件指令触发的中断。Linux系统内核响应软件中断，从用户态切换到内核态，执行相应的系统调用。

1.Select

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

select允许应用程序监视一组文件描述符，等待一个或者多个文件描述符成为就绪状态，从而完成I/O操作。

fd_set 使用数组实现，数组大小使用 FD_SETSIZE 定义，所以只能监听少于 FD_SETSIZE 数量的描述符。有三种类型的描述符类型：readset、writeset、exceptset，分别对应读、写、异常条件的描述符集合。
timeout 为超时参数，调用 select 会一直阻塞直到有描述符的事件到达或者等待的时间超过 timeout。
成功调用返回结果大于 0，出错返回结果为 -1，超时返回结果为 0。

2.Poll

int poll(struct pollfd *fds, unsigned int nfds, int timeout);
//当timeout为-1时，poll调用将会永远阻塞，直到某个事件发生；timeout为0时，则立即返回

poll 的功能与 select 类似，也是等待一组描述符中的一个成为就绪状态。

Select与Poll比较：

select默认监听的文件描述符最大是1024，但可以修改，poll则没有文件描述符的限制。
poll 提供了更多的事件类型，并且对描述符的重复利用上比 select 高。

3.Epoll

/* 1.epoll采用一组函数来完成任务，而不是一个函数 2.epoll把用户关心的文件描述符上的事件放在内核里的事件表中，从而无须像select和poll每次调用都要重复传入文件描述符集或事件集 */

//创建一个指示epoll内核事件表的文件描述符，该描述符将用作其他epoll系统调用的第一个参数，size不起作用。
int epoll_create(int size);

//该函数用于操作内核事件表监控的文件描述符上的事件：注册、修改、删除
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event)；
  
//在一段超时时间内等待一组文件描述符上的事件，成功则返回就绪文件描述的个数
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);

epoll_ctl()用于向内核注册新的描述符或者改变某个文件描述符的状态。已注册的文件描述符在内核中会被维护在一棵红黑树上。
epoll比select和poll更灵活，没有文件描述符数量的限制。
工作模式：

epoll 的描述符事件有两种触发模式：LT（level trigger）和 ET（edge trigger）。
1. LT模式
  
  当epoll_wait()检测fd上有事件发生并将此事件通知应用程序后，将此事会通知给进程，进程可以不立即处理该事件，当应用程序下一次调用epoll_wait()时，epoll_wait还会再次向应用程序通知此事件，直到此事件被处理。同时支持 Blocking 和 Non-Blocking。
2. ET模式
  
  当epoll_wait()检测fd上有事件发生并将此事件通知应用程序后，应用程序必须立即处理该事件，因为后续epoll_wait()将不会再向应用程序通知该事件。
  
  只支持 No-Blocking，以避免由于一个文件句柄的阻塞读/阻塞写操作把处理多个文件描述符的任务饿死。
ET模式在很大程度上降低了epoll事件被重复触发的次数，因此ET模式效率比LT模式高。
1. EPOLLONESHOT
  
  为了避免多个多个线程同时操作一个Socket，可以注册EPOLLONESHOT事件。
  
  我们期望的是一个socket连接在任一时刻都只被一个线程处理，通过epoll_ctl对该文件描述符注册epolloneshot事件，一个线程处理socket时，其他线程将无法处理，当该线程处理完后，需要通过epoll_ctl重置epolloneshot事件

同于异

select和poll的文件描述符是在用户态加入文件描述符集合的，每次调用都需要将整个集合拷贝至内核态；而epoll的文件描述符维护在内核态，每次添加文件描述符的时候都需要执行一次系统调用。

select使用线性表描述文件描述符集合，文件描述符有上限；poll用链表描述，无上限；epoll则用红黑树描述文件描述符集合，且也没有上限。

select和poll需要通过遍历整个文件描述符集合，判断哪个文件描述符上有事件发生；而epoll会维护一个ready list，会将就绪事件添加至list，每次调用epol_wait的时候，仅观察list是否有数据即可。

应用场景

select应用场景

elect 的 timeout 参数精度为微秒，而 poll 和 epoll 为毫秒，因此 select 更加适用于实时性要求比较高的场景，比如核反应堆的控制。

select 可移植性更好，几乎被所有主流平台所支持。
poll应用场景

poll 没有最大描述符数量的限制，如果平台支持并且对实时性要求不高，应该使用 poll 而不是 select。
epoll应用场景

只需要运行在 Linux 平台上，有大量的描述符需要同时轮询，并且这些连接最好是长连接，因为Epoll的文件的描述符都存在内核中，需要通过系统调用epoll_ctr来改变文件描述符状态，频繁操作会降低效率。

需要同时监控小于 1000 个描述符，就没有必要使用 epoll，因为这个应用场景下并不能体现 epoll 的优势。