I/O多路复用与socket

前言

简单来讲I/O多路复用就是用一个进程来监听多个文件描述符(fd)，我们将监听的fd通过系统调用注册到内核中，如果有一个或多个fd可读或可写，内核会通知应用程序来对这些fd做读写操作，select、poll、epoll都是用于处理此类问题的系统API，只不过注册和调用的方式略有不同。

例如telnet命令的操作，telnet命令从shell读入数据然后写到socket fd上，同时也需要从socket fd上读数据写到shell上。telnet server需要从socket读出命令并发送给shell，再将命令执行结果返回给telnet客户端。此时对于telnet命令来说，需要接收用户输入和sockfd的输入，也需要输出给用户和socket fd，这两种输入和输出是无序的，不能单纯的阻塞某一个读操作，如何处理这种场景？

1. 将两个read fd设置为非阻塞，然后轮询两个read fd，如果第一个收到数据，则处理，之后再看第二个read fd是否有数据需要读取，如此往复。
2. 使用多进程或者多线程，将用户输入和输出到sockfd作为一条通道。将sockfd输入和输出给用户作为一条通道。

这样父进程读入用户数据后会发送给socketfd到telenetd，子进程读入telnetd数据后发送给用。当用户终止父进程时，需要发送信号给子进程。当子进I/O结束终止时，父进程也需要接收子进程的结束信号。使用多线程同样需要一些复杂的线程间同步操作。

3. 异步I/O的方式，对两个read fd使用不同的信号，使用不同的处理函数处理。

以上三种方法在读写连接少的时候没什么问题，当一个server进程需要维护成千上万条通信连接时就会出问题。第1种会无端浪费cpu，第2种就算使用线程\进程池来避免上下文切换的开销，当连接数量过多的时候，会占用大量的内存，第3种使用异步I/O显然信号类型肯定是不够用的。所以为了应对此类问题，有了I/O多路复用的技术。

4. 使用select、poll、epoll，将两个read fd注册到内核，I/O多路复用会阻塞直到有read请求过来，然后返回通知应用，应用针对不同的描述符进行不同的操作。这样可以做到在一个进程中监听并处理多个描述符，再搭配线程池使用，则可以尽量的减少cpu和内存的使用，自然可以维护更多的连接。

select

先看一下select的创建函数

#include <sys/select.h>

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

// 监听描述符数目
// readfds、writefds、exceptfds表示可读、可写、异常事件对应的fd
// timeout表示select阻塞多长时间后返回，NULL为一直阻塞、0为立即返回、或指定超时时间

/* 
    返回值：
    0表示超时时间内没有就绪的fds
    成功时返回就绪fds总数（读、写、异常）
    失败返回-1并设置errno，如果select等待期间被信号中断则立即返回-1并设置errno为EINTR
*/

• fd_set是一个字节数组，每一位标识一个fd。所以通常nfds设置为最大的fd的值+1，在sys/selct.h中可以找到/* Number of descriptors that can fit in an fd_set'. */值为#define __FD_SETSIZE 1024，系统默认单个进程打开最大fd数量ulimit -n`为1024，所以select默认最大只能监听1024个fd。

select通过以下四个宏来对fd_set置位：

void FD_CLR(int fd, fd_set *set); // 清除fd_set中的fd位
int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set); // 确认fd是否在fd_set中开启，非0值为开启，0为关闭
void FD_SET(int fd, fd_set *set); // 开启fd在fd_set中的位
void FD_ZERO(fd_set *set); // 清除fd_set的所有位

demo

我们可以使用select的read_fds和exception_fds来接收普通数据和带外数据

#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/select.h>
#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>

#include <cassert>
#include <cstring>
#include <iostream>
#define BUFFERSIZE 1024
using namespace std;

int main(int argc, char *argv[]) {
  if (argc < 3) {
    cout << "usage: " << argv[0] << " ip port" << endl;
    return 1;
  }
  // 设置TCP socket server
  struct sockaddr_in server_addr;
  server_addr.sin_family = AF_INET;
  server_addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
  const char *ip = argv[1];
  inet_pton(AF_INET, ip, &server_addr.sin_addr);

  int listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
  if (listenfd < 0) {
    cout << "error in create socket" << endl;
    return 1;
  }
  int ret =
      bind(listenfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));
  assert(ret != -1);
  ret = listen(listenfd, 6);
  assert(ret != -1);

  // 接收客户端连接
  struct sockaddr_in client_addr;
  socklen_t client_addr_len = sizeof(client_addr);
  int connfd =
      accept(listenfd, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_addr_len);
  if (connfd < 0) {
    close(listenfd);
    cout << "accept connect error" << endl;
    return 1;
  }
  // 初始化要用到的select fd集
  fd_set readfds;
  fd_set exceptionfds;
  FD_ZERO(&readfds);
  FD_ZERO(&exceptionfds);
  char buffer[BUFFERSIZE];
  while (true) {
    // 如果是普通数据则触发readfds， 如果是oob数据触发exceptionfds
    FD_SET(connfd, &readfds);
    FD_SET(connfd, &exceptionfds);
    // 注册select， 不关心写fds设置为NULL，timeout NULL为阻塞
    ret = select(connfd + 1, &readfds, NULL, &exceptionfds, NULL);
    if (ret < 0) {
      cout << "select error" << endl;
      break;
    }
    memset(buffer, '\0', BUFFERSIZE);
    if (FD_ISSET(connfd, &readfds)) {
      // 接收普通数据
      int number = recv(connfd, buffer, BUFFERSIZE - 1, 0);
      if (number < 0) {
        cout << "recv normal data error" << endl;
        break;
      } else if (number == 0) {
        cout << "connection closed" << endl;
        break;
      }
      cout << "recv normal data " << number << " bytes: " << buffer << endl;
    }
    memset(buffer, '\0', BUFFERSIZE);
    if (FD_ISSET(connfd, &exceptionfds)) {
      // 接收带外数据
      int number = recv(connfd, buffer, BUFFERSIZE - 1, MSG_OOB);
      if (number < 0) {
        cout << "recv oob data error" << endl;
        break;
      } else if (number == 0) {
        cout << "connection closed" << endl;
        break;
      }
      cout << "recv oob data " << number << " bytes: " << buffer << endl;
    }
  }
  close(listenfd);
  close(connfd);
  return 0;
}

客户端截取部分发送内容

const char *oob_data = "abc";
const char *normal_data = "123";
send(sockfd, normal_data, strlen(normal_data), 0);
send(sockfd, oob_data, strlen(oob_data), MSG_OOB);
send(sockfd, normal_data, strlen(normal_data), 0);
send(sockfd, normal_data, strlen(normal_data), 0);
send(sockfd, normal_data, strlen(normal_data), 0);

运行结果如下，成功的接收到带外数据并处理：

socket与I/O事件触发

socket fd可读事件

1. 内核接收缓冲区中字节数大于等于SO_RCVLOWAT值（通过getsockopt和setsockopt获取设置），socket可读，recv大于0。对端关闭连接，recv等于0。如果没有资源这次读取不成功recv返回小于0，并且错误码为EAGIN或EWOULDBLOCK errno，这种不算是错误，或许下次读取就可以成功。
2. socket listenfd有新的连接请求
3. socket上有未处理的错误，通过getsockopt读取和清除错误

socket fd可写事件

1. 内核发送缓冲区空间大于等于SO_SNDLOWAT可无阻塞写，send返回大于0
2. 如果该socket fd已经关闭，再执行写会触发SIGPIPE信号
3. connect连接成功或超时失败
4. socket上有未处理的错误，通过getsockopt读取和清除错误

socket fd异常事件

1. socket上接收到带外数据

poll

poll较select做出了改进，select使用bitmap来监视fds，而poll使用pollfd结构的数组来监视fds，突破了fds数量的限制，通过结构体将fd与events绑定，可以监视更多类型的事件

struct pollfd {
   int   fd;         /* file descriptor */
   short events;     /* requested events 注册的事件*/
   short revents;    /* returned events 实际发生的事件*/
};

常用事件类型

• POLLIN：数据可读
• POLLOUT：数据可写
• POLLRDHUP：TCP连接被对端关闭，或者对端关闭了写操作
• POLLERR：poll发生错误
• POLLHUP：管道写端关闭，读端fd收到POLLHUP事件
• POLLINVAL：fd没有打开

poll的创建函数

int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout)
// fds 是pollfd结构类型的数组
// nfds 指定fds的大小
// timeout 超时时间，-1阻塞，0立即返回

/* 
    返回值：
    0表示超时时间内没有就绪的fds
    成功时返回就绪fds总数（读、写、异常）
    失败返回-1并设置errno，如果select等待期间被信号中断则立即返回-1并设置errno为EINTR
*/

demo

监听两个文件的写入，输出到标准输出

#include <fcntl.h>
#include <poll.h>
#include <unistd.h>

#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <iostream>
#define BUFFERSIZE 1024
using namespace std;
// 存放pollfd结构数组
pollfd fds[2];

void setnonblocking(int fd) {
  int old_fd_option = fcntl(fd, F_GETFL);
  int new_fd_option = O_NONBLOCK | old_fd_option;
  fcntl(fd, F_SETFL, new_fd_option);
}

int main(int argc, char *argv[]) {
  if (argc < 2) {
    cout << "usage: " << argv[0] << "filename1 filename2" << endl;
    return 1;
  }
  // 打开创建好的文件
  int fd1 = open(argv[1], O_RDONLY);
  int fd2 = open(argv[2], O_RDONLY);
  // 设置pollfd结构
  fds[0].fd = fd1;
  fds[0].events = POLLIN | POLLERR;
  fds[0].revents = 0;

  fds[1].fd = fd2;
  fds[1].events = POLLIN | POLLERR;
  fds[1].revents = 0;
  // 设置fd为非阻塞，方便看读取的效果，否则会阻塞在read调用上
  setnonblocking(fd1);
  setnonblocking(fd2);

  char buffer[BUFFERSIZE];
  int number = 0;
  while (true) {
    // 创建poll
    int ret = poll(fds, 2, -1);
    if (ret < 0) {
      cout << "poll error" << endl;
      break;
    }
    for (int i = 0; i < 2; ++i) {
      pollfd fd = fds[i];
      if (fd.revents & POLLERR) {
        cout << "poll error fd: " << fd.fd << endl;
        continue;
        // 如果fd可读
      } else if (fd.revents & POLLIN) {
        // 每次poll事件清空缓冲区
        bzero(buffer, BUFFERSIZE);
        while ((number = read(fd.fd, buffer, BUFFERSIZE)) > 0) {
          cout << "read " << number << " bytes from file " << argv[i + 1]
               << " content: " << buffer << endl;
        }
      }
    }
  }
  close(fd1);
  return 0;
}

1. 新建文件1.txt和2.txt
2. 运行server，另起终端随机在1.txt和2.txt上使用echo追加写入内容

server端输出

epoll

epoll与select和poll有很大的差异，epoll将需要监视的fd放入内核的红黑树表中，通过epoll_ctl函数来添加或删除该表中需要监视的fd，只复制已经就绪的fd集合返回给应用。

• 一方面无需像使用select/poll每次调用都将整个fd集传递给它们。
• 另一方面在使用的时候应用遍历的都是事件就绪的fd。

创建epoll：

int epoll_create(int size);
// size：提示内核事件表的大小，不是硬限制
// 返回一个fd，所有其他的函数都操作该fd

操作事件：

int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
// epfd：epoll_create返回的fd
/* op:
	EPOLL_CTL_ADD 添加fd到epfd，事件集合为event
    EPOLL_CTL_MOD 修改epfd中的fd事件，事件集合为event
    EPOLL_CTL_DEL 从epfd中删除fd，忽略event参数，一般设为NULL
*/
// 返回值：成功返回0，失败返回-1设置errno

获取就绪的事件集

int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);
// epfd：epoll_create返回的fd
// events：就绪的事件数组，应用遍历它
// maxevents：指定最大监听的事件数目
// timeout：超时时间，-1阻塞，0立即返回
// 返回值：成功返回就绪fd的数目，失败返回-1设置errno

LT和ET模式

epoll支持两个模式LT（Level Trigger）和ET(Edge Trigger)

• LT模式可以认为是高效一点的poll，只要fd上有事件发生就会不断的唤醒通知，拿读来说，应用不需要每次都将fd的缓存读完，epoll会不断的通知应用来读取
• ET模式当触发事件时，只进行一次唤醒通知，不管此次应用是否将fd缓存读完，后续都不会再唤醒，直到新的事件被触发，这样大大减少了同一个事件触发唤醒的次数，减少了epoll_wait系统调用的次数（上下文切换），所以这种模式也被称为高效的epoll模式

EPOLLONESHOT事件

我们说ET模式对于一个事件只会触发一次，如果是多线程的并发场景下，当前线程在读完socket上的数据后开始处理这些数据，在处理期间有新的数据到来，此时唤醒新的线程来处理新到来的数据，出现了两个线程操作同一fd的情况，可能会出现未知错误。EPOLLONESHOT事件可以保证，操作系统对该fd只触发一种事件，并且只触发一次，这样任何时刻只能有一个线程操作该fd。这样也会导致下次该事件无法触发，所以线程处理完毕后应当使用epoll_ctl重置EPOLLONESHOT。

demo

server的主线程与客户端建立TCP连接，建立好连接后将连接fd注册到epoll，如果该链接有请求数据就启动新的线程来处理。使用telnet作为客户端对比不使用EPOLLONESHOT和使用EPOLLONESHOT后server的行为

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

#include <cassert>
#include <cstring>
#include <iostream>

using namespace std;
#define MAX_EVENT_NUMBER 1024
#define BUFFERSIZE 1024

static int epollfd = 0;

void setnonblocking(int fd) {
  int old_fd_option = fcntl(fd, F_GETFL);
  int new_fd_option = old_fd_option | O_NONBLOCK;
  fcntl(fd, F_SETFL, new_fd_option);
}

void register_epoll(int epollfd, int fd, bool newfd = false,
                    bool oneshot = false) {
  epoll_event events;
  events.data.fd = fd;
  events.events = EPOLLIN | EPOLLET;  // 读事件、ET工作模式
  if (oneshot) {
    events.events |= EPOLLONESHOT;  // 使用EPOLLONESHOT
  }
  if (newfd) {
    epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &events);
  } else {
    epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_MOD, fd, &events);
  }
  setnonblocking(fd);
}

void *handle_connect(void *arg) {
  pid_t tid = gettid();
  int connfd = *((int *)arg);
  cout << "use thread " << tid << " to handle connect " << connfd << endl;
  char buffer[BUFFERSIZE];
  memset(buffer, '\0', BUFFERSIZE);
  while (true) {
    int bytes = recv(connfd, buffer, BUFFERSIZE - 1, 0);
    if (bytes == 0) {
      cout << "the other peer close connection" << endl;
      close(connfd);
      break;
    } else if (bytes < 0) {
      if (errno == EAGAIN) {
        cout << connfd << " Temporarily unavailable, read later" << endl;
        register_epoll(epollfd, connfd, false,
                       true);  // 重置该连接fd的EPOLLONESHOT
        break;
      } else {
        cout << "read " << connfd << " failure" << endl;
        close(connfd);
      }
    } else {
      cout << "thread " << tid << " recve " << bytes
           << " bytes from connection " << connfd << ", content: " << buffer
           << endl;
      sleep(10);
    }
  }
  cout << "thread " << tid << " end handle connect " << connfd << endl;
}

int main(int argc, char *argv[]) {
  if (argc < 3) {
    cout << "usage: " << argv[0] << " ip port" << endl;
    return 1;
  }
  // 创建server端socket
  const char *ip = argv[1];
  struct sockaddr_in serv_addr;
  serv_addr.sin_family = AF_INET;
  serv_addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
  inet_pton(AF_INET, ip, &serv_addr.sin_addr);

  int listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
  if (listenfd < 0) {
    cout << "create socket error" << endl;
    return 1;
  }
  int ret = bind(listenfd, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr));
  assert(ret != -1);
  ret = listen(listenfd, 5);
  assert(ret != -1);
  // epoll_event数组，用来接收返回的就绪fd
  epoll_event events[MAX_EVENT_NUMBER];
  // 创建epoll
  epollfd = epoll_create(5);
  if (epollfd < 0) {
    cout << "create epoll error" << endl;
    close(listenfd);
    return 1;
  }
  // listenfd 无需使用EPOLLONESHOT
  register_epoll(epollfd, listenfd, true, false);
  while (true) {
    // 等待事件触发
    int number = epoll_wait(epollfd, events, MAX_EVENT_NUMBER, -1);
    for (int i = 0; i < number; i++) {
      int sockfd = events[i].data.fd;
      if ((sockfd == listenfd) && (events[i].events & EPOLLIN)) {
        // 接收客户端连接
        struct sockaddr cli_addr;
        socklen_t cli_addr_len = sizeof(cli_addr);
        int connfd =
            accept(sockfd, (struct sockaddr *)&cli_addr, &cli_addr_len);
        if (connfd < 0) {
          cout << "accept connect failure" << endl;
          continue;
        }
        // 新的连接使用EPOLLONESHOT属性
        register_epoll(epollfd, connfd, true, true);

        // 新的连接不使用EPOLLONESHOT属性
        // register_epoll(epollfd, connfd, true, false);
      } else if (events[i].events & EPOLLIN) {
        // 已建立的连接有数据请求
        pthread_t thread;
        // 创建线程处理连接数据，传入sockfd参数以便重置EPOLLONESHOT
        pthread_create(&thread, NULL, handle_connect, &sockfd);
      } else {
        cout << "other errors" << endl;
      }
    }
  }
  close(listenfd);
  close(epollfd);

  return 0;
}

使用EPOLLONESHOT事件：

1. telnet1发送c1 h1, 发送c1 h2
2. telnet2发送c2 h1
3. telnet3发送c1 h3

server使用线程102108逐个处理 connect5的请求，对于connect6使用线程102109单独处理

不使用EPOLLONESHOT事件：

修改代码

注释掉
// register_epoll(epollfd, connfd, false,
//                true);  // 重置该连接fd的EPOLLONESHOT

不给connfd使用EPOLLONESHOT

// 新的连接使用EPOLLONESHOT属性
// register_epoll(epollfd, connfd, true, true);

// 新的连接不使用EPOLLONESHOT属性
register_epoll(epollfd, connfd, true, false);

编译运行

1. telnet1发送c1 h1, 发送c1 h2
2. telnet2发送c2 h1
3. telnet3发送c1 h3

线程102137处理connfd 5，sleep的期间内，connfd5有新的请求到来，可以看到新起了线程来处理connfd5的新消息

对比总结

select

• 事件集的传入与使用：select没有fd与event的绑定结构，只是给可读、可写、异常传递一个fd集合，不能处理更多的事件类型，将fd_set拷贝到内核中，内核遍历fd_set，如果有事件发生，内核对fd_set直接修改，将没有事件的fd位置空，拷贝到应用，因此每次调用select都需要重新设置fd_set。应用需要再次完全遍历fd_set，通过FD_ISSET判断事件是否就绪。（两次fd_set拷贝，两次fd_set遍历）
• 效率：内核处理事件集时间复杂度为O(n)，应用索引就绪文件描述符的时间复杂度为O(n)
• 工作模式：LT
• 最大可监视fd数：受限于__FD_SETSIZE 1024宏，可修改该值重新编译内核来增加select可监视fd的数目
• 可移植性：支持windows、linux

poll

• 事件集的传入与使用：poll将fd与event绑定在pollfd结构中，将pollfd数组复制到内核，触发事件时内核会修改revents，再将数组复制回用户态，因此无需重置需要监视的成员。但是用户使用遍历的时候仍然需要遍历整个数组成员，判断传入的events是否与返回的revents相同
• 效率：内核处理事件集时间复杂度为O(n)，应用索引就绪文件描述符的时间复杂度为O(n)
• 工作模式：LT
• 最大可监视fd数：系统支持的最大fd数目，/proc/sys/fs/file-max/
• 可移植性：支持windows、linux

epoll

• 事件集的传入与使用：epoll在内核中维护一个红黑树结构的事件表，绑定fd与events，这个事件表通过epoll_create创建，返回一个fd来使用，维护着所有需要监视的fd。通过系统调用epoll_ctl对fd对应的事件进行增、删、改。应用代码调用epoll_wait来获取已经触发事件的fd，epoll会将就绪的epoll_event结构的fd放入数组并拷贝到用户态，应用直接遍历该数组即可拿到每一个触发事件的fd
• 效率：内核处理事件集时间复杂度为O(logn)（操作红黑树），应用索引就绪文件描述符的时间复杂度为O(1)
• 工作模式：LT或者ET
• 最大可监视fd数：系统支持的最大fd数目，/proc/sys/fs/file-max/
• 可移植性：仅支持linux

学习自：
《Linux高性能服务器编程》
《UNIX环境高级编程》
《UNIX系统编程》