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网络的本质就是：IO，是一次输入和输出
一、五种IO模型
1.IO效率的问题
IO的效率是很低效的，毕竟对方在千里之外。
IO为什么低效，以读为例：
- 当我们read/recv的时候，如果底层缓冲区没有数据，read/recv会怎么办？-----阻塞
- 当我们read/recv的时候，如果底层缓冲区有数据，read/recv会怎么办？-----拷贝
- 所以一次IO=等+数据拷贝
- 所以read、recv、write、send等都是在等io就绪，然后发起拷贝
那么什么叫做低效的IO呢？
单位时间，大部分时间这些io类的接口都在等数据！
那么如何提高IO的效率呢？
想办法在单位时间等的比重变低，那么IO的效率就高
2.阻塞IO是最常见的IO模型.
阻塞IO: 在内核将数据准备好之前, 系统调用会一直等待. 所有的套接字, 默认都是阻塞方式
3.非阻塞IO
如果内核还未将数据准备好, 系统调用仍然会直接返回, 并且返回EWOULDBLOCK错误码
非阻塞IO往往需要程序员循环的方式反复尝试读写文件描述符, 这个过程称为轮询. 这对CPU来说是较大的浪费, 一 般只有特定场景下才使用
4.信号驱动IO
内核将数据准备好的时候, 使用SIGIO信号通知应用程序进行IO操作
5.IO多路转接
虽然从流程图上看起来和阻塞IO类似. 实际上最核心在于IO多路转接能够同时等待多个文件 描述符的就绪状态
6.异步IO
由内核在数据拷贝完成时, 通知应用程序(而信号驱动是告诉应用程序何时可以开始拷贝数据)
7.小结
任何IO过程中, 都包含两个步骤. 第一是等待, 第二是拷贝. 而且在实际的应用场景中, 等待消耗的时间往 往都远远高于拷贝的时间. 让IO更高效, 最核心的办法就是让等待的时间尽量少
二、非阻塞IO
1.fcntl
一个文件描述符, 默认都是阻塞IO.
函数原型如下：
cpp
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );传入的cmd的值不同, 后面追加的参数也不相同. fcntl函数有5种功能
- 复制一个现有的描述符（cmd=F_DUPFD）.
- 获得/设置文件描述符标记(cmd=F_GETFD或F_SETFD).
- 获得/设置文件状态标记(cmd=F_GETFL或F_SETFL).
- 获得/设置异步I/O所有权(cmd=F_GETOWN或F_SETOWN).
- 获得/设置记录锁(cmd=F_GETLK,F_SETLK或F_SETLKW)
cpp
#include <iostream>
#include <cstring>
#include <ctime>
#include <cassert>
#include <cerrno>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/time.h>
bool SetNonBlock(int fd)
{
int fl = fcntl(fd, F_GETFL); // 在底层获取当前fd对应的文件读写标志位
if (fl < 0)
return false;
fcntl(fd, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK); // 设置非阻塞
return true;
}
int main()
{
// 0
SetNonBlock(0); //只要设置一次，后续就都是非阻塞了
char buffer[1024];
while (true)
{
sleep(1);
errno = 0;
// 非阻塞的时候，我们是以出错的形式返回，告知上层数据没有就绪：
// a. 我们如何甄别是真的出错了
// b. 还是仅仅是数据没有就绪呢？
// 数据就绪了的话，我们就正常读取就行
ssize_t s = read(0, buffer, sizeof(buffer) - 1); //出错，不仅仅是错误返回值，errno变量也会被设置，表明出错原因
if (s > 0)
{
buffer[s-1] = 0;
std::cout << "echo# " << buffer << " errno[---]: " << errno << " errstring: " << strerror(errno) << std::endl;
}
else
{
// 如果失败的errno值是11，就代表其实没错，只不过是底层数据没就绪
//std::cout << "read \"error\" " << " errno: " << errno << " errstring: " << strerror(errno) << std::endl;
if(errno == EWOULDBLOCK || errno == EAGAIN)
{
std::cout << "当前0号fd数据没有就绪, 请下一次再来试试吧" << std::endl;
continue;
}
else if(errno == EINTR)
{
std::cout << "当前IO可能被信号中断，在试一试吧" << std::endl;
continue;
}
else
{
//进行差错处理
}
}
}
return 0;三、I/O多路转接之select
select其实就是帮助用户一次等待多个文件sock，当那些文件sock就绪了，只要通知用户，对应的sock文件就绪了，然后用户在调用如read、recv等接口进行数据读取！
1.快速认识select接口
cpp
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,
fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);- 参数nfds是需要监视的最大的文件描述符值+1；
- rdset,wrset,exset分别对应于需要检测的可读文件描述符的集合，可写文件描述符的集 合及异常文件描 述符的集合;
- 参数timeout为结构timeval，用来设置select()的等待时间
- 返回值为就绪的fd的个数
- 至少有一个fd数据就绪or空间就绪，此时就可以进行返回
参数timeout取值:
- 获取当前时间的时间戳
- NULL：则表示select（）没有timeout，select将一直被阻塞，直到某个文件描述符上发生了事件;
- 0：仅检测描述符集合的状态，然后立即返回，并不等待外部事件的发生。
- 特定的时间值：如果在指定的时间段里没有事件发生，select将超时返回
2.fd_set
这是一个位图结构，分别表示文件描述符文件描述符集
提供了一组操作fd_set的接口, 来比较方便的操作位图.
cpp
void FD_CLR(int fd, fd_set *set); // 用来清除描述词组set中相关fd 的位
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set); // 用来测试描述词组set中相关fd 的位是否为真
void FD_SET(int fd, fd_set *set); // 用来设置描述词组set中相关fd的位
void FD_ZERO(fd_set *set); // 用来清除描述词组set的全部位3.接口挑一个重点参数，细致分析
假设我们今天是一个读文件描述符集
readfds：
在输入时：用户告诉内核我的比特位中，比特位的位置，表示文件描述符值，比特位的内容表示，是否关心，如0100，这个表示，我们关心3这个文件描述符，124，这三个文件描述符我们并不关心
在输出时：内核告诉用户，我是OS，用户你让我关心的多个fd有结果了，比特位的位置依旧表示文件描述符值。比特位的内容表示是否就绪，如0100，表示我们的3号文件描述符已经就绪了，如果是0000，则表示3号文件描述符还未就绪，就绪之后就代表，用户可以直接读取3号而不被阻塞
注意，用户和OS都会修改同一个位图结构，这个参数被用一次之后，就需要被重新设定！
4.编写代码
详情讲解看代码
cpp
#ifndef __SELECT_SVR_H__
#define __SELECT_SVR_H__
#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
#include "Log.hpp"
#include "Sock.hpp"
#define BITS 8
#define NUM (sizeof(fd_set)*BITS)
#define FD_NONE -1
using namespace std;
// select 我们只完成读取，写入和异常不做处理 -- epoll(写完整)
class SelectServer
{
public:
SelectServer(const uint16_t &port = 8080) : _port(port)
{
_listensock = Sock::Socket();
Sock::Bind(_listensock, _port);
Sock::Listen(_listensock);
logMessage(DEBUG,"%s","create base socket success");
for(int i = 0; i < NUM; i++) _fd_array[i] = FD_NONE;
// 规定 : _fd_array[0] = _listensock;
_fd_array[0] = _listensock;
}
void Start()
{
while (true)
{
// struct timeval timeout = {0, 0};
// 如何看待listensock? 获取新连接，我们把它依旧看做成为IO，input事件，如果没有连接到来呢？阻塞
// int sock = Sock::Accept(listensock, ...); //不能直接调用accept了
// 将listensock添加到读文件描述符集中
// FD_SET(_listensock, &rfds);
// int n = select(_listensock + 1, &rfds, nullptr, nullptr, &timeout);
// 1. nfds: 随着我们获取的sock越来越多，随着我们添加到select的sock越来越多，注定了nfds每一次都可能要变化,我们需要对它动态计算
// 2. rfds/writefds/exceptfds：都是输入输出型参数，输入输出不一定以一样的，所以注定了我们每一次都要对rfds进行重新添加
// 3. timeout: 都是输入输出型参数，每一次都要进行重置，前提是你要的话
// 1,2 => 注定了我们必须自己将合法的文件描述符需要单独全部保存起来 用来支持：1. 更新最大fd 2.更新位图结构
DebugPrint();
fd_set rfds;
FD_ZERO(&rfds);
int maxfd = _listensock;
for(int i = 0; i < NUM; i++)
{
if(_fd_array[i] == FD_NONE) continue;
FD_SET(_fd_array[i], &rfds);
if(maxfd < _fd_array[i]) maxfd = _fd_array[i];
}
// rfds未来，一定会有两类sock，listensock，普通sock
// 我们select中，就绪的fd会越来越多！
int n = select(maxfd + 1, &rfds, nullptr, nullptr, nullptr);
switch (n)
{
case 0:
// printf("hello select ...\n");
logMessage(DEBUG, "%s", "time out...");
break;
case -1:
logMessage(WARNING, "select error: %d : %s", errno, strerror(errno));
break;
default:
// 成功的
logMessage(DEBUG, "get a new link event..."); // 为什么会一直打印连接到来呢？连接已经建立完成，就绪了，但是你没有取走，select要一直通知你！
HandlerEvent(rfds);
break;
}
}
}
~SelectServer()
{
if (_listensock >= 0)
close(_listensock);
}
private:
void HandlerEvent(const fd_set &rfds) // fd_set 是一个集合，里面可能会存在多个sock
{
for(int i = 0; i < NUM; i++)
{
// 1. 去掉不合法的fd
if(_fd_array[i] == FD_NONE) continue;
// 2. 合法的就一定就绪了?不一定
if(FD_ISSET(_fd_array[i], &rfds))
{
//指定的fd，读事件就绪
// 读事件就绪：连接时间到来，accept
if(_fd_array[i] == _listensock) Accepter();
else Recver(i);
}
}
}
void Accepter()
{
string clientip;
uint16_t clientport = 0;
// listensock上面的读事件就绪了，表示可以读取了
// 获取新连接了
int sock = Sock::Accept(_listensock, &clientip, &clientport); // 这里在进行accept会不会阻塞？不会！
if(sock < 0)
{
logMessage(WARNING, "accept error");
return;
}
logMessage(DEBUG, "get a new line success : [%s:%d] : %d", clientip.c_str(), clientport, sock);
// read / recv? 不能！为什么不能？我们不清楚该sock上面数据什么时候到来， recv、read就有可能先被阻塞，IO = 等+数据拷贝
// 谁可能最清楚呢？select！
// 得到新连接的时候，此时我们应该考虑的是，将新的sock托管给select，让select帮我们进行检测sock上是否有新的数据
// 有了数据select，读事件就绪，select就会通知我，我们在进行读取，此时我们就不会被阻塞了
// 要将sock添加 给 select， 其实我们只要将fd放入到数组中即可！
int pos = 1;
for(; pos < NUM; pos++){
if(_fd_array[pos] == FD_NONE) break;
}
if(pos == NUM){
logMessage(WARNING, "%s:%d", "select server already full，close: %d", sock);
close(sock);
}else{
_fd_array[pos] = sock;
}
}
void Recver(int pos)
{
// 读事件就绪：INPUT事件到来、recv，read
logMessage(DEBUG, "message in, get IO event: %d", _fd_array[pos]);
// 暂时先不做封装, 此时select已经帮我们进行了事件检测，fd上的数据一定是就绪的，即 本次 不会被阻塞
// 这样读取有bug吗？有的，你怎么保证以读到了一个完整包文呢？
char buffer[1024];
int n = recv(_fd_array[pos], buffer, sizeof(buffer)-1, 0);
if(n > 0){
buffer[n] = 0;
logMessage(DEBUG, "client[%d]# %s", _fd_array[pos], buffer);
}
else if(n == 0){
logMessage(DEBUG, "client[%d] quit, me too...", _fd_array[pos]);
// 1. 我们也要关闭不需要的fd
close(_fd_array[pos]);
// 2. 不要让select帮我关心当前的fd了
_fd_array[pos] = FD_NONE;
}
else{
logMessage(WARNING, "%d sock recv error, %d : %s", _fd_array[pos], errno, strerror(errno));
// 1. 我们也要关闭不需要的fd
close(_fd_array[pos]);
// 2. 不要让select帮我关心当前的fd了
_fd_array[pos] = FD_NONE;
}
}
void DebugPrint()
{
cout << "_fd_array[]: ";
for(int i = 0; i < NUM; i++)
{
if(_fd_array[i] == FD_NONE) continue;
cout << _fd_array[i] << " ";
}
cout << endl;
}
private:
uint16_t _port;
int _listensock;
int _fd_array[NUM];
// int _fd_write[NUM];
// std::vector<int> arr;
};
#endif5.select的优缺点
优点：任何一个多路转接都具有
- 效率高，在单位时间内，等的比重大大减小
- 省资源，应用场景：有大量的连接，但是只有少量的活跃
缺点：
- 为了维护第三方数组，服务器会充满大量的遍历，时间复杂度时On的，在OS底层也要关心fd，也要进行遍历
- 每一次都要对select输出参数重新设定
- 能够同时管理的fd个数是有上限的
- 因为几乎每一个参数都是输入输出型的，select一定会频繁的进行用户到内核，内核到用户的参数数据拷贝
- 编码复杂