IO模型与并发服务器设计

一、阻塞IO与非阻塞IO

层面	步骤	说明
用户层	调用recv	执行 `recv(fd, buf, sizeof(buf), 0)`，程序卡在这里等待数据
内核第1步	检查缓冲区	检查socket接收缓冲区是否有数据
内核第2步	无数据时睡眠	将进程状态设为 `TASK_INTERRUPTIBLE`（可中断睡眠），移出CPU运行队列，调度其他进程运行
内核第3步	数据到达并唤醒	网卡触发硬件中断 → 内核将数据拷贝到接收缓冲区 → 唤醒进程（状态改为 `TASK_RUNNING`），重新加入运行队列

层面	步骤	说明
用户层	设置非阻塞	`fcntl(fd, F_SETFL, O_NONBLOCK)` 设置非阻塞标志
用户层	循环轮询	while循环中调用 `recv()`，若返回值 ≥0 则数据就绪退出循环
用户层	错误处理	若返回 -1 且 `errno != EAGAIN`，则退出程序
用户层	避免占满CPU	`usleep(1000)` 短暂休眠，防止忙等待占用CPU
内核第1步	检查缓冲区	检查接收缓冲区，无论是否有数据都立即返回结果
内核第2步	无数据时	返回 `EAGAIN` 错误码，进程继续执行（不进入睡眠）

项目	内容
头文件	`#include <fcntl.h>` `#include <unistd.h>`
函数原型	`int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */);`
作用	对文件描述符进行各种控制操作
fd	要操作的文件描述符
cmd	控制命令（如 F_SETFL 设置状态标志、F_GETFL 获取状态标志）
arg	可选参数，取决于 cmd 的具体命令
成功返回值	取决于 cmd 命令（如 F_GETFL 返回文件状态标志）
失败返回值	返回 -1（并重置错误码）

项目	内容
定义	单线程或单进程管理多个文件描述符（如套接字）的技术
核心机制	通过系统调用（如select、poll、epoll）监视多个IO操作的状态
通知方式	当某个IO操作就绪（可读、可写或发生异常）时，通知应用程序进行处理
提高并发性能	单线程可处理大量连接，无需为每个连接创建线程/进程
高效管理大量连接	避免资源浪费，降低系统开销
与非阻塞IO协作	结合使用可实现更高效的异步处理模式

项目	内容
头文件	`#include <sys/socket.h>` `#include <sys/types.h>` `#include <sys/select.h>`
函数原型	`int select(int nfds, fd_set readfds, fd_set writefds, fd_set exceptfds, struct timeval timeout);`
nfds	要监视的最大文件描述符 + 1
readfds	要监视的读文件描述符集合，不关心则传 NULL
writefds	要监视的写文件描述符集合，不关心则传 NULL
exceptfds	要监视的异常文件描述符集合，不关心则传 NULL
timeout	超时时间，NULL 表示永久阻塞
成功返回值	返回就绪的文件描述符个数
失败返回值	返回 -1（并重置错误码）

项目	内容
头文件	`#include <poll.h>`
函数原型	`int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);`
fds	指向 pollfd 结构体数组的指针，描述要监视的文件描述符及其事件
nfds	fds 数组中有效描述符元素的数量
timeout	等待时间，单位为毫秒
成功返回值	返回结构体中 revents 域不为 0 的文件描述符个数
超时返回值	超时前没有任何事件发生，返回 0
失败返回值	返回 -1（并重置错误码）

项目	循环服务器	并发服务器
特点	同一时刻只能响应一个客户端的请求	同一时刻可以响应多个客户端的请求
TCP服务器	默认是循环服务器（因为 accept 和 recv 两个阻塞函数相互影响）	可通过多线程/多进程实现
UDP服务器	-	默认是并发服务器（只有一个阻塞函数 recvfrom）

模式	角色	步骤	说明
fork模型	主进程	创建监听Socket → bind() → listen()	主进程负责监听连接
fork模型	主进程	while(1) { accept() → fork() }	接收新连接后创建子进程处理
fork模型	子进程	close(监听Socket)	关闭继承自父进程的监听Socket
fork模型	子进程	recv()/send() → exit()	处理客户端请求后退出
fork模型	特点	父子进程完全独立，崩溃互不影响	-
预fork优化	启动时	预先创建多个子进程	类似Apache架构
预fork优化	负载均衡	通过共享监听socket（SO_REUSEPORT）实现	-

角色	步骤	说明
主线程	第1步	创建监听Socket → bind() → listen()
主线程	第2步	初始化 fd_set 集合，将监听Socket加入集合
主线程	第3步	while(1) 循环调用 select() 监听所有fd
主线程	第4步	select() 返回就绪的fd数量
主线程	第5步	遍历每个就绪的fd
主线程	判断分支	如果是监听Socket → accept() 新连接并加入 fd_set
主线程	判断分支	如果是普通Socket → recv()/send() 处理数据

cs 复制代码

struct pollfd{
    int fd;//文件描述符
    short events;//等待的事件
    short revents;//实际发生的事件
};