TCP 并发服务器模型：4 种 IO 模型完整梳理

1.TCP并发之多线程模型

多线程是实现TCP并发最基础的方案。

1. 主线程阻塞accept获取新连接，每来一个客户端就创建子线程专门处理该连接读写，以此实现并发。
2. 缺点：每个线程拥有独立栈空间，系统可创建线程总数有限。客户端并发量很大时，大量线程会带来内存占用、上下文切换开销，严重时会导致系统崩溃。
3. 优化方案 ：实际开发一般搭配线程池使用，复用线程，避免频繁创建销毁线程。

Linux下IO模型一共分为4类：

1. 阻塞IO
2. 非阻塞IO
3. 信号驱动IO
4. IO多路复用

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2.非阻塞IO

普通socket默认是阻塞模式。调用recv、accept时，如果没有数据，函数会挂起等待。 非阻塞模式下，没有就绪数据时函数不会阻塞，会立刻返回，同时设置errno为EAGAIN / EWOULDBLOCK。

设置非阻塞三种写法：

#include <fcntl.h>

//方式1：fcntl修改已有fd，追加非阻塞标志
int flags = fcntl(sockfd, F_GETFL, 0);
fcntl(sockfd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);

//方式2：创建socket直接指定非阻塞
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM | SOCK_NONBLOCK, 0);

//方式3：Linux特有 accept4，直接得到非阻塞客户端fd
int client_fd = accept4(listen_fd, NULL, NULL, SOCK_NONBLOCK);

注意：单纯非阻塞IO需要自己循环轮询，CPU空耗很高，一般不会单独使用，大多配合多路复用一起工作。

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3.信号驱动IO

核心思路：文件描述符IO就绪之后，内核给进程发送SIGIO信号，程序在信号处理函数中完成读写，主线程可以做别的业务，不需要阻塞等待IO。

使用三步：

1. 使用signal()注册SIGIO信号捕获函数；
2. fcntl设置fd开启异步标志O_ASYNC；
3. F_SETOWN告诉内核：IO就绪时把信号发给当前进程。

关键示例代码 read.c

#include "head.h"
int fd = 0;

void handler(int signo)
{
    char tmpbuff[4096] = {0};
    memset(tmpbuff, 0, sizeof(tmpbuff));
    read(fd, tmpbuff, sizeof(tmpbuff));
    printf("FIFO:%s\n", tmpbuff);
    return;
}

int main(void)
{
    int flags = 0;
    char tmpbuff[4096] = {0};
    signal(SIGIO, handler);

    mkfifo("/tmp/myfifo", 0664);
    fd = open("/tmp/myfifo", O_RDONLY);
    if (-1 == fd)
    {
        perror("fail to open");
        return -1;
    }
    //开启异步IO O_ASYNC
    flags = fcntl(fd, F_GETFL);
    flags |= O_ASYNC;
    fcntl(fd, F_SETFL, flags);
    //指定内核将SIGIO发送给当前进程
    fcntl(fd, F_SETOWN, getpid());

    while (1)
    {
        memset(tmpbuff, 0, sizeof(tmpbuff));
        gets(tmpbuff);
        printf("STDIN:%s\n", tmpbuff);
    }
    close(fd);
    return 0;
}

write.c

#include "head.h"
int main(void)
{
    int fd = 0;
    char tmpbuff[4096] = {0};
    mkfifo("/tmp/myfifo", 0664);
    fd = open("/tmp/myfifo", O_WRONLY);
    if (-1 == fd)
    {
        perror("fail to open");
        return -1;
    }
    while (1)
    {
        gets(tmpbuff);
        write(fd, tmpbuff, strlen(tmpbuff));
        if (0 == strcmp(tmpbuff, ".quit"))
        {
            break;
        }
    }
    close(fd);
    return 0;
}

局限：信号驱动IO在网络编程中使用较少。信号处理函数内部有很多函数调用限制，高并发场景下信号会大量频发，容易丢失事件。

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4.IO多路复用

Linux主流实现：select、poll、epoll。 一个线程可以同时监视大量文件描述符；当任意fd可读、可写、异常就绪，函数返回，用户层再去处理对应fd。是TCP高并发服务器最核心技术。

select

头文件

#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

函数原型

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

功能：同时监视多个文件描述符。阻塞直到至少一个fd就绪，或者超时。

重要特性：readfds/writefds/exceptfds属于传入传出参数。内核会把没有事件发生的fd从集合清除，下一轮循环需要重新复原fd集合。

参数说明：

• nfds：要监视最大fd数值 + 1
• readfds：监听可读事件集合
• writefds：监听可写事件集合，一般传NULL
• exceptfds：监听异常事件集合，一般传NULL
• timeout：超时时间；传NULL代表永久阻塞；0代表不阻塞

返回值：

• 0：就绪fd总数量

• 0：超时，没有事件就绪
• -1：出错

fd集合操作宏：

void FD_ZERO(fd_set *set);         //清空集合
void FD_SET(int fd, fd_set *set);  //fd加入集合
void FD_CLR(int fd, fd_set *set);  //fd移除集合
void FD_ISSET(int fd, fd_set *set);//判断fd是否就绪

select缺点：fd集合大小有上限；每次调用需要把fd集合从用户态拷贝内核态；返回后需要遍历全部fd找就绪事件。

epoll

epoll是Linux独有的多路复用方案，解决select/poll性能短板，高并发场景首选。

epoll_create

int epoll_create(int size);

功能：创建epoll实例，在内核维护事件监听表，返回epoll专用fd。 参数：size在新版本Linux已经被忽略，但参数必须大于0。 返回值：成功返回epfd；失败返回‑1。

epoll_ctl

int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

功能：对epoll内核事件表执行增、删、改操作。

参数：

• epfd：epoll_create返回的句柄

• op操作类型

  • EPOLL_CTL_ADD：添加fd到内核监听表
  • EPOLL_CTL_MOD：修改fd注册事件
  • EPOLL_CTL_DEL：从内核移除fd

• fd：要监控的目标文件描述符

• event：事件结构体指针

  struct epoll_event {
  uint32_t events; //关注事件掩码
  epoll_data_t data; //用户自定义数据
  };
  typedef union epoll_data {
  void *ptr;
  int fd; //最常用，保存待监控fd
  uint32_t u32;
  uint64_t u64;
  } epoll_data_t;

events常用掩码：

• EPOLLIN：可读事件
• EPOLLOUT：可写事件
• EPOLLERR：错误事件（自动监控，无需手动注册）
• EPOLLHUP：对端关闭（自动监控）
• EPOLLET：边缘触发，默认水平触发(LT)
• EPOLLONESHOT：一次性触发

返回值：成功返回0；失败返回‑1。

epoll_wait

int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);

功能：阻塞等待事件就绪，将就绪事件填充到events数组返回。

参数：

• epfd：epoll实例fd
• events：输出数组，存放就绪事件
• maxevents：数组最大长度
• timeout：毫秒；‑1无限阻塞；0非阻塞立即返回

返回：

• 0：就绪fd个数

• 0：超时无事件
• -1：调用失败

epoll优势：只返回就绪fd，不需要遍历全部连接；内核维护事件表，不用每次调用拷贝全部fd；百万并发场景性能远高于select。

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