??作者：一只大喵咪1201
??專欄：《網(wǎng)絡(luò)》
??格言：你只管努力，剩下的交給時(shí)間！

??五種IO模型

在學(xué)習(xí)系統(tǒng)部分的時(shí)候，本喵就講解過(guò)IO，當(dāng)時(shí)我們學(xué)習(xí)的IO就是從文件中讀數(shù)據(jù)和寫(xiě)數(shù)據(jù)，到了后來(lái)學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候，我們知道，從網(wǎng)絡(luò)中讀取和寫(xiě)入數(shù)據(jù)也是IO，那么IO到底是什么呢？今天我們來(lái)更深刻的認(rèn)識(shí)一下IO。

就拿讀取數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，無(wú)論是調(diào)用read還是recv，在文件描述符所指向的struct file中的接收緩沖區(qū)如果沒(méi)有數(shù)據(jù)的時(shí)候，都會(huì)阻塞等待。

當(dāng)緩沖區(qū)中有數(shù)據(jù)后，才會(huì)進(jìn)行讀取，所謂讀取，本質(zhì)就是在拷貝，就是將內(nèi)核緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)拷貝到用戶緩沖區(qū)中供用戶去使用。

無(wú)論是等待還是拷貝，都是讀取的過(guò)程，二者缺一不可。

• IO = 等 + 數(shù)據(jù)拷貝

那么什么是高效的IO呢？我們知道，IO過(guò)程中我們?cè)谝獾氖强截?，而不是等待，由于各種技術(shù)的發(fā)展，拷貝所花費(fèi)的時(shí)間幾乎是固定的，是由電路或者系統(tǒng)等等機(jī)制來(lái)保證的，所以拷貝的效率已經(jīng)很難再有提升了。

• 高效的IO = 減少等待的比重

IO的種類有五種，下面本喵給大家介紹一下：

1. 阻塞IO：在內(nèi)核將數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好之前，系統(tǒng)調(diào)用會(huì)一直等待，所有的套接字以及文件，默認(rèn)都是阻塞方式。

如上圖所示便是阻塞IO的示意圖，在進(jìn)程調(diào)用recvfrom從內(nèi)核緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)時(shí)，如果數(shù)據(jù)沒(méi)有準(zhǔn)備好，進(jìn)程就會(huì)阻塞在調(diào)用處等待，直到數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，才會(huì)將內(nèi)核緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)拷貝到用戶緩沖區(qū)，并且給進(jìn)程返回值。

• 阻塞IO是最常見(jiàn)的IO模型，也是最簡(jiǎn)單的IO模型，我們之前寫(xiě)的所有IO都是阻塞式的。

2. 非阻塞IO：如果內(nèi)核還未將數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，系統(tǒng)調(diào)用仍然會(huì)直接返回，并且返回EAGAN或者EWOULDBLOCK錯(cuò)誤碼。

如上圖所示，進(jìn)程調(diào)用recvfrom從內(nèi)核緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)時(shí)，即使數(shù)據(jù)沒(méi)有準(zhǔn)備好，仍然會(huì)給進(jìn)程一個(gè)返回一個(gè)EAGAN或者EWOULDBLOCK。

通常情況下使用這種IO方式時(shí)，如果返回EAGAN或者EWOULDBLOCK，說(shuō)明數(shù)據(jù)沒(méi)有準(zhǔn)備好，就會(huì)再次調(diào)用recvfrom去讀取數(shù)據(jù)，如此反復(fù)，直到數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好并且完成拷貝，最后返回表示成的返回值。

• 非阻塞IO需要程序員以循環(huán)的方式反復(fù)嘗試讀寫(xiě)文件描述符，這個(gè)過(guò)程稱為輪詢。
• 這對(duì)CPU來(lái)說(shuō)是較大的浪費(fèi)，一般只有特定場(chǎng)景下才使用。

默認(rèn)情況下，文件描述符fd指向的struct file中的緩沖區(qū)的阻塞式IO，所以我們前面無(wú)論是在進(jìn)行文件操縱還是使用套接字的時(shí)候，都是阻塞IO。

如上圖所示系統(tǒng)調(diào)用fcntl，可以使用它將fd所指向的文件改成非阻塞IO模式，它的參數(shù)是一個(gè)可變參數(shù)。

• int fd：要修改文件的文件描述符fd。
• 返回值fl：大于0表示當(dāng)前文件的狀態(tài)，小于0表示調(diào)用失敗。
• int cmd：對(duì)fd所指向的文件要進(jìn)行的操作，可以傳遞兩個(gè)參數(shù)：

• F_GETFL：用來(lái)獲取該文件當(dāng)前的狀態(tài)。
• F_SETFL：用來(lái)設(shè)置該文件當(dāng)前的狀態(tài)。

• 可變參數(shù)部分：可以傳遞參數(shù)有O_RDONLY,O_WRONLY等等，最重要的是O_NONBLOCK非阻塞IO方式，但是在傳參的時(shí)候，必須和fl進(jìn)行按位或，如fl | O_NONBLOCK。

如上圖所示代碼是本喵寫(xiě)的一個(gè)工具函數(shù)，作用就是將指定fd所代表的文件設(shè)置成非阻塞IO方式。

如上圖，從內(nèi)核中的代碼可以看到，O_NONBLOCK是一個(gè)宏，僅僅代表著一個(gè)比特位的狀態(tài)，所以在傳參時(shí)，需要使用fl | O_NONBLOCK的方式，在文件原有的狀態(tài)上增加非阻塞。

再重新來(lái)看一下read系統(tǒng)調(diào)用：

如上圖所示為man手冊(cè)中的描述，調(diào)用失敗以后，返回-1，并且錯(cuò)誤碼被設(shè)置。

• 設(shè)置不同的錯(cuò)誤碼代表著不同的意義。

如上圖所示，可以設(shè)置的錯(cuò)誤碼有這么多，雖然返回值是-1，但是不同的錯(cuò)誤碼代表著不同的情況，其中EAGAIN或者EWOULDBLOCK表示的就是數(shù)據(jù)沒(méi)有準(zhǔn)備好，需要稍后再讀。

• 讀取數(shù)據(jù)時(shí)，內(nèi)核中緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)沒(méi)有準(zhǔn)備好并沒(méi)有錯(cuò)，這是很正常的情況。
• 所以錯(cuò)誤碼EAGAIN并不表示錯(cuò)誤了，只是表示數(shù)據(jù)暫時(shí)沒(méi)有準(zhǔn)備好，需要稍后再來(lái)讀取。

如上圖所示，EAGAIN和EWOULDBLOCK都是宏，而且它們的值都是11，本質(zhì)上是一個(gè)東西。

如上圖代碼所示，使用本喵寫(xiě)的工具serNonBlock將標(biāo)準(zhǔn)輸入，也就是文件描述符為0的文件設(shè)置成非阻塞IO模式，然后運(yùn)行。

如上圖所示，可以看到，輸入提示符>>>在不停打印，在本喵從鍵盤(pán)上輸入的時(shí)候，仍然在打印，雖然輸入的內(nèi)容被>>>分隔開(kāi)了，但是輸入完成以后，回顯echo的內(nèi)容卻是完整的，仍然是helloworld。

• 輸入和輸出互不影響，因?yàn)橛休斎刖彌_區(qū)和輸出緩沖區(qū)，二者是相互獨(dú)立的。

如上圖所示便是默認(rèn)情況下的阻塞IO，可以看到，輸入和輸出輪替進(jìn)行著，在本喵沒(méi)有輸入的情況下，該進(jìn)程是阻塞等待的。

如上圖所示，可以在else情況，也就是返回值s小于0的時(shí)候再進(jìn)行具體的判斷，如果錯(cuò)誤碼errno的值是EAGAIN說(shuō)明只是數(shù)據(jù)沒(méi)有準(zhǔn)備好，并不是出錯(cuò)了，在等待數(shù)據(jù)就緒的過(guò)程中可以執(zhí)行其他任務(wù)。

如上圖所示，此時(shí)進(jìn)程并沒(méi)有阻塞，而是在輪詢，數(shù)據(jù)沒(méi)有準(zhǔn)備好就執(zhí)行其他任務(wù)來(lái)打發(fā)時(shí)間。

3. 信號(hào)驅(qū)動(dòng)IO：內(nèi)核將數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好的時(shí)候，使用SIGIO信號(hào)通知應(yīng)用程序進(jìn)行IO操作。

如上圖所示信號(hào)驅(qū)動(dòng)IO模型，該模式調(diào)用recvfrom并不是在主進(jìn)程中調(diào)用，而且使用signal注冊(cè)信號(hào)處理函數(shù)，在信號(hào)處理函數(shù)中調(diào)用recvfrom。

進(jìn)程一直在正常運(yùn)行，執(zhí)行自己的邏輯，當(dāng)內(nèi)核接收緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)到來(lái)時(shí)，進(jìn)程會(huì)收到系統(tǒng)給發(fā)的信號(hào)SIGIO，然后就會(huì)調(diào)用該信號(hào)注冊(cè)的處理方式，在信號(hào)處理方式中調(diào)用recvfrom讀取緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)。

• 一旦進(jìn)入信號(hào)處理函數(shù)中，說(shuō)明內(nèi)核緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好了，在這里只需要讀取，而不再需要等待。

4. IO多路轉(zhuǎn)接：雖然從流程圖上看起來(lái)和阻塞IO類似，實(shí)際上最核心在于IO多路轉(zhuǎn)接能夠同時(shí)等待多個(gè)文件描述符的就緒狀態(tài)。

如上圖IO多路轉(zhuǎn)接模式，該模式中，將IO的等待和拷貝兩個(gè)步驟分開(kāi)了。

進(jìn)程調(diào)用select系統(tǒng)調(diào)用來(lái)等待內(nèi)核緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)就緒，當(dāng)數(shù)據(jù)就緒以后通知進(jìn)程調(diào)用recvfrom來(lái)將數(shù)據(jù)拷貝到用戶緩沖區(qū)中。

這樣看起來(lái)和信號(hào)驅(qū)動(dòng)的IO模式?jīng)]有什么區(qū)別，但是多路轉(zhuǎn)接的優(yōu)勢(shì)在于可以同時(shí)等待多個(gè)文件描述符所指向的文件。

• IO多路轉(zhuǎn)接模式下，可以同時(shí)等待多個(gè)文件，當(dāng)一個(gè)或者多個(gè)文件的緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)就緒時(shí)，就會(huì)通知上層用戶來(lái)讀取。

此時(shí)雖然也有等，但是等的比重就降低了，因?yàn)槟軌蛞淮蔚却鄠€(gè)文件，進(jìn)而讓上層用戶一次來(lái)讀取多個(gè)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，拷貝的比重就增加了，從而提高了IO的效率。

5. 異步IO：由內(nèi)核在數(shù)據(jù)拷貝完成時(shí)，通知應(yīng)用程序直接去用戶緩沖區(qū)中使用數(shù)據(jù)。

• 同步和異步關(guān)注的是消息通信機(jī)制：

• 所謂同步，就是在發(fā)出一個(gè)調(diào)用時(shí)，在沒(méi)有得到結(jié)果之前，該調(diào)用就不返回，但是一旦調(diào)用返回，就得到返回值了。
• 也就是由調(diào)用者主動(dòng)等待這個(gè)調(diào)用的結(jié)果。

異步則是相反，調(diào)用在發(fā)出之后，這個(gè)調(diào)用就直接返回了，所以沒(méi)有返回結(jié)果。

• 當(dāng)一個(gè)異步過(guò)程調(diào)用發(fā)出后，調(diào)用者不會(huì)立刻得到結(jié)果，而是在調(diào)用發(fā)出后，被調(diào)用者通過(guò)狀態(tài)、信號(hào)等來(lái)通知調(diào)用者，或通過(guò)回調(diào)函數(shù)處理這個(gè)調(diào)用。

如上圖所示異步IO模式示意圖，進(jìn)程調(diào)用aio_read，將等待數(shù)據(jù)就緒和將數(shù)據(jù)拷貝到用戶緩沖區(qū)兩個(gè)步驟的工作全部交給操作系統(tǒng)來(lái)完成。

當(dāng)操作系統(tǒng)完成兩個(gè)步驟以后，通知上層用戶直接去用戶緩沖區(qū)中使用數(shù)據(jù)即可。

信號(hào)驅(qū)動(dòng)是告訴進(jìn)程可以從內(nèi)核緩沖區(qū)中拷貝數(shù)據(jù)到用戶緩沖區(qū)了，而異步IO連拷貝這一步也不用做了，直接使用數(shù)據(jù)。

• 另外，我們回憶在學(xué)習(xí)多進(jìn)程多線程的時(shí)候，也提到同步和互斥，這里的同步通信和進(jìn)程之間的同步是完全不同的概念。

• 進(jìn)程/線程同步也是進(jìn)程/線程之間直接的制約關(guān)系，是為完成某種任務(wù)而建立的兩個(gè)或多個(gè)線程，這個(gè)線程需要在某些位置上協(xié)調(diào)他們的工作次序而等待、傳遞信息所產(chǎn)生的制約關(guān)系。尤其是在訪問(wèn)臨界資源的時(shí)候。

比較這五種IO模式，阻塞IO模式肯定是效率最低的，非阻塞以及信號(hào)驅(qū)動(dòng)的IO模式，同樣需要參加IO的等待和拷貝兩個(gè)過(guò)程，對(duì)于IO的效率是相同的。

異步IO模式也是同樣的道理，雖然等待和拷貝不是由線程去做的，而是由操作系統(tǒng)在做，但是線程也得在等待和拷貝完成后才能使用數(shù)據(jù)，所以IO的效率還是沒(méi)有提高的。

而多路轉(zhuǎn)接不一樣，雖然等待和拷貝兩個(gè)過(guò)程都參與，但是等待時(shí)可以一次等待多個(gè)文件描述符，拷貝時(shí)也是可以拷貝多個(gè)文件描述符中的數(shù)據(jù)。

• 由于等待的文件描述符數(shù)量多，所以有數(shù)據(jù)就緒的概率就高，進(jìn)行拷貝也更加頻繁。
• 站在上帝視角來(lái)看，多路轉(zhuǎn)接模式下，進(jìn)程在單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)行拷貝的次數(shù)要比其他幾種模式多。

所以多路轉(zhuǎn)接更加高效，而我們研究的重點(diǎn)也在多路轉(zhuǎn)接模式上，主要有select，poll，epoll三種方式。

??select

??認(rèn)識(shí)接口

如上圖所示，該系統(tǒng)調(diào)用有5個(gè)參數(shù)。

• int nfds：要等待的所有文件描述符中的最大fd+1。

假設(shè)現(xiàn)在要等待的文件有3個(gè)，文件描述符分別是3，4，7，則傳參時(shí)就需要傳7+1=8給nfds。

• fd_set* reads：等待讀取就緒文件描述符的位圖。

select等待的文件有不同的事件會(huì)就緒，比如讀取就緒，寫(xiě)就緒，錯(cuò)誤就緒等等。

如上圖所示是fd_set類型在內(nèi)核中的定義，可以看到它就是一個(gè)位圖。它有多個(gè)比特位，每一個(gè)比特位代表一個(gè)文件描述符，比特位的狀態(tài)表示該比特位是否被監(jiān)聽(tīng)。

如上圖所示便是fd_set位圖示意圖，其中比特位的順序由低到高從左向右，比特位的下標(biāo)就是代表文件描述符fd，比特位的內(nèi)容表示狀態(tài)，這張圖中，文件描述符為1,3,1023的三個(gè)文件描述符需要被select監(jiān)視。

如上圖所示，使用sizeof得到fd_set類型的大小是8字節(jié)，所以有1024個(gè)比特位，這意味著使用select最多監(jiān)視1024個(gè)文件描述符。

將接收緩沖區(qū)所在文件的文件描述符設(shè)置到readfds中，當(dāng)該緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)到來(lái)時(shí)(讀就緒)，select就會(huì)通知上層進(jìn)程去讀取該緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)。

• fd_set* writefds：等待寫(xiě)入就緒文件描述符所在位圖。

該位圖和readfds一樣，只是操作系統(tǒng)等待的事件由讀就緒變成了寫(xiě)就緒，當(dāng)發(fā)送緩沖區(qū)空了以后(寫(xiě)就緒)，操作系統(tǒng)就會(huì)通知上層進(jìn)程向該緩沖區(qū)中寫(xiě)入數(shù)據(jù)。

• fd_set* exceptfds：等待異常就緒文件描述符所在位圖。

打開(kāi)的文件，如TCP中的套接字，當(dāng)對(duì)端關(guān)閉套接字以后，自己這邊的套接字就會(huì)出現(xiàn)異常，此時(shí)操作系統(tǒng)就會(huì)通知上層進(jìn)程處理該異常。

需要操作系統(tǒng)監(jiān)視哪里事件就將對(duì)應(yīng)的位圖傳給select，待事件就緒后就會(huì)通知上層進(jìn)程去處理，如果不需要監(jiān)視直接設(shè)置成nullptr就行。

• struct timeval* timeout：設(shè)置等待方式。

如上圖所示struct timeval類型的定義，有兩個(gè)成員，第一個(gè)是秒，第二個(gè)是微秒。

該參數(shù)傳入nullptr的時(shí)候，select是阻塞等待，只有當(dāng)一個(gè)或者多個(gè)文件描述符就緒時(shí)才會(huì)通知上層進(jìn)程去讀取數(shù)據(jù)。

該參數(shù)如果是struct timeval timeout = {0, 0}，時(shí)間設(shè)置成0，select是非阻塞等待，就需要使用輪詢的方式。

該參數(shù)如果設(shè)置了具體值，如struct timeval timeout = {5, 0}，時(shí)間設(shè)置成5，select在5秒內(nèi)阻塞等待，如果在5秒內(nèi)有文件描述符就緒，則通知上層，如果沒(méi)有文件描述符就緒則超時(shí)返回。

• 返回值：

ret > 0表示有ret個(gè)fd就緒了，ret == 0表示超時(shí)返回，ret < 0表示select調(diào)用失敗了。

為了使用方便，內(nèi)核還提供了一組宏供用戶去設(shè)置fd_set位圖，將對(duì)應(yīng)的文件描述符設(shè)置進(jìn)去，避免了我們自己使用按位或等運(yùn)算給位圖賦值的麻煩：

如上圖所示，FD_CLR是將位圖中指定文件描述符fd所對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)清零，表示不用操作系統(tǒng)再等待該文件。

FD_ISSET是用來(lái)判斷特定文件描述符fd是否被設(shè)置進(jìn)了位圖，如果設(shè)置返回1，沒(méi)有則返回0。

FD_SET是用來(lái)將指定文件描述符fd對(duì)應(yīng)的位圖設(shè)置為1，表示需要操作系統(tǒng)等待該文件。

FD_ZERO是用來(lái)將整個(gè)位圖清空的，此時(shí)操作系統(tǒng)不等待任何一個(gè)文件。

select的五個(gè)參數(shù)中，后面四個(gè)都是輸入輸出型參數(shù)，都是傳的指針，意味著操作系統(tǒng)和用戶共用一個(gè)參數(shù)。

調(diào)用select傳參時(shí)，表示用戶告訴內(nèi)核，需要操作系統(tǒng)等待哪個(gè)文件，以及哪種事件。操作系統(tǒng)第一時(shí)間會(huì)將傳入的位圖參數(shù)清空，每就緒一個(gè)文件，傳入位圖相應(yīng)比特位置一，然后傳返回值給用戶。

此時(shí)就是內(nèi)核在告訴用戶，你關(guān)心的多個(gè)fd，有哪些已經(jīng)就緒了。

用戶根據(jù)返回值來(lái)處理調(diào)用結(jié)果，如果是ret>0，則判斷自己當(dāng)初設(shè)置進(jìn)位圖中的文件描述符是否被置一了，如果置一了，說(shuō)明該文件所對(duì)應(yīng)的事件就緒了，用戶就可以進(jìn)行進(jìn)一步處理。

• 由于傳入的參數(shù)是輸入輸出型的，操作系統(tǒng)等待后的結(jié)果也是在這個(gè)參數(shù)中，所以用戶必須自己再維護(hù)一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)記錄自己最初設(shè)置要等待的文件描述符。
• 根據(jù)select返回狀態(tài)以及操作系統(tǒng)修改后的位圖，與自己維護(hù)的記錄結(jié)構(gòu)作對(duì)比，得出自己當(dāng)初要等待的文件是否就緒的結(jié)論。

無(wú)論是讀取數(shù)據(jù)，還是寫(xiě)入數(shù)據(jù)，再或者是異常事件，都是采用這樣的方式和機(jī)制。

struct timeval* timeout表示的阻塞等待時(shí)間，操作系統(tǒng)內(nèi)部也會(huì)進(jìn)行修改，假設(shè)初值是{5, 0}表示阻塞等待5s中，如果5s內(nèi)沒(méi)有事件就緒則select返回0，表示超時(shí)返回，此時(shí)原本傳入的time的值也變成了{0, 0}。

如果5s內(nèi)有事件就緒，假設(shè)操作系統(tǒng)等待了3秒，selsect返回值大于0，表示不是超時(shí)返回，有事件就緒，此時(shí)原本傳入的time的值也變成了{2, 0}，表示設(shè)置的阻塞事件還剩兩秒。

• 所以在輪詢過(guò)程中，每循環(huán)一次就需要重新設(shè)置一下時(shí)間，否則第一次超時(shí)返回后，time的值就成了0，之后select就成了非阻塞IO，與初衷不符。

• 輸入輸出型參數(shù)的作用就是讓用戶和內(nèi)核之間相互溝通，互相知曉對(duì)方要關(guān)心的。

??簡(jiǎn)易select服務(wù)器

本喵將創(chuàng)建套接字的代碼封裝成了一個(gè)Sock類，使用的時(shí)候直接調(diào)用即可，同樣可以將其作為一個(gè)小組件。

如上圖上，Sock類中包含套接字的創(chuàng)建，綁定，監(jiān)聽(tīng)，以及獲取新連接等四個(gè)方法，這些函數(shù)中還包含日志信息，具體的日志代碼本喵就不貼了，有興趣的小伙伴自行去查閱日志功能。

如上圖所示便是select簡(jiǎn)易服務(wù)器的基本配置，成員變量包含監(jiān)聽(tīng)套接字，端口號(hào)，用戶維護(hù)的用于設(shè)置等待位圖的數(shù)組_fdarry，以及回調(diào)函數(shù)。

定義了幾個(gè)全局默認(rèn)變量，包括默認(rèn)端口號(hào)，select所能等待文件的上限1024，以及用戶維護(hù)數(shù)組的初始默認(rèn)值。

• initServer()：初始化服務(wù)器

如上圖所示，第一步便是初始化服務(wù)器，在系統(tǒng)中創(chuàng)建套接字，進(jìn)行綁定和監(jiān)聽(tīng)，構(gòu)建完整的會(huì)話層。之后將用戶維護(hù)的用來(lái)設(shè)置等待位圖的數(shù)組進(jìn)行初始化，大小是1024個(gè)元素，初始值都是-1。

• 0，1，2文件描述符不用select等待，從listen套接字開(kāi)始進(jìn)行等待。

• Start()：?jiǎn)?dòng)服務(wù)器

如上圖所示，服務(wù)器在啟動(dòng)后，是一個(gè)while(1)的死循環(huán)，在這個(gè)循環(huán)中進(jìn)行一遍又一遍的輪詢。

由于select的后面四個(gè)參數(shù)都是輸入輸出型參數(shù)，所以每一次輪詢之前都需要重新設(shè)置一遍，否則就會(huì)因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)的修改而出現(xiàn)問(wèn)題。需要重新設(shè)置位圖狀態(tài)，重新設(shè)置等待時(shí)間等等。

• 每次輪詢的時(shí)候，都需要將用戶維護(hù)的數(shù)組中需要等待的文件描述符重新設(shè)置到fd_set位圖中。

在將參數(shù)設(shè)置好以后便調(diào)用select系統(tǒng)調(diào)用，用switch將返回的情況分別處理，當(dāng)n>0時(shí)，說(shuō)明有文件就緒，可以去讀取，所以調(diào)用HandlerReadEvent函數(shù)去處理該事件。

事件處理函數(shù)：

如上圖所示，當(dāng)執(zhí)行到該函數(shù)的時(shí)候，必有套接字就緒，此時(shí)用戶要做的就是判斷到底是哪個(gè)套接字上事件就緒。

第一次執(zhí)行該函數(shù)的時(shí)候，必然是監(jiān)聽(tīng)套接字就緒，因?yàn)楫?dāng)前select等待的只有這一個(gè)套接字，所以判斷符合條件以后，去執(zhí)行Accepter函數(shù)來(lái)獲取新連接。

• 監(jiān)聽(tīng)套接字就緒也是屬于讀事件就緒，因?yàn)榇藭r(shí)有新連接到來(lái)，需要用戶去將新連接讀取走。

如上圖所示，當(dāng)監(jiān)聽(tīng)套接字就緒后，用戶第一時(shí)間肯定就是讀取監(jiān)聽(tīng)到的新連接，并且獲取客戶端的IP地址以及端口號(hào)。

新連接獲取成功后，由于此時(shí)沒(méi)有客戶端的數(shù)據(jù)到來(lái)，所以新連接套接字沒(méi)有就緒。

• 此時(shí)必須將新連接套接字交給select去等待就緒，所以需要向用戶層維護(hù)的數(shù)組中添加該套接字的文件描述符。
• 如果此時(shí)直接讀取新連接套接字的話，由于沒(méi)有就緒，就會(huì)阻塞在這里，服務(wù)器無(wú)法繼續(xù)執(zhí)行下去，與我們的初衷就不符合了。

為了方便，本喵還增加了一個(gè)Print函數(shù)，打印新增加的需要select等待的文件描述符。

第一次之后調(diào)用Accepter函數(shù)時(shí)，已經(jīng)就緒的文件就不一定是監(jiān)聽(tīng)套接字了，有可能是前面獲取的新連接套接字，所以就需要進(jìn)行具體判斷到底是哪個(gè)套接字就緒了。當(dāng)新連接套接字就緒后，就調(diào)用Recver從套接字中讀取客戶端的請(qǐng)求。

如上圖所示，當(dāng)新連接套接字就緒以后，首先要進(jìn)行的就是讀取套接字中客戶端發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，使用recv獲取數(shù)據(jù)。

• 當(dāng)前這種讀取數(shù)據(jù)的方式是存在一定問(wèn)題的，因?yàn)椴荒鼙ＷC套接字中的數(shù)據(jù)是否被讀完了。

但是此時(shí)并不會(huì)產(chǎn)生影響，所以暫且這樣，后面本喵會(huì)制定具體的協(xié)議去處理它。

如果讀取數(shù)據(jù)出現(xiàn)了問(wèn)題，或者套接字出現(xiàn)異常，那么就需要關(guān)閉套接字，并且將文件描述符從用戶維護(hù)的數(shù)組中清除。

讀取成功后將請(qǐng)求處理，并且構(gòu)建響應(yīng)發(fā)送給客戶端，當(dāng)前的select服務(wù)端的重點(diǎn)在于讀取，所以寫(xiě)入本喵這里就不詳細(xì)寫(xiě)了。

• selectServer.cpp

如上圖所示就是selectServer.cpp中的代碼，服務(wù)器的回調(diào)函數(shù)中僅是將客戶端發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)原封不動(dòng)的響應(yīng)給客戶端，沒(méi)有做其他處理，其他部分代碼本喵不再解釋。

如上圖所示，當(dāng)服務(wù)器開(kāi)始運(yùn)行后，由于此時(shí)沒(méi)有新連接到來(lái)，所以監(jiān)聽(tīng)套接字一直處于未就緒的狀態(tài)，前面在設(shè)置等待事件的時(shí)候設(shè)置了5s，所以每隔5s就超時(shí)返回一次。

• 可以看到當(dāng)前最大文件描述符是3，也就是監(jiān)聽(tīng)套接字的文件描述符。

如上圖所示，為了避免超時(shí)返回的干擾，本喵將select的最后一個(gè)參數(shù)也設(shè)置成nullptr此時(shí)select就是阻塞等待，根據(jù)運(yùn)行結(jié)果也可以看成是阻塞不動(dòng)的。

如上圖所示，此時(shí)使用兩個(gè)telnet連接客戶端，可以看到服務(wù)端提示有新事件就緒，此時(shí)是監(jiān)聽(tīng)套接字監(jiān)聽(tīng)到了兩個(gè)客戶端連接，所以顯示兩次，服務(wù)端每處理一次，用戶層維護(hù)的數(shù)組中文件名描述符就會(huì)增加一個(gè)，所以最終是3,4,5三個(gè)文件需要select進(jìn)行等待。

兩個(gè)客戶端向服務(wù)端發(fā)送消息的時(shí)候，服務(wù)端顯示事件就緒，這是進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的套接字上有數(shù)據(jù)到來(lái)，提醒用戶層去讀取數(shù)據(jù)。

• 服務(wù)器上只有一個(gè)進(jìn)程(線程)，客戶端有多個(gè)，此時(shí)服務(wù)端可以同時(shí)接收多個(gè)客戶端的連接請(qǐng)求和數(shù)據(jù)。
• 多路轉(zhuǎn)接實(shí)現(xiàn)了我們之前只能通過(guò)多進(jìn)程或者多線程才能實(shí)現(xiàn)的功能，而且效率非常高。

??select的特點(diǎn)

1. select能同時(shí)等待的文件fd是有上限的，除非重新修改內(nèi)核，否則無(wú)法解決。

fd_set位圖大小只有1024個(gè)比特位，意味著select同時(shí)最多只能等待1024個(gè)文件描述符。

可以看到，本喵的Linux機(jī)器上，最多可以打開(kāi)100001個(gè)文件，遠(yuǎn)大于1024，所以說(shuō)select能夠同時(shí)等待的文件數(shù)量在高訪問(wèn)量的服務(wù)器中是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

2. 必須借助第三方數(shù)組等結(jié)構(gòu)來(lái)維護(hù)需要select等待的文件描述符fd。

由于select的后四個(gè)參數(shù)都是輸入輸出型參數(shù)，操作系統(tǒng)也會(huì)修改這幾個(gè)參數(shù)，這就導(dǎo)致用戶層必須自己維護(hù)一個(gè)數(shù)組來(lái)記錄自己曾經(jīng)想要讓select等待的文件描述符。

并且每輪詢一次就需要重新設(shè)置一次fd_set位圖，不僅繁瑣，而且對(duì)于效率相對(duì)較低。

3. select存在遍歷成本。

在上面本喵實(shí)現(xiàn)的服務(wù)器代碼中，對(duì)于用戶層來(lái)說(shuō)，存在多處遍歷所維護(hù)的數(shù)組。

在將文件描述符設(shè)置到fd_set位圖中的時(shí)候，需要遍歷數(shù)組中的所有元素來(lái)找到合法的fd設(shè)置到位圖中。

在select完成等待后，同樣需要遍歷一次數(shù)組，來(lái)確定是哪個(gè)fd的事件就緒了，然后再去處理。

4. 內(nèi)核也要進(jìn)行遍歷

select的第一個(gè)參數(shù)傳參時(shí)傳入的是最大文件描述符fd + 1，這個(gè)參數(shù)就是為了讓內(nèi)核確定遍歷的范圍，這個(gè)值之前的所有文件描述符，操作系統(tǒng)都會(huì)進(jìn)行查看，看看是否有事件就緒。

5. 內(nèi)核和用戶層來(lái)回拷貝的成本問(wèn)題

select采用的是位圖來(lái)標(biāo)記哪個(gè)文件的事件就緒，無(wú)論是用戶層告訴內(nèi)核，還是內(nèi)核告訴用戶層，都需要拷貝，這樣來(lái)回進(jìn)行數(shù)據(jù)拷貝也是有很大的成本。

??總結(jié)

多路轉(zhuǎn)接是一個(gè)非常重要的IO模式，而select方式只最基礎(chǔ)的一種，它主要的作用是帶領(lǐng)我們理解多路轉(zhuǎn)接，后面本喵還會(huì)講解poll和epoll方式。文章來(lái)源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-685255.html

到了這里，關(guān)于【網(wǎng)絡(luò)】多路轉(zhuǎn)接——五種IO模型 | select的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請(qǐng)?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！