预备知识

1、操作系统的用户态和内核态：

用户态指的是用户自己定义工作空间，自己申请变量、定义函数的操作。

内核态指把一些工作交给操作系统去玩成，用户本身看不到执行过程，只能获取操作系统最后执行完成的结果。其中，在网络编程中，accept recv send等函数均在内核态实现的。

计算机之间的通信，就是内核态在操作系统里实现的，用户本身是感觉不到的，除非使用ping等函数，能查到和其他计算机进程通信的结果。

所以，当有计算机远程连接或传送数据时，操作系统内核首先建立连接，并且开辟一段缓冲区把对方的信息放入缓冲区。如果需要用户去读取，则需要通过特定函数（listen，accept）将首先得到该连接在用户态层面的地址，再使用（recv）函数将存在于内核去的数据读取出来。

阻塞状态：如何内核函数没有相应的结果，会阻塞在这个状态，直到有新的结果出现才会返回。

2、实现tcp server

IO复用

select函数

select函数 也是一个内核态的函数，调用该函数可以使操作系统内核检查其中建立的连接，并把结果进行返回。

//需要首先初始化两个数组
fd_set fdset, rset;
FD_ZERO(&fdset);
//后续需要对fdset数组进行监听，所以需要提前将该数组初始化，即把bind的文件描述符放入其中
FD_SET(servfd, &fdset);int nready = select(maxfd + 1, &rset, NULL, NULL, NULL);

当调用了select函数后，内核就会遍历这个数组，挨个判断这个数组里的文件描述符是否达到可读状态，如果达到可读状态，就把对应文件描述符放入rset数组中，随后用户就可以对rset里的文件进行相应的操作。

注：什么是可读状态？

对于bind端口的文件描述符而言，内核监听到有新的连接建立，就是可读了；

对于普通文件描述符，内核监听到缓冲区有数据了，就是可读状态。

因此在调用select函数后，需要写两段逻辑，分别处理这两种可读状态：

int mready = select(maxfd + 1, &rset, NULL, NULL, NULL);//第一段逻辑，处理是否有新的连接建立，如果有新的建立，就拿到文件描述符//加入到fd_set数组中，参与下一轮的监听if(FD_ISSET(servfd, &rset)){    //acceptint clientfd = accept(servfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &client_len);printf("%d had connected!\n", clientfd);FD_SET(clientfd, &fdset);if(clientfd > maxfd){maxfd = clientfd;}}//第二段逻辑，处理是否有数据发送过来。//如果有，就把数据缓冲区的内容读取出来for(int i = servfd + 1; i <= maxfd; i++){if(FD_ISSET(i, &rset)){char buffer[1024] = {0};int count = recv(i, buffer, 1024, 0);if(count == 0){printf("%d disconnected!\n", i);close(i);FD_CLR(i, &fdset);continue;}printf("receive: %s \n", buffer);send(i, buffer, count, 0);}   }

poll函数

select的弊端：fd_set这个数组的大小是固定的，对于高并发而言效率过低。

select参数过多，监听可读需要一个数组，监听可写需要一个数组，监听错误也需要一个数组，拷 贝到内核态的东西太多了。

poll基于select，建立了新的数组，其实是新的结构体数组，结构体（数组）如下：

相较于select的数组而言，该结构体不只是包含了文件描述符，还还包含了想要监听的事件状态（events）所以可以同时做到监听可读、可写、错误等，这样就避免了select使用过多的数组作为参数传给内核。

//初始化fd数组，准备把该数组传给poll
struct pollfd fds[1024] = {0};
fds[servfd].fd = servfd;
fds[servfd].events = POLLIN;int nready = poll(fds, maxfd + 1, -1);

调用poll函数后，操作系统内核同样会遍历这个数组，根据数组中events中所想要监听的状态判断是否就绪，把结果写入revents中返回，用户态中用户看到基于revents中的结果进行相应操作。

int mready = poll(fds, maxfd + 1, -1);
//对于可读状态，同样要写两端逻辑
//第一段逻辑，判断是否是bind端口的文件描述符，如果是，表明有新的连接，需要加入fd数组
if(fds[servfd].revents & POLLIN){int clientfd = accept(servfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &client_len);printf("%d had connected!\n", clientfd);fds[clientfd].fd = clientfd;fds[clientfd].events = POLLIN;if(clientfd > maxfd){maxfd = clientfd;}
}
//第二段逻辑，判断新的连接是否可读，即缓冲区有无内容。
for(int i = servfd + 1; i <= maxfd; i++){if(fds[i].revents & POLLIN){char buffer[1024] = {0};int count = recv(i, buffer, 1024, 0);if(count == 0){printf("%d disconnected!\n", i);close(i);fds[i].fd = -1;fds[i].events = 0;continue;}printf("receive: %s \n", buffer);send(i, buffer, count, 0);}
}

epoll函数

poll的弊端：内核还是会对传入数组进行遍历，判断每个fd是否是所需要的状态，还是会有拷贝和循环的过程。

epoll和select和poll相比，省略了传入新建fd数组并拷贝的环节，而是直接在内核中构造了该数组。

//在内核中构造了一个数组，用来存放监听到的文件描述符，可供用户态直接使用
int epollfd = epoll_create(1);//创建好了之后需要初始化该数组，即把bind端口的fd放入该数组中
struct epoll_event ev;
ev.events = EPOLLIN;
ev.data.fd = servfd;
epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, servfd, &ev);

之后会调用epoll_wait函数，内核会把已经就绪的文件描述符返回，用户只需要新建一个数组用来接收就可以了

//在用户态建立数组用于接收返回的就绪的文件描述符
struct epoll_event events[1024];
int mready = epoll_wait(epollfd, events, 1024, -1);
//直接对该数组进行遍历
for(int i = 0; i < mready; i++){//同样是两段代码逻辑，一个是判段是否是有新的连接，一个是判断是否有新数据到达if(events[i].data.fd == servfd){int clientfd = accept(servfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &client_len);printf("%d had connected!\n", clientfd);ev.events = EPOLLIN;ev.data.fd = clientfd;epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, clientfd, &ev);}else if(events[i].events & EPOLLIN){char buffer[1024] = {0};int count = recv(events[i].data.fd, buffer, 1024, 0);if(count == 0){printf("%d disconnected!\n", events[i].data.fd);close(events[i].data.fd);epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_DEL, events[i].data.fd, NULL);continue;}printf("receive: %s \n", buffer);send(events[i].data.fd, buffer, count, 0);}
}

课程地址：https://github.com/0voice

总结

io多路复用是面试中常被问到的，之前没有接触也只是笼统的被八股，至于具体内容是什么，原理怎么样并不了解，所以深入问的话是容易露馅的。这次的学习，对io复用有了较深的理解，起码不会像之前那样纯背八股那样停留表面了，起码在操作系统、网络这两个层面有了更进一步的认知。同时不得不感叹，终于有一种把之前学习到的知识串联起来的感觉。之前os是os，计网是计网，考试就是学习对应的知识点应付。这一节通过具体的代码，相当于把这两个进行了连接，有了更立体的认识。如果能有今天这样的认识再回到两个月前参加秋招，别的不提，起码io复用这一块再背问道也会有很大的信心了。还清晰的记得，参加第一场面试被问到io多路复用有了解吗？我竟然回答不是很了解，那么现在我也是直到为啥给我挂了！（哭笑）不过好在什么时候开始都不算晚，知道了哪里不足哪里有欠缺也是一种提升。

果然还是要理论+实践，空背八股会被淘汰，只有代码也很难拿到高薪呀！继续努力吧！