Sylar C++高性能服务器学习记录11 【IO调度模块-知识储备篇】

早在19年5月就在某站上看到sylar的视频了，一直认为这是一个非常不错的视频，由于本人一直是自学编程，基础不扎实，也没有任何人的督促，没能坚持下去，每每想起倍感惋惜。恰逢互联网寒冬，在家无事，遂提笔再续前缘。

为了能更好的看懂sylar，本套笔记会分两步走，每个系统都会分为两篇博客。
分别是【知识储备篇】和【代码分析篇】
(ps:纯粹做笔记的形式给自己记录下，欢迎大家评论，不足之处请多多赐教)
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IO调度模块-知识储备篇

一、select

sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
memset(&addr, 0, sizeof (addr));
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons(2000);
addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
bind(sockfd,(struct sockaddr*)&addr ,sizeof(addr));
listen (sockfd, 5); for (i=0;i<5;i++) {memset(&client, 0, sizeof (client));addrlen = sizeof(client);fds[i] = accept(sockfd,(struct sockaddr*)&client, &addrlen);if(fds[i] > max)max = fds[i];
}//-------------------------------------------------------------while(1){FD_ZERO(&rset);for (i = 0; i< 5; i++ ) {FD_SET(fds[i],&rset);}puts("round again");select(max+1, &rset, NULL, NULL, NULL);for(i=0;i<5;i++) {if (FD_ISSET(fds[i], &rset)){memset(buffer,0,MAXBUF);read(fds[i], buffer, MAXBUF);puts(buffer);}}	
}

我们对代码进行分析

FD_ZERO(&rset);
for (i = 0; i< 5; i++ ) {FD_SET(fds[i],&rset);
}

可以看到每次循环都需要重置每一个fd的状态，这里不是很合理

//我们循环创建5个文件句柄，存放到 fds 数组中
for (i=0;i<5;i++) {memset(&client, 0, sizeof (client));addrlen = sizeof(client);//通过这行代码我们会得到一个随机的文件句柄，默认是1024以内的fds[i] = accept(sockfd,(struct sockaddr*)&client, &addrlen);//由于select是使用bitmap来标记对应fd是否有消息，所以我们需要知道fd的最大值if(fds[i] > max)max = fds[i];
}

如果我们得到的fds是[3,9,7,2]
那么我们就需要计算出用来标记的bitmap最大尺寸就是max = 9+1
也就是 0000000000 这样10个位置

select(max+1, &rset, NULL, NULL, NULL);

当我们调用select方法时，bitmap就会做以下的转换：
0000000000
0011000101
其中1的位置表示有fd的存在也就是位置被坐了，0表示没有fd也就是位置空着
其中的rset会从用户态拷贝一份到内核态执行，存在一定的开销

//当句柄发生变化是需要遍历全部的句柄查看是哪个fd有数据
for(i=0;i<5;i++) {if (FD_ISSET(fds[i], &rset)){memset(buffer,0,MAXBUF);read(fds[i], buffer, MAXBUF);puts(buffer);}
}

所以我们可以得出select有以下几个缺点：

监听有上限，默认是 1024个
FDset不可重用，需要每次都循环重置
判断某个fd是否有信息需要遍历全部的fd
select的底层实现上需要将rset由用户态拷贝到内核态执行，所以有拷贝操作的开销

二、poll

for (i=0;i<5;i++) {memset(&client, 0, sizeof (client));addrlen = sizeof(client);pollfds[i].fd = accept(sockfd,(struct sockaddr*)&client, &addrlen);pollfds[i].events = POLLIN;
}
sleep(1);//-------------------------------------------------------------------while(1){puts("round again");poll(pollfds, 5, 50000);for(i=0;i<5;i++) {if (pollfds[i].revents & POLLIN){pollfds[i].revents = 0;memset(buffer,0,MAXBUF);read(pollfds[i].fd, buffer, MAXBUF);puts(buffer);}}
}

以上代码我们可以看到,监听的fd没有长度限制
我们的fd被包装成了结构体，这样取消了rset用revents来代替，所以只需要重置revents就可以

struct pollfd {int fd;			//文件句柄short events;	//操作类型short revents;	//状态
};

所以虽然poll比起select优化了一些，但是还存在以下缺点：

判断某个fd是否有信息需要遍历全部的fd
poll的底层实现上还是需要将信息从用户态拷贝到内核态，所以有一定的开销

三、epoll

struct epoll_event events[5];int epfd = epoll_create(10);......for (i=0;i<5;i++) {static struct epoll_event ev;memset(&client, 0, sizeof (client));addrlen = sizeof(client);ev.data.fd = accept(sockfd,(struct sockaddr*)&client, &addrlen);ev.events = EPOLLIN;epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, ev.data.fd, &ev); }//--------------------------------------------------------------------  while(1){puts("round again");nfds = epoll_wait(epfd, events, 5, 10000);for(i=0;i<nfds;i++) {memset(buffer,0,MAXBUF);read(events[i].data.fd, buffer, MAXBUF);puts(buffer);}
}

epoll取消了标记位，那么如何告知用户哪些fd有消息呢？

nfds = epoll_wait(epfd, events, 5, 10000);

这里epoll_wait有返回值，返回的值表示有信息的fd的个数。
难道通过个数就能知道哪些fd有信息了吗？显然不行。
但是epoll_wait会将events进行排序，将有消息的排到前面，
这样一来只要知道个数就能知道哪些fd有消息了。
假如有以下5个fd：
[fd1,fd2,fd3,fd4,fd5]

如果这时候 fd2和fd5有消息来了就会变成：
[fd2,fd5,fd1,fd3,fd4]
并且告诉你有2个消息

那么你就可以直接取出数组中的前两个就行了。

而且epoll的底层实现上共用了events，无需从用户态切换到内核态，较少了不必要的开销。

参考资料：【IO多路复用】强烈建议花30分钟看一看。

四、epoll的API介绍

1.方法列表

//头文件
#include <sys/epoll.h>  //创建一个epoll实例 
int epoll_create(int size);   //控制epoll上的事件
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);  //阻塞等待事件发生
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events,int maxevents, int timeout);

2.epoll_event

typedef union epoll_data {void *ptr;int fd;uint32_t u32;uint64_t u64;
} epoll_data_t;struct epoll_event {uint32_t events;	epoll_data_t data;
}

其中的events有以下几种：

EPOLLIN：可读事件，表示连接上有数据可读。
EPOLLOUT：可写事件，表示连接上可以写入数据。
EPOLLPRI：紧急事件，表示连接上有紧急数据可读。
EPOLLRDHUP：连接关闭事件，表示连接已关闭。
EPOLLERR：错误事件，表示连接上发生错误。
EPOLLHUP：挂起事件，表示连接被挂起。

3.epoll_create

//创建一个epoll fd，返回一个新的epoll文件描述符。
//参数size用于指定监听的文件描述符个数，但是在Linux 2.6.8之后的版本，该参数已经没有实际意义。传入一个大于0的值即可。
int epfd=epoll_create(1);

4.epoll_ctl

//用于向epoll实例中添加、修改或删除关注的文件描述符和对应事件
//epfd：epoll文件描述符，通过epoll_create函数创建获得。
//op：操作类型，可以是以下三种取值之一：
//EPOLL_CTL_ADD：将文件描述符添加到epoll实例中。
//EPOLL_CTL_MOD：修改已添加到epoll实例中的文件描述符的关注事件。
//EPOLL_CTL_DEL：从epoll实例中删除文件描述符。
//fd：要控制的文件描述符。
//event：指向epoll_event结构体的指针，用于指定要添加、修改或删除的事件。
//成功时返回0，表示操作成功。
//失败时返回-1，并设置errno错误码来指示具体错误原因。
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

5.epoll_wait

//epfd：epoll文件描述符，通过epoll_create函数创建获得。
//events：用于接收事件的epoll_event结构体数组。
//maxevents：events数组的大小，表示最多可以接收多少个事件。
//timeout：超时时间，单位为毫秒，表示epoll_wait函数阻塞的最长时间。常用的取值有以下三种：
//-1：表示一直阻塞，直到有事件发生。
//0：表示立即返回，不管有没有事件发生。
//> 0：表示等待指定的时间（以毫秒为单位），如果在指定时间内没有事件发生，则返回。
//成功时返回接收到的事件的数量。如果超时时间为0并且没有事件发生，则返回0。
//失败时返回-1，并设置errno错误码来指示具体错误原因。
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);

6.工作模式

水平触发（Level Triggered, LT）模式（默认）
有事件就一直不断通知

当被监控的文件描述符上的状态发生变化时，epoll会不断通知应用程序，直到应用程序处理完事件并返回。
如果应用程序没有处理完事件，而文件描述符上的状态再次发生变化，epoll会再次通知应用程序。
应用程序可以使用阻塞或非阻塞I/O来处理事件。
水平触发模式适合处理低并发的I/O场景。

int epfd=epoll_create(1);
struct epoll_event even;
even.events=EPOLLIN;  //用水平触发模式来检测
even.data.fd=lfd;

边缘触发（Edge Triggered, ET）模式
有事件只通知一次，后续一次处理没解决完的内容需要程序员自己解决

仅当被监控的文件描述符上的状态发生变化时，epoll才会通知应用程序。
当文件描述符上有数据可读或可写时，epoll会立即通知应用程序，并且保证应用程序能够全部读取或写入数据，直到读写缓冲区为空。
应用程序需要使用非阻塞I/O来处理事件，以避免阻塞其他文件描述符的事件通知。
边缘触发模式适合处理高并发的网络通信场景。

int epfd = epoll_create(1);
struct epoll_event even;
even.events = EPOLLIN | EPOLLET; //使用边缘触发模式检测
even.data.fd = lfd;

五、总结

epoll用法很简单，了解了他的概念和使用方法就可以了，具体的内部实现我希望不要过分深入，毕竟我们要学的东西很多。

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