多路复用IO、TCP并发模型

时分复用

CPU单核在同一时刻只能做一件事情，一种解决办法是对CPU进行时分复用(多个事件流将CPU切割成多个时间片，不同事件流的时间片交替进行)。在计算机系统中，我们用线程或者进程来表示一条执行流，通过不同的线程或进程在操作系统内部的调度，来做到对CPU处理的时分复用。这样多个事件流就可以并发进行，不需要一个等待另一个太久，在用户看起来他们似乎就是并行在做一样。

PC寄存器  程序计数器 代码执行到哪里了  程序下一条要执行什么。

有没有一种可以在单线程/进程中处理多个事件流的方法呢？一种答案就是IO多路复用。

因此IO多路复用解决的本质问题是在用更少的资源完成更多的事。

IO模型

  •     1、阻塞IO  
  •     2、非阻塞IO  EAGAIN  忙等待 errno
  •     3、信号驱动IO  SIGIO 用的相对少（了解）
  •     4、并行模型 进程，线程
  •     5, IO多路复用  select、poll、epoll

1、阻塞IO ===》最常用 默认设置

以管道读写为例子：
 

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>int main(int argc, const char *argv[])
{int ret = mkfifo("fifo",0666);if(-1 == ret){if(EEXIST == errno){}else{perror("mkfifo error");exit(1);}}int fd = open("fifo",O_RDONLY);if(-1 == fd){perror("open error");exit(1);}while(1){char buf[100] = {0};read(fd,buf,sizeof(buf));printf("fifo:%s\n",buf);bzero(buf,sizeof(buf));fgets(buf,sizeof(buf),stdin);printf("terminal:%s",buf);fflush(stdout);}close(fd);return 0;
}

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
int main(int argc, const char *argv[])
{int ret = mkfifo("fifo",0666);if(-1 == ret){if(EEXIST == errno){}else{perror("mkfifo failed");exit(1);}}int fd = open("fifo", O_WRONLY);if(-1 == fd){perror("open failed");exit(1);}while(1){char buf[100] = "hello,this is fifo test";write(fd,buf,strlen(buf));sleep(3);}close(fd);return 0;
}

2、非阻塞IO ===》在阻塞IO的基础上调整其为不再阻塞等待。


     在程序执行阶段调整文件的执行方式为非阻塞：
            ===》fcntl() ===>动态调整文件的阻塞属性

fcntl()

#include <unistd.h>
    #include <fcntl.h>
 

   int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );


    功能：修改指定文件的属性信息。
    参数：fd 要调整的文件描述符
          cmd 要调整的文件属性宏名称
          ... 可变长的属性值参数。
    返回值：成功  不一定，看cmd
                  失败  -1；

int flag = fcntl(fd,F_GETFL);

fd 是要修改的文件描述符，可能是打开的文件、套接字或其他I/O设备。F_GETFL 是一个预定义的常量，告诉 fcntl 函数获取与文件描述符关联的标志。

fcntl(fd,F_SETFL ,flag | O_NONBLOCK );

 F_SETFL 常量用于设置文件描述符的标志。flag | O_NONBLOCK 是将获取到的当前标志与 O_NONBLOCK 常量进行按位或操作，目的是在现有标志的基础上添加非阻塞标志。

//noblock_fifo_r.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>
int main(int argc, const char *argv[])
{int ret = mkfifo("fifo",0666);if(-1 == ret){if(EEXIST == errno){}else{perror("mkfifo error");exit(1);}}int fd = open("fifo",O_RDONLY);if(-1 == fd){perror("open error");exit(1);}int flag = fcntl(fd,F_GETFL);//获取当前文件描述符的标志：fcntl(fd,F_SETFL,flag|O_NONBLOCK);//设置文件描述符为非阻塞模式：flag = fcntl(0,F_GETFL);// 0 是标准输入的文件描述符 stdinfcntl(0,F_SETFL,flag|O_NONBLOCK);while(1){char buf[100] = {0};if(read(fd,buf,sizeof(buf))>0){printf("fifo:%s\n",buf);}bzero(buf,sizeof(buf));if(fgets(buf,sizeof(buf),stdin)){	printf("terminal:%s",buf);fflush(stdout);}}close(fd);return 0;
}

//noblock_fifo_w.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
int main(int argc, const char *argv[])
{int ret = mkfifo("fifo",0666);if(-1 == ret){if(EEXIST == errno){}else{perror("mkfifo failed");exit(1);}}int fd = open("fifo", O_WRONLY);if(-1 == fd){perror("open failed");exit(1);}while(1){char buf[100] = "hello,this is fifo test";write(fd,buf,strlen(buf));sleep(3);}close(fd);return 0;
}

TCP服务器和客户端的收发计数。

头文件：

#ifndef __HEAD_H__
#define __HEAD_H__#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <dirent.h>
#include <time.h>
#include <pwd.h>
#include <grp.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <signal.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <netinet/in.h>
#endif

客户端：

#include "head.h"int CreateTcpClient(char *pip,int port)
{int ret = 0;int sockfd = 0;struct sockaddr_in seraddr;sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if(-1 == sockfd){perror("fail to socket");return -1;}seraddr.sin_family = AF_INET;seraddr.sin_port = htons(port);seraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(pip);ret = connect(sockfd,(struct sockaddr * )&seraddr,sizeof(seraddr));if(-1 == ret){perror("fail to connect");return -1;}return sockfd;
}int main(int argc, const char *argv[])
{int sockfd = 0;char tmpbuff[4096] = {0};int cnt = 0;ssize_t nsize = 0;sockfd = CreateTcpClient("192.168.95.131",50000);while(1){memset(tmpbuff,0,sizeof(tmpbuff));sprintf(tmpbuff,"cnt-----%d",cnt);cnt++;nsize = send(sockfd,tmpbuff,strlen(tmpbuff),0);if(-1 == nsize){perror("fail to send");return -1;}memset(tmpbuff,0,sizeof(tmpbuff));nsize = recv(sockfd,tmpbuff,sizeof(tmpbuff),0);if(nsize == 0){printf("be colsed!\n");return-1;}if(-1 == nsize){perror("fail to recv");return -1;}printf("RECV:%s\n",tmpbuff);}close(sockfd);return 0;
}

服务器：

#include"head.h"int CreateListenSocket(char *pip,int port)
{int ret = 0;int sockfd = 0;struct sockaddr_in seraddr;sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if(-1 == sockfd){perror("fail to socket");return -1;}seraddr.sin_family = AF_INET;seraddr.sin_port = htons(port);seraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(pip);ret = bind(sockfd,(struct sockaddr*)&seraddr,sizeof(seraddr));if(-1 == ret){perror("fail to bind");return -1;}ret = listen(sockfd,10);if(-1 == ret){perror("fail to listen");return -1;}return sockfd;
}int HandleTcpClient(int confd)
{char tmpbuff[4096] = {0};ssize_t nsize = 0;while(1){memset(tmpbuff,0,sizeof(tmpbuff));nsize = recv(confd,tmpbuff,sizeof(tmpbuff),0);if(-1 == nsize){perror("fail to recv");return -1;}else if(0 == nsize){return 0;}printf("%s\n",tmpbuff);sprintf(tmpbuff,"%s---echo",tmpbuff);nsize = send(confd,tmpbuff,strlen(tmpbuff),0);if(-1 == nsize){perror("faill to send");return -1;}}return nsize;
}int main(int argc, const char *argv[])
{int sockfd = 0;int confd = 0;sockfd = CreateListenSocket("192.168.95.131",50000);while(1){confd = accept(sockfd,NULL,NULL);if(-1 == confd){perror("fial to accept");return -1;}HandleTcpClient(confd);}close(confd);close(sockfd);return 0;
}

TCP并发模型  

        在服务器端如何高效地处理多个TCP连接，以实现高并发性能。

为什么 TCP需要并发模型而UDP不需要？

tcp是面向连接的，其中的accept（）和recv（）如果未收到数据都是会阻塞。

TCP：

1. 面向连接：TCP是面向连接的协议，意味着在数据传输开始前，需要先建立连接，这通常涉及到三次握手的过程。每个TCP连接都是独立的，需要单独管理。

2. 可靠性：TCP提供了可靠的数据传输，它确保数据按顺序到达，且不会丢失。这通过序列号、确认应答、重传机制和流量控制等机制实现。

3. 拥塞控制：TCP具有拥塞控制机制，以防止网络拥塞。当网络拥堵时，TCP会减慢数据发送速率。

UDP:由于UDP的无连接和不可靠特性，通常不需要像TCP那样精细的并发模型。当一个UDP服务器需要处理多个客户端时，它可以简单地接收数据报，处理后回应，而不需要维护每个连接的状态。因此，即使在处理大量并发请求时，UDP服务器的实现通常也较为简单，可能只需要一个线程或进程来处理所有数据报。

1.TCP多进程、多线程模型：

        多进程模型（Multi-process Model）： 在这种模型中，每当一个新的连接请求到来时，服务器就会创建一个新的进程来处理这个连接。每个进程负责一个或多个连接，处理完后退出。这种方法的优点是每个连接都有独立的地址空间，错误不会互相影响，但是创建进程的开销较大，而且每个进程都需要消耗一定的系统资源，如内存和文件描述符。

     多线程模型（Multi-threaded Model）： 与多进程模型类似，但使用线程代替进程。当新的连接请求到达时，服务器会在现有的线程池中选择一个线程来处理这个连接。线程的切换和上下文切换开销比进程要小，因此可以支持更高的并发数。但是线程共享相同的地址空间，所以需要小心处理线程安全问题。

    缺点：多进程和多线程的创建会带来资源开销,能够实现的并发量比较有限 。

 逻辑控制流在时间上的重叠叫做 并发。

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