【Linux】48.高级IO（2）

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1.3.5 socket就绪条件

读就绪

• socket内核中, 接收缓冲区中的字节数, 大于等于低水位标记SO_RCVLOWAT. 此时可以无阻塞的读该文件描述符, 并且返回值大于0;
• socket TCP通信中, 对端关闭连接, 此时对该socket读, 则返回0;
• 监听的socket上有新的连接请求;
• socket上有未处理的错误;

写就绪

• socket内核中, 发送缓冲区中的可用字节数(发送缓冲区的空闲位置大小), 大于等于低水位标记SO_SNDLOWAT, 此时可以无阻塞的写, 并且返回值大于0;
• socket的写操作被关闭(close或者shutdown). 对一个写操作被关闭的socket进行写操作, 会触发SIGPIPE信号;
• socket使用非阻塞connect连接成功或失败之后;
• socket上有未读取的错误;

异常就绪(选学)

• socket上收到带外数据. 关于带外数据, 和TCP紧急模式相关(回忆TCP协议头中, 有一个紧急指针的字段),

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1.3.6 select的特点

• 可监控的文件描述符个数取决与sizeof(fd_set)的值. 我这边服务器上sizeof(fd_set)＝512，每bit表示一个文件描述符，则我服务器上支持的最大文件描述符是512*8=4096.
• 将fd加入select监控集的同时，还要再使用一个数据结构array保存放到select监控集中的fd，
  1. 用于再select 返回后，array作为源数据和fd_set进行FD_ISSET判断。
  2. select返回后会把以前加入的但并无事件发生的fd清空，则每次开始select前都要重新从array取得fd逐一加入(FD_ZERO最先)，扫描array的同时取得fd最大值maxfd，用于select的第一个参数。

备注: fd_set的大小可以调整，可能涉及到重新编译内核

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1.3.7 select缺点

• 每次调用select, 都需要手动设置fd集合, 从接口使用角度来说也非常不便.
• 每次调用select，都需要把fd集合从用户态拷贝到内核态，这个开销在fd很多时会很大
• 同时每次调用select都需要在内核遍历传递进来的所有fd，这个开销在fd很多时也很大
• select支持的文件描述符数量太小.

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1.3.8 I/O多路转接之poll [选学]

poll函数接口

#include <poll.h>int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);// pollfd结构
struct pollfd {int fd; /* file descriptor */short events; /* requested events */short revents; /* returned events */
};

参数说明

• fds是一个poll函数监听的结构列表. 每一个元素中, 包含了三部分内容: 文件描述符, 监听的事件集合, 返回的事件集合.
• nfds表示fds数组的长度.
• timeout表示poll函数的超时时间, 单位是毫秒(ms).

events和revents的取值:

返回结果

• 返回值小于0, 表示出错;
• 返回值等于0, 表示poll函数等待超时;
• 返回值大于0, 表示poll由于监听的文件描述符就绪而返回.

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1.3.9 socket就绪条件

同select

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1.3.10 poll的优点

fdset的方式，poll使用一个pollfd不同与 的指针实现 select.使用三个位图来表示三个

• pollfd结构包含了要监视的event和发生的event，不再使用select“参数-值”传递的方式. 接口使用比select更方便.
• poll并没有最大数量限制 (但是数量过大后性能也是会下降).

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1.3.11 poll的缺点

poll中监听的文件描述符数目增多时

• 和select函数一样，poll返回后，需要轮询pollfd来获取就绪的描述符.
• 每次调用poll都需要把大量的pollfd结构从用户态拷贝到内核中.
• 同时连接的大量客户端在一时刻可能只有很少的处于就绪状态, 因此随着监视的描述符数量的增长, 其效率也会线性下降.

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1.3.12 I/O多路转接之epoll

epoll初识：

按照man手册的说法: 是为处理大批量句柄而作了改进的poll.

它是在2.5.44内核中被引进的(epoll(4) is a new API introduced in Linux kernel 2.5.44)

它几乎具备了之前所说的一切优点，被公认为Linux2.6下性能最好的多路

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1.3.13 epoll的相关系统调用

epoll 有3个相关的系统调用

epoll_create

int epoll_create(int size);

创建一个epoll的句柄.

• 自从linux2.6.8之后，size参数是被忽略的.
• 用完之后, 必须调用close()关闭.

epoll_ctl

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

epoll的事件注册函数.

• 它不同于select()是在监听事件时告诉内核要监听什么类型的事件, 而是在这里先注册要监听的事件类型.
• 第一个参数是epoll_create()的返回值(epoll的句柄).
• 第二个参数表示动作，用三个宏来表示.
• 第三个参数是需要监听的fd.
• 第四个参数是告诉内核需要监听什么事.

第二个参数的取值:

• EPOLL_CTL_ADD ：注册新的fd到epfd中；
• EPOLL_CTL_MOD ：修改已经注册的fd的监听事件；
• EPOLL_CTL_DEL ：从epfd中删除一个fd；

struct epoll_event结构如下:

events可以是以下几个宏的集合：

• EPOLLIN : 表示对应的文件描述符可以读 (包括对端SOCKET正常关闭);
• EPOLLOUT : 表示对应的文件描述符可以写;
• EPOLLPRI : 表示对应的文件描述符有紧急的数据可读 (这里应该表示有带外数据到来);
• EPOLLERR : 表示对应的文件描述符发生错误;
• EPOLLHUP : 表示对应的文件描述符被挂断;
• EPOLLET : 将EPOLL设为边缘触发(Edge Triggered)模式, 这是相对于水平触发(Level Triggered)来说的.
• EPOLLONESHOT：只监听一次事件, 当监听完这次事件之后, 如果还需要继续监听这个socket的话, 需要再次把这个socket加入到EPOLL队列里.

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epoll_wait

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

收集在epoll监控的事件中已经发送的事件.

• 参数events是分配好的epoll_event结构体数组.
• epoll将会把发生的事件赋值到events数组中 (events不可以是空指针，内核只负责把数据复制到这个events数组中，不会去帮助我们在用户态中分配内存).
• maxevents告之内核这个events有多大，这个 maxevents的值不能大于创建epoll_create()时的size.
• 参数timeout是超时时间 (毫秒，0会立即返回，-1是永久阻塞).
• 如果函数调用成功，返回对应I/O上已准备好的文件描述符数目，如返回0表示已超时, 返回小于0表示函数失败

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1.3.14 epoll工作原理

• 当某一进程调用epoll_create方法时，Linux内核会创建一个eventpoll结构体，这个结构体中有两个成员与epoll的使用方式密切相关.

struct eventpoll{ .... /*红黑树的根节点，这颗树中存储着所有添加到epoll中的需要监控的事件*/ struct rb_root rbr; /*双链表中则存放着将要通过epoll_wait返回给用户的满足条件的事件*/ struct list_head rdlist; .... 
};

• 每一个epoll对象都有一个独立的eventpoll结构体，用于存放通过epoll_ctl方法向epoll对象中添加进来的事件.
• 这些事件都会挂载在红黑树中，如此，重复添加的事件就可以通过红黑树而高效的识别出来(红黑树的插入时间效率是lgn，其中n为树的高度).
• 而所有添加到epoll中的事件都会与设备(网卡)驱动程序建立回调关系，也就是说，当响应的事件发生时会调用这个回调方法.
• 这个回调方法在内核中叫ep_poll_callback,它会将发生的事件添加到rdlist双链表中.
• 在epoll中，对于每一个事件，都会建立一个epitem结构体.

struct epitem{ struct rb_node rbn;//红黑树节点 struct list_head rdllink;//双向链表节点 struct epoll_filefd ffd; //事件句柄信息 struct eventpoll *ep; //指向其所属的eventpoll对象 struct epoll_event event; //期待发生的事件类型 
} 

• 当调用epoll_wait检查是否有事件发生时，只需要检查eventpoll对象中的rdlist双链表中是否有epitem元素即可.
• 如果rdlist不为空，则把发生的事件复制到用户态，同时将事件数量返回给用户. 这个操作的时间复杂度是O(1).

总结一下, epoll的使用过程就是三部曲:

• 调用epoll_create创建一个epoll句柄;
• 调用epoll_ctl, 将要监控的文件描述符进行注册;
• 调用epoll_wait, 等待文件描述符就绪;