Linux---高级IO

IO过程

发起IO调用，等待IO条件就绪，将数据拷贝到缓冲区中进行处理。
等待+数据拷贝两个主要的操作

五种IO模型

阻塞IO：发起IO调用，不具备IO条件，则一直阻塞等待，操作是顺序执行。
非阻塞IO：发起IO调用，不具备IO条件，则立即返回，操作需要循环调用。
信号驱动IO：定义一个IO就绪信号，收到信号则立即发送IO调用，操作不是顺序进行。
异步IO：定义IO完成信号，发起异步IO调用，IO由系统完成。
多路转接IO：对大量描述符集中事件监控，让进车可以只针对就绪的描述符进行操作，提高了效率，避免对未就绪的操作符进行操作，导致阻塞。

阻塞IO

为了完成某个功能，发起IO调用如果当前不具备IO条件，则一直等待。

优点：流程非常简单
缺点：一个IO完成以后，才能执行下一个IO，资源没有充分利用，大量的时间在等待。

非阻塞IO

为了完成一个IO，发起调用，如果当前不具备IO条件，则立即返回，但是需要循环发起IO。

优点：流程相对复杂一点，对资源的利用更加充分。
缺点：IO操作不够实时。

信号驱动IO

定义一个IO信号处理方式，在处理方式中进行IO操作，IO就绪时信号通知进程，进程在IO就绪的时候去进行IO操作。

优点：IO操作更加实时，对资源的利用更加高效。
缺点：操作复杂。

异步IO

例如：排队买票的例子。
假期出去游玩的人比较多，因此异步IO的操作，就类似于，你让别人帮你排队，并且帮你把票买了，最终将票给你就可以了。
因此异步IO的本质就是，其所有的IO操作都是让别人帮忙完成，自身只是发起一个调用，告诉别人需要从哪里开始拷贝数据，以及拷贝多少数据即可。IO的等待与操作都是由别人完成。

优点：对资源利用更加充分
缺点：流程更加负责

同步与互斥

同步

这里的同步与之前进程中的同步不同，这里的同步指的是处理流程中，顺序处理，一个完成之后再完成下一个，并且所有的功能都是由进程自身完成的。

异步
处理流程顺序不定，主要的功能都是由别人完成或者由操作系统完成。

异步阻塞：功能是由别人完成，但是在调用的时候是等着别人完成。
异步非阻塞：功能由别人完成，调用之后立即返回，不用等待。

高级IO中的同步与互斥的主要区别：

判断主要的功能是不是自己完成的，完成的顺序是否确定。

多路转接IO

对大量的描述符进行IO事件监控，可以告诉我们，当前有哪些描述符已经就绪了哪些事件，进程就可以针对就绪了指定事件的进程进行响应操作，避免了对没有就绪的描述符进行操作导致的效率降低。

IO事件
可读事件、可写事件、异常事件

多路转接IO模型：

作用：用于对描述符事件进行监控的。
实现方式：select、poll、epoll

select模型

操作流程：

定义某个事件的描述符集合 (可读、可写、异常事件集合)，初始化集合。
对哪个描述符关心，就把这个描述符添加到指定的相应事件中。
将集合拷贝到内核中进行监控。监控的原理是轮询监控。（轮询遍历判断）
可读事件的就绪：接收缓冲区中的数据大小大于低水位标记，通常默认为一个字节。
可写事件的就绪：发送缓冲区中剩余空间的大小大于低水位标记，通常默认为一个字节。
异常事件的就绪：描述符是否产生了某个异常。
监控调用的返回，表示监控出错、描述符已经就绪、监控超时。在调用返回的时候，将事件监控的描述符集合中的未就绪的描述符从集合中移除，在集合中仅仅保留就绪的描述符。
轮询判断哪个描述符处于哪个集合中，就确定这个描述符是否就绪了某个事件，然后进行对应事件的操作。（如果一个描述符处于可读集合中，表述当前描述符已经满足可读事件，然后进行具体的操作）

注意

在select中，并不会直接返回给用户就绪的描述符进行操作，而是返回的就绪描述符的集合，因此需要我们自己进行判断。
因为，select在返回的时候，将没有就绪的描述符已经移除，因此在下次监控的时候，就需要重新向集合中添加描述符。

代码操作：

定义集合（struct fd_set)，该成员只有一个数组，在该数组中是以二进制比特位进行使用的，添加描述符的就是将对应的二进制比特位置一。默认大小为1024个描述符。
初始化清空集合：void FD_ZERO(fd_set *set)
添加描述符到指定集合中。void FD_SET(int fd,fd_set* set)，将fd描述符添加到set集合中。
开发发起监控调用。
int select(int nfds,fd_set * readfds,fd_set* writefds,fd_set *exceptfds,struct timeval *timeout);

nfds：当前监控集合中最大的描述符+1。因为集合默认监控的描述符大小为1024个，避免遍历没用的描述符，减少遍历的次数。
readfds：可读事件描述符集合，如果不需要则置空。
writedfs：可写事件描述符集合，如果不需要则置空。
exceptfds：异常事件描述符集合，如果不需要则置空。
timeout：时间结构体，通过时间决定select阻塞、非阻塞、限制超时的阻塞，如果timeout为空，则表示阻塞监控，直到有描述符就绪或者监控出错才会返回。如果timeout中的成员数据为0，则表示非阻塞，监控的时候如果没有描述符就绪，则会立即超时返回。如果timeout中的成员数据不为0，则在指定的时间之内，没有就绪则超时返回。
返回值：返回值大于0，表示就绪描述符个数；返回值如果为0，表示没有描述符就绪，超时返回；返回值小于0，表示监控出错。

调用返回，返回就绪的描述符，遍历判断哪个描述符还在集合中，就是哪个事件已经就绪。
int FD_ISSET(int fd,fd_set *set)，判断fd描述符是否在集合中。本质就是对二进制比特位查看的封装。
如果对描述符不进行监控，则移除描述符。
void FD_CLR(int fd,fd_set* set)在set集合中删除fd描述符

int main()
{fd_set redfs;while(1){cout<<"开始监控"<<endl;struct timeval tv;tv.tv_sec = 3;tv.tv_usec = 0;FD_ZERO(&redfs)FD_SET(0,&redfs); //将0号标准输入描述符添加到集合中int res = select(1,redfs,NULL,NULL,&tv); if(res<0){perror("select error")return -1;}else if(res == 0){cout<<"监控超时"<<endl;continue;}if(FD_ISSET(0,&redfs)){cout<<"监控成功，0号事件已经响应"<<endl;}}
}

优缺点：

跨平台移植性比较好。
select对描述符的监控由最大数量上限。FD_SETSIZE 。
在内核中进行监控数通过轮询遍历实现的，因此性能会随着描述符的增多而下降。
只能返回就绪的集合，需要进程进行轮询判断才能知道哪个描述符就绪了哪个事件。
每次监控都需要将描述符添加到集合中，每次监控都需要将集合拷贝到内核中。

poll模型

操作流程：

定义监控的描述符时间的结构体数组，将需要监控的描述符以及事件标识信息，添加到数组的各个节点中。
发起调用开始监控，将监控事件的描述符结构体数组，拷贝到内核中进行轮询遍历判断，如果有就绪/等待超时则调用返回，并且在每个描述符对应的事件结构体中，标识当前就绪的事件。
进程轮询遍历数组，判断数组中的每个节点中的就绪事件是哪个事件，再决定对描述符如何进行操作。

接口：

int poll (struct pollfd* arry,nfds_t nfds,int timeout)
监控采用事件结构体。
struct pollfd {int fd; shor events; shor revents}
fd要监控的描述符、events要监控的事件（POLLIN可读事件、POLLOUT可写事件）、revents哪个监控事件就绪了就将其放在其中。
nfds：数组中有效节点的个数
timeout：监控的超时等待时间：毫秒
返回值：>0表示监控的就绪事件的个数；返回值==0表示等待超时，返回值<0监控出错。

优缺点：

使用事件结构体进行监控，简化了select中三种事件集合的操作流程。
监控数量不做限制。
不需要每次重新定义事件节点。
跨平台移植性差。
每次监控依然需要向内核中拷贝数据。
在内核中监控，依然采用轮询遍历。

epoll模型

操作流程：

在内核中创建epoll句柄（epollevent结构体。红黑树+双向链表）
对内核中的epollevent结构添加、删除、修改
开始监控，发起调用，在内核中采用异步阻塞实现监控，等待超时或者描述符就绪了事件后调用返回，返回给用户就绪描述符事件的结构信息。
进行直接对就绪的事件结构体中的描述符成员进行操作即可

接口信息：

int epoll_create(int size)创建epoll句柄，size只要大于0即可。
返回值：一个文件描述符，
int epoll_ctl(int epfd,int cmd,int fd,struct epoll_event* ev)
epfd：epoll_create返回的操作句柄
cmd：针对fd描述符的监控信息进行操作，添加/删除/修改操作。EPOLL_CTL_ADD /EPOLL_CTL_DEL / EPOLL_CTL_MOD
fd：要监控的描述符
ev：描述符对应的事件结构体信息。当epoll开始监控的时候，描述符如果就绪了进程关心的事件，则会给用户返回我们添加对应事件结构体信息，通过事件结构体信息中包含的描述符进行操作，所以fd与ev结构体中的fd是同一个描述符。
int epoll_wait(int epfd,struct epoll_events *evs,int max_event,int timeout)
epfd：epoll操作句柄
evs：struct epoll_events结构体数组的首地址，用于接受就绪的描述符对应的事件结构体信息。
max_event：本次监控想要获取就绪事件的最大数量，不能大于evs数组大小。
timeout：超时等待时间，单位毫秒。
返回值：>0表示就绪事件的个数 =0表示等待超时，<0监控出错

监控原理

异步阻塞操作。
监控由系统完成，用户添加监控的描述符以及对应事件结构体会被添加到内核的eventpoll结构体中的红黑树中，一旦进程发起调用，操作系统为每个描述符的事件进行回调。当描述符就绪了哪个事件，则将描述符对应的事件结构体添加到双向链表中。
进程自身，每隔一段事件，判断双向链表是否为NULL，决定是否有事件就绪。

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