目錄

前言.

一. 談信號驅(qū)動IO? (對比異步IO來看)

信號驅(qū)動IO 對比 異步 IO進行理解

UDP? +? SIGIO信號注冊模擬實現(xiàn)一下信號驅(qū)動IO

二. 生活的角度理解select poll epoll三種IO多路復(fù)用技術(shù)的工作模式.

生活實例理解select? 和 poll 工作原理

生活理解epoll工作原理

三. 細談一下epoll的ET和LT

四. 總結(jié)本文

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前言.

• 小杰之前分析過的幾種常見IO模型,以及給出了小杰對于IO多路復(fù)用技術(shù)的淺顯理解.? (上篇擼了很多代碼,有著select poll epoll分別的服務(wù)端代碼實現(xiàn)，感興趣的可以閱讀哈)

網(wǎng)絡(luò)編程實戰(zhàn)之高級篇, 徹底解決面試C10k問題, 高并發(fā)服務(wù)器, IO多路復(fù)用, 同時監(jiān)視多個IO事件_小杰312的博客-CSDN博客網(wǎng)絡(luò)編程實戰(zhàn)之高級篇, 徹底解決面試C10k問題, 高并發(fā)服務(wù)器, IO多路復(fù)用, IO監(jiān)視https://blog.csdn.net/weixin_53695360/article/details/123311049?spm=1001.2014.3001.5501

一. 談信號驅(qū)動IO? (對比異步IO來看)

• 信號驅(qū)動IO 對比 異步 IO進行理解

• ?信號驅(qū)動IO: 內(nèi)核將數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好的時候, 使用SIGIO信號通知應(yīng)用程序進行IO操作
• 通知應(yīng)用程序處理IO, 是開始處理IO,? ? ? ? ? 這個時候還是存在阻塞的，將數(shù)據(jù)從內(nèi)核態(tài)拷貝進入到用戶態(tài)的過程至少是阻塞住的? ? ? ? ?(應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)從內(nèi)核態(tài)拷貝到用戶態(tài)的過程是阻塞等待的, 和異步IO的區(qū)別)? ? ?(此處是區(qū)分信號驅(qū)動IO和異步IO的關(guān)鍵所在)
• 信號驅(qū)動IO, 我們提前在信號集合中設(shè)置好IO信號等待， 注冊好對應(yīng)的IO處理函數(shù)? handler，IO數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒后，會遞交SIGIO信號，通知應(yīng)用程序中斷然后開始進行對應(yīng)的IO處理邏輯. 但是通知處理IO的時候存在將數(shù)據(jù)從? 內(nèi)核空間拷貝到用戶空間的過程，(而異步IO是數(shù)據(jù)拷貝完成之后內(nèi)核再通知應(yīng)用程序直接開始處理， 應(yīng)用程序直接處理，不需要拷貝數(shù)據(jù)阻塞等待)

• ?異步IO: 由內(nèi)核在數(shù)據(jù)拷貝完成時, 通知應(yīng)用程序(而信號驅(qū)動是告訴應(yīng)用程序何時可以開始拷貝數(shù)據(jù))
• 真正的做到了完完全全的非阻塞，發(fā)起aio_read之后應(yīng)用程序立即可以去做其他的事情了.? ?調(diào)用了aio_read之后會立即進行返回繼續(xù)向下執(zhí)行應(yīng)用程序，由kernel內(nèi)核進行等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，只有當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了且拷貝到來用戶空間，一切完成后，kernel給應(yīng)用程序發(fā)送一個signal，告知它read完成了, 沒有任何的阻塞，你直接處理就是
• 異步IO由于它不會對用戶進程，應(yīng)用程序產(chǎn)生任何的阻塞，所以他對于高并發(fā)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的實現(xiàn)至關(guān)緊要.

小結(jié)：??

• ?任何IO操作都是存在? 等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完成 和? 將 數(shù)據(jù)從內(nèi)核態(tài)拷貝到用戶態(tài)兩個過程的
• 兩個過程中等待數(shù)據(jù)消耗的時間一般遠超于拷貝數(shù)據(jù)所花費的時間，所以一般我們進行IO的優(yōu)化，都是想辦法盡量降低等待時間
• 所以信號驅(qū)動IO 因為是通知開始處理數(shù)據(jù)，應(yīng)用程序需要將數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝進入到用戶態(tài) (數(shù)據(jù)拷貝阻塞等待)? ? ?和異步IO的區(qū)別
• 異步IO? ?是完全不存在應(yīng)用程序的阻塞等待，平時應(yīng)用程序干自己的事情，當(dāng)數(shù)據(jù)完全準(zhǔn)備好了? (數(shù)據(jù)??完成了拷貝?)，直接通知應(yīng)用程序回調(diào)處理數(shù)據(jù)
• 所以我們之前介紹的? blocking?io? ?non-blocking?io? ? io multiplexing? (IO多路復(fù)用)? 本質(zhì)上都是屬于? ?synchronous? ?IO? （同步IO） 都是存在有阻塞的，有人說不對吧:? 哪 non-blocking? IO 呢?? ? ?非阻塞IO僅僅只是在數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段上來說是非阻塞的，數(shù)據(jù)沒準(zhǔn)備好立馬返回，可是數(shù)據(jù)拷貝階段還是阻塞住的，所以本質(zhì)還是同步IO.? ?(大大的狡猾，忘記了阻塞除了準(zhǔn)備數(shù)據(jù)的時候存在，拷貝數(shù)據(jù)也是阻塞住的)
• 只有異步IO? ?asynchronous 是完全做到了整個過程非阻塞的 ,? 當(dāng)進程發(fā)起IO操作之后，就直接返回再也不必理睬，直kernel 發(fā)送一個信號，告訴進程說IO完成(涵蓋數(shù)據(jù)拷貝完成),? 在這個過程中，是完全避免了阻塞進程了的

• UDP? +? SIGIO信號注冊模擬實現(xiàn)一下信號驅(qū)動IO

流程：

注冊SIGIO的處理函數(shù)? (回調(diào)函數(shù))

設(shè)置該套接口的屬主，通常使用fcntl的F_SETOWN命令設(shè)置

fcntl(fd, F_SETOWN, getpid()); ? ? 3.?開啟該套接口的信號驅(qū)動I/O，通常使用fcntl的F_SETFL命令打開O_ASYNC標(biāo)志完成

實現(xiàn)代碼? ?(簡單的信號驅(qū)動服務(wù)端)

#include <signal.h> #include <sys/types.h> #include <unistd.h> #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <fcntl.h> #include <stdlib.h> #include <sys/socket.h> #include <string.h> #include <arpa/inet.h>typedef struct sockaddr SA;#define BUFFSIZE 512 int sockfd = 0; //定義全局的sockfd//信號處理 void do_sigio(int signo) {char buff[512] = {0};struct sockaddr_in cli_addr;socklen_t clilen = sizeof(cli_addr);int rlen = recvfrom(sockfd, buff, 512, 0,(SA*)&cli_addr, &clilen); //獲取cli_addr, 為后面send做準(zhǔn)備printf("Recvfrom message: %s\n", buff);int slen = sendto(sockfd, buff, rlen, 0, (SA*)&cli_addr, clilen); }int main() {sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (-1 == sockfd) {perror("socket");return 2;} signal(SIGIO, do_sigio);//注冊信號處理函數(shù)//確定協(xié)議地址簇struct sockaddr_in serv_addr; memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));serv_addr.sin_family = AF_INET;serv_addr.sin_port = htons(8080);serv_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;//設(shè)置套接口屬主fcntl(sockfd, F_SETOWN, getpid());//然后設(shè)置O_ASYNC 開啟信號驅(qū)動IOint flags = fcntl(sockfd, F_GETFL);if (-1 == fcntl(sockfd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK | O_ASYNC)) {return 4;}if (-1 == bind(sockfd, (SA*)&serv_addr, sizeof(serv_addr))) {return 3;}while (1) sleep(1);close(sockfd);return 0; }

• 客戶端代碼：

#include <signal.h> #include <sys/types.h> #include <unistd.h> #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <fcntl.h> #include <stdlib.h> #include <sys/socket.h> #include <string.h>typedef struct sockaddr SA; #defien BUFFSIZE 512 int sockfd = 0; //定義全局的listenfdint main(int argc, char* argv[]) {if (argc != 3) {fprintf(stderr, "usage: argv[0]<ip port>\n", argv[0]);return 1;}sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (-1 == sockfd) {perror("socket");return 2;} short port = atoi(argv[2]);const char* ip = argv[1];//獲取服務(wù)器協(xié)議地址簇struct sockaddr_in serv_addr; memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));serv_addr.sin_family = AF_INET;serv_addr.sin_port = htons(port);inet_pton(AF_INET, ip, &serv_addr.sin_addr);//然后就是循環(huán)發(fā)送數(shù)據(jù)char buffer[BUFFSIZE];while (1) {printf("請說>>: ");scanf("%s", buffer);sendto(sockfd, buffer, strlen(buffer), 0(SA*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));}return 0; }

二. 生活的角度理解select poll epoll三種IO多路復(fù)用技術(shù)的工作模式.

• 生活實例理解select? 和 poll 工作原理

• 先抽象一個具體的場景出來：
• 假如說有這樣一家餐廳。? 一桌餐對應(yīng)著一個服務(wù)員? (生活化IO事件)，服務(wù)員只是負責(zé)服務(wù)，這個時候老板需要安排一個? (跑堂伙計? 管理收集服務(wù)員獲取的服務(wù)信息)
• ? select? ?便是這個跑堂伙計了
• 由于服務(wù)事件的類型可能不盡相同：所以跑堂伙計? 開始的時候帶著三個本子，分別記錄不同的事件類型

• ?select(ionum, rfds, wfds, efds, timeout);? ? ?
• rfds: 讀事件集合? ? ?wfds寫事件集合　 efds異常事件集合
• ionum = maxfd + 1;? ?fds {0, 1, 2, 3, 4 .....}? ?fdsnum = maxfd + 1；
• 以上是一個生活中的一個小小栗子便于理解? ?select? 工作模式，實際實現(xiàn)存在部分偏差
• 對應(yīng)真實情景：? ?select 之后是內(nèi)核檢測IO事件的發(fā)生，內(nèi)核輪詢所有的fd，內(nèi)核重新設(shè)置底層的 fd_set ：傳入內(nèi)核的時候? （內(nèi)核如果知曉fd是否需要監(jiān)視???）? FD_SET：? ? ?然后內(nèi)核會對于傳入進去的fd_set 進行重新覆蓋，沒有IO事件發(fā)生的就像FD_CLR一樣 將對應(yīng)集合位圖? 位置上標(biāo)記為0? ?有IO事件發(fā)生的就將對應(yīng)位圖位置標(biāo)記為1? 這樣回到用戶態(tài)之后從新進行輪詢所有的? fd? 就可以根據(jù)內(nèi)核從新標(biāo)記的發(fā)生IO事件的? 位 來處理IO? ? ? ? ? ? ??(select? 內(nèi)核 用戶態(tài)兩次輪詢)? 定時輪詢，效率低下
• ? ? ? ?int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
• poll的本質(zhì)還是輪詢。只不過破除了位圖的限制，采取結(jié)構(gòu)體存儲IO事件，將三個本子合成一個本子了，而且破除了位圖限制之后可以使用鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)連接所有事件的結(jié)構(gòu)體，沒有了最大監(jiān)視IO事件的限制了? （位圖的fd_set的話大小是由內(nèi)核開始確定的，如果修改大小比較麻煩，所以是存在fdnum上的限制的）
• poll 雖然理論上是沒有了fdnum的限制了，但是隨著fd的數(shù)量上升到一定程度，性能會急劇下降

• 生活理解epoll工作原理

• 還是先抽象場景出來：
• 存在這樣一個小區(qū)的管理，小區(qū)里面很多的用戶都存在寄快遞的需求，每一次需要寄出快遞的時候大家都統(tǒng)一的放入門衛(wèi)室里面
• 快遞員每一次來收取快遞的時候不再需要挨家挨戶的詢問，收取，而是直接去門衛(wèi)室將所有的快遞放進自己的車子中帶走處理即可? (門衛(wèi)室相當(dāng)于是readylist，不再需要輪詢所有的IO事件是否發(fā)生，提高了效率)??
• epoll_wait就是這個快遞員：
• epoll_wait(管理的小區(qū), 快遞員存儲快遞包裹的容器, 容器可以容納的快遞數(shù)目，定時);
• epoll_wait(epfd, events, eventscap, timeout);
• epoll_create(size);? ?//早期size標(biāo)識最大居民數(shù)目，現(xiàn)在已經(jīng)沒有限制了，只有0和1的區(qū)別了,? 因為可以進行鏈?zhǔn)酱鎯?#xff0c;也就沒有容量限制這一說了
• epoll_ctl(管理的小區(qū), 小區(qū)居民搬入搬出修改的不同行為，新搬入居民的信息(標(biāo)識), 描述需要寄出快遞的類型信息?);
• epoll_ctl(epfd, op, fd, event);? ? ? //epfd， epoll句柄，底層是紅黑樹? ?op：作何操作， fd : IO事件句柄， event：IO事件類型? ? ? ? ? (功能，向IO事件監(jiān)視的紅黑樹上掛載新的監(jiān)視IO事件，或者是刪除監(jiān)視，或者是修改監(jiān)視事件類型)

epoll對比poll select優(yōu)勢出現(xiàn)小結(jié)：? 將監(jiān)視IO事件進行提前注冊，掛載在內(nèi)核的監(jiān)視IO事件紅黑樹上，每一次調(diào)用epoll_wait? 獲取IO觸發(fā)事件的時候不再需要傳入待檢測IO的事件，接口分離，功能分離，而且內(nèi)核中采取了使用就緒隊列存儲紅黑樹上發(fā)生的IO事件結(jié)點的方式，這樣每一次僅僅需要將就緒隊列從內(nèi)核中拷貝至用戶空間拿取事件即可。。。

readylist放置觸發(fā)IO事件, 使其不需要輪詢獲知IO觸發(fā)的事件了，? ?提前注冊掛載監(jiān)視IO事件結(jié)點到紅黑樹上，也使得不需要每一次都從新拷貝監(jiān)視事件進入內(nèi)核空間，降低了拷貝消耗，? ? 正是由于epoll的這兩點優(yōu)勢好處使其成為穩(wěn)定高效的多路復(fù)用技術(shù)，在高并發(fā)服務(wù)器的設(shè)計中隨處可見epoll的身影

三. 細談一下epoll的ET和LT

• ET : edge tigger邊沿觸發(fā)? ? ??? ? ? ? ?LT :? level tigger水平觸發(fā)?
• 簡單理解一下兩種觸發(fā)模式:
• LT? :? ? 指的是? 內(nèi)核recv_buffer緩沖區(qū)中存在數(shù)據(jù)就一直會進行觸發(fā)，處理數(shù)據(jù), 讀事件一直觸發(fā).? ? 或者是? 內(nèi)核send_buffer緩沖區(qū)沒有滿，就一直觸發(fā)寫事件.? 直到寫滿send_buffer
• ET? :? ?指的是緩沖區(qū)狀態(tài)發(fā)生變化之后引發(fā)觸發(fā)，而且核心關(guān)鍵，僅僅只會觸發(fā)一次? (邊沿觸發(fā))? ? ? ? ?
• 接收緩沖區(qū)recv_buffer 發(fā)生變化，數(shù)據(jù)從無到有，會觸發(fā)一次讀事件，核心，不論一次是否可以將數(shù)據(jù)完全處理，都只會觸發(fā)一次
• 或者發(fā)送緩沖區(qū)send_buffer狀態(tài)發(fā)生變化，也會觸發(fā)寫事件? (核心關(guān)鍵還在于觸發(fā)一次)
• 上述的觸發(fā)都指的是對于? epoll_wait? 的觸發(fā).

總結(jié)：針對便于理解的讀事件的觸發(fā), recv_buffer來理解,? ?如果說recv_buffer中有數(shù)據(jù)，如果是LT? 就會不斷地不停地觸發(fā)，? ?如果是ET,? 不管數(shù)據(jù)能不能處理完，都僅僅只會觸發(fā)一次

• 光說不練是假把式，我們還是來一個實際地案例來解釋一下:

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> #include <sys/types.h> #include <sys/socket.h> #include <string.h> #include <arpa/inet.h> #include <sys/epoll.h> #include <errno.h>typedef struct sockaddr SA;int main(int argc, char* argv[]) {if (argc != 2) {fprintf(stderr, "usage: %s <port>", argv[0]);return 1;}int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (sockfd < 0) {perror("socket");return 2;}struct sockaddr_in serv_addr;//確定協(xié)議地址簇int port = atoi(argv[1]);memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));serv_addr.sin_family = AF_INET;serv_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;serv_addr.sin_port = htons(port);if (-1 == bind(sockfd, (SA*)&serv_addr, sizeof(serv_addr))) {perror("bind");return 3;}if (-1 == listen(sockfd, 5)) {perror("listen");return 4;}//至此可以開始IO多路復(fù)用監(jiān)視IO了//創(chuàng)建出來內(nèi)核紅黑樹地根結(jié)點(epoll句柄)int epfd = epoll_create(1);struct epoll_event ev, evs[512];//監(jiān)視新的連接到來IO事件ev.events = EPOLLIN;ev.data.fd = sockfd;//將其掛載到紅黑樹上epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, sockfd, &ev);while (1) {//epoll_wait(epfd, 存儲觸發(fā)事件地容器傳出參數(shù), 容器大小size, timeout)int nready = epoll_wait(epfd, evs, 512, -1);if (nready < -1) {break; //出錯}int i = 0;for (i = 0; i < nready; ++i) {//處理各種IO事件, 存在各種封裝形式if (evs[i].events & EPOLLIN) { if (evs[i].data.fd == sockfd) {//新的連接到來struct sockaddr_in cli_addr;socklen_t clilen;int clifd = accept(sockfd, (SA*)&cli_addr, &clilen);if (clifd < 0) return 5;//出錯了嘛char str[INET_ADDRSTRLEN] = {0};//獲取一下信息printf("recv from %s at %d connection\n", inet_ntop(AF_INET, &cli_addr.sin_addr, str, sizeof(str)), ntohs(cli_addr.sin_port));//從新設(shè)置一下ev, 將新的監(jiān)視IO事件掛載到紅黑樹上ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;//關(guān)鍵哈, EPOLLET使用地是邊沿觸發(fā)ev.data.fd = clifd;epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, clifd , &ev);continue;}//處理真正地讀事件, 將緩沖區(qū)給小一點，等下才好看見效果char buff[5] = {0};int ret = recv(evs[i].data.fd, buff, 5, 0);if (ret < 0) {if (errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK) continue;else {//出錯了}//出錯了將其從內(nèi)核紅黑樹上移除，避免僵尸結(jié)點ev.events = EPOLLIN;ev.data.fd = evs[i].data.fd;epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, evs[i].data.fd, &ev);close(evs[i].data.fd);} else if (ret == 0) {printf("%d disconnection\n", evs[i].data.fd);//斷開連接，從內(nèi)核紅黑樹中移除監(jiān)視ev.events = EPOLLIN;ev.data.fd = evs[i].data.fd;epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, evs[i].data.fd, &ev);close(evs[i].data.fd); //對端斷開連接} else {printf("recv %s, %d Bytes\n", buff, ret);//修改事件類型為寫事件}}if (evs[i].events & EPOLLOUT) {//此處暫時不寫，僅僅只是測試一下讀即可}}}return 0; }

• 如上是使用ET地時候點一下地結(jié)果，沒有設(shè)置非阻塞哈，結(jié)果是啥，我發(fā)送了這么一段話，它僅僅只是觸發(fā)了一次，打印了一個Hello,? why ?? 我故意將緩沖區(qū)設(shè)置如此小，緩沖區(qū)狀態(tài)改變，但是最多緩沖區(qū)僅僅存儲5個數(shù)據(jù)，全發(fā)送了，后面再次循環(huán)過來，不觸發(fā)了我去?
• 如果需要一直觸發(fā)直到recv_buffer內(nèi)核緩沖區(qū)中沒有數(shù)據(jù)，咋辦。使用LT水平觸發(fā)，如何設(shè)置，easy默認就是呀

?我僅僅只是做了如此一個小小改動，默認LT觸發(fā)，讓我們康康效果

• ?點了一次發(fā)送，他就一直觸發(fā)，直到recv_buffer中沒了數(shù)據(jù)

四. 總結(jié)本文

• 本文主要還是進行了IO地理解實戰(zhàn)，? 信號驅(qū)動IO 異步IO究竟區(qū)別在哪里?
• 異步IO? 是完全不存在任何地應(yīng)用程序掛起等待地，? 其他哪些IO多多少少要么數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段要么數(shù)據(jù)拷貝階段存在掛起等待阻塞
• 然后就是IO多路復(fù)用地生活化理解精進
• 最終介紹分析了epoll地ET? 和 LT問題，這個超級重要好吧。大塊數(shù)據(jù)使用? LT一次讀，小塊數(shù)據(jù)使用ET? +? 循環(huán)讀(設(shè)置非阻塞)? ??出自大佬地結(jié)論
• LT: 水平觸發(fā)，recv_buffer內(nèi)核緩沖區(qū)中存在數(shù)據(jù)，則讀事件一直不停地觸發(fā)
• ET : 邊沿觸發(fā)，recv_buffer中數(shù)據(jù)從無到有，狀態(tài)發(fā)生改變地時候進行觸發(fā)，且關(guān)鍵是僅僅只會觸發(fā)一次，不論你數(shù)據(jù)是不是一次可以讀完，都只是觸發(fā)一次??

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的信号驱动IO异步IO的对比理解刨析, epoll地ET,LT的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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