IO复用技术

一、I/O复用的介绍

• I/O复用是一种能够同时处理多个I/O操作的技术，适用于高并发场景。

• 使用场景

• select/poll：适用于连接数较少的场景。
• epoll：适用于大规模的网络服务，如Web服务器。

二、实现方式

1.select

• select 是一种系统调用，用于监视多个文件描述符的状态。
• 使用方式：
  • int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
• timeout参数用于设置超时时间，超时后返回0。

select的缺点

• 最大文件描述符数量限制（一般为1024）。
• 返回的文件描述符集合需要遍历，时间复杂度为O(n)。

2.poll

poll的基本概念

• poll与select类似，是一种用于监控多个文件描述符的I/O方法。
• 使用方式：
  • int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
• poll的缺点：
  • 需要遍历所有监视的文件描述符，时间复杂度为O(n)。

3. epoll

epoll的基本概念

• epoll是Linux特有的I/O复用方法，优化了select和poll的性能。
• 使用方式：
  • epoll_create 创建一个epoll实例。
  • epoll_ctl 用于添加、修改或删除文件描述符。
  • epoll_wait 用于等待事件的发生。

epoll的优点

• 支持大规模并发，时间复杂度为O(1)。
• 可以同时监视多个文件描述符，适合高并发场景。

三、select、poll和epoll的区别

        1.描述符上限：select 的文件描述符数量通常有限制（一般为1024），而 poll 和 epoll 对文件描述符的数量没有限制。

        2.数据结构传递方式：select 在每次调用时需要将所有注册的文件描述符集合复制到内核中；poll 则使用一个 pollfd 数组来传递数据，仍需在每次调用时进行复制；相比之下，epoll 维护内核中的红黑树和双向链表，仅在有事件发生时进行处理，避免了不必要的复制。

        3.性能开销：select 因为需要多次进行内核态切换，表现出较高的性能开销；poll 的性能开销稍微较低，但仍需切换用户态与内核态；而 epoll 的开销最低，仅在事件发生时切换，能显著减少不必要的性能损耗。

        3.时间复杂度：在 select 和 poll 中，处理的复杂度都是 O(n)，需要遍历所有注册的文件描述符；而在 epoll 中，复杂度则降低为 O(K)，仅需要遍历就绪事件的数量，提升了效率。 适用场景：select 和 poll 适合处理较少的文件描述符，而 epoll 更适合处理大量并发连接，能够提供更好的性能。

        4.支持边缘触发：epoll 支持边缘触发模式，而 select 和 poll 则不支持这种机制。

        5.返回就绪事件的数量：poll 返回就绪的文件描述符数量，epoll 通过回调机制或事件循环返回就绪事件，相比之下更灵活高效。

使用epoll实现一个并发式的TCP服务器：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include  /* superset of previous */
#include 
#include 
#include 

int init_tcp_ser(const char *ip ,unsigned short port)
{	
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (-1 == sockfd)
    {
        perror("fail socket");
        return -1;
    }
    struct sockaddr_in ser;
    ser.sin_family = AF_INET;
    ser.sin_port = htons(port);
    ser.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip);
    int ret = bind(sockfd, (struct sockaddr *)&ser, sizeof(ser));
    if (-1 == ret)
    {
        perror("fail bind");
        return -1;
    }

    ret = listen(sockfd, 128);
    if (-1 == ret)
    {
        perror("fail listen");
        return -1;
    }

    return sockfd;
}

int epoll_add_fd(int epfds,int fd,uint32_t event)
{
    struct epoll_event ev;
    ev.events = event;
    ev.data.fd = fd;
    int ret = epoll_ctl(epfds,EPOLL_CTL_ADD,fd,&ev);
    if(-1 == ret )
    {
        perror("epoll create fail");
        return -1;
    }
    return 0;
}
int epoll_del_fd(int epfds,int fd)
{
    int ret = epoll_ctl(epfds,EPOLL_CTL_DEL,fd,NULL);
    if(-1 == ret )
    {
        perror("del fail");
        return -1;
    }
    return 0;
}
int main(int argc , char *argv[])
{
    char buf[1024] = {0};
    int listenfd = init_tcp_ser("192.168.1.167",50000);
    struct epoll_event evs[1024];
    int epfds = epoll_create(1024);
    epoll_add_fd(epfds,listenfd,EPOLLIN);
    while(1)
    {
        int cnt = epoll_wait(epfds,evs,1024,-1);
        if(cnt < 0)
        {
            perror("epoll wait fail");
            return -1;
        }
        for(int i = 0; i < cnt ;++i)
        {
            if (listenfd == evs[i].data.fd)
            {
                int connfd = accept(listenfd,NULL,NULL);
                epoll_add_fd(epfds,connfd,EPOLLIN);
            }
            else 
            {
                memset(buf,0,sizeof(buf));
                size_t size = recv(evs[i].data.fd,buf,sizeof(buf),0);
                if(size <= 0)
                {
                    epoll_del_fd(epfds,evs[i].data.fd);
                    close(evs[i].data.fd);
                    continue;
                }
                printf("cli---> %s\n", buf);
                strcat(buf, "------ok!");
                size = send(evs[i].data.fd, buf, strlen(buf), 0);
            }     
        }
    }
    return 0;
}