在Linux中IO復(fù)用機(jī)制主要目的是為了實(shí)現(xiàn)在單進(jìn)程環(huán)境下影斑，同時(shí)監(jiān)控多個(gè)描述符（文件描述符请契，套接字描述符等）的目的。一旦監(jiān)控的描述符就緒做裙，就會(huì)通知相應(yīng)進(jìn)程并解除該進(jìn)程的阻塞狀態(tài)蜈首，使進(jìn)程能夠?qū)途w描述符進(jìn)行處理。

一欠母、什么是IO復(fù)用

UNIX有五大IO模型：

• 1欢策、異步IO（asynchronous IO）
• 2、阻塞IO（blocking IO）
• 3赏淌、非阻塞IO（nonblocking IO）
• 4踩寇、IO多路復(fù)用（IO multiplexing）
• 5、信號(hào)驅(qū)動(dòng)的IO（signal drivened IO）

1六水、異步IO

其中前四種IO統(tǒng)稱為同步IO俺孙。那么同步IO和異步IO的區(qū)別是什么呢？
在同步文件IO中掷贾，線程啟動(dòng)一個(gè)IO操作然后就立即進(jìn)入等待狀態(tài)睛榄，直到IO操作完成后才醒來繼續(xù)執(zhí)行。而異步文件IO方式中想帅，線程發(fā)送一個(gè)IO請(qǐng)求到內(nèi)核场靴，然后繼續(xù)處理其他的事情，內(nèi)核完成IO請(qǐng)求后，將會(huì)通知線程IO操作完成了旨剥。
如果某進(jìn)程有大量IO需要處理咧欣，則選擇異步IO方式可以顯著提高效率。因?yàn)檫x擇異步IO之后轨帜，進(jìn)程不必等待IO完成魄咕，即可繼續(xù)處理其他的事情，直到IO事件結(jié)束蚌父，操作系統(tǒng)會(huì)通知該進(jìn)程IO已經(jīng)結(jié)束哮兰。

2、阻塞IO

阻塞IO.png

3像鸡、非阻塞IO

非阻塞IO.png

4夸楣、IO多路復(fù)用

IO多路復(fù)用.png

二孵班、Select與Poll機(jī)制

1涉兽、Select機(jī)制

我們先分析一下select函數(shù)

/**
 * 該函數(shù)是select函數(shù)的聲明
 * @parameter: maxfdp1 指定待測(cè)試的文件描述字個(gè)數(shù)，它的值是待測(cè)試的最大描述字加1篙程。
 * @parameter: *readset/*writeset/*exceptset 均為fd_set類型枷畏，可以將fd_set理解為一個(gè)集合，這個(gè)集合中存放的是文件描述符虱饿。中間的三個(gè)參數(shù)指定我們要讓內(nèi)核測(cè)試讀拥诡、寫和異常條件的文件描述符集合。如果對(duì)某一個(gè)的條件不感興趣氮发，就可以把它設(shè)為空指針渴肉。
 * @parameter: *timeout timeout告知內(nèi)核等待所指定文件描述符集合中的任何一個(gè)就緒可花多少時(shí)間。其timeval結(jié)構(gòu)用于指定這段時(shí)間的秒數(shù)和微秒數(shù)爽冕。
 * @return: int 若有就緒描述符返回其數(shù)目仇祭，若超時(shí)則為0，若出錯(cuò)則為-1
 */
int select(int maxfdp1,fd_set *readset,fd_set *writeset,fd_set *exceptset,const struct timeval *timeout);

//以下是select的具體使用方法：
FD_ZERO(&fds);              //每次循環(huán)都必須清空FD_Set
FD_SET(sock_fd, &fds);      //將sock_fd加入集合

//此select設(shè)定為對(duì)整個(gè)集合內(nèi)的fd寫監(jiān)聽颈畸，監(jiān)聽的最長(zhǎng)時(shí)間為timeout
int n = select(maxfd, NULL, &fds, NULL, &timeout);
switch(n) {
    case -1:
        fprintf(stderr, "Select error:%s \n\a", strerror(errno));
        exit(1);
    case 0:
        printf("select time out, lost packet!\n");
        ......
        break;
    default:
        //判斷sock_fd是否還在集合中
        if(FD_ISSET(sock_fd, &fds)) {
            //還在集合中則說明對(duì)該fd監(jiān)聽到了寫操作
            ......
        } else{
            //沒有對(duì)該fd監(jiān)聽到寫操作
            ......
        }
}

select的FD_SET是通過一組宏函數(shù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的乌奇，支持的最大監(jiān)聽數(shù)不超過1024個(gè)。select函數(shù)底層是通過輪詢機(jī)制實(shí)現(xiàn)的眯娱，因此對(duì)CPU占用很高华弓。同時(shí)，每次調(diào)用select都需要把fd_set集合從用戶態(tài)拷貝到內(nèi)核態(tài)困乒，因此該函數(shù)的效率很低。

2贰谣、Poll機(jī)制

poll的機(jī)制與select類似娜搂，與select在本質(zhì)上沒有多大差別，管理多個(gè)描述符也是進(jìn)行輪詢吱抚，根據(jù)描述符的狀態(tài)進(jìn)行處理百宇。poll機(jī)制相對(duì)于select機(jī)制，解決了select的最大文件描述符支持為1024的問題（支持任意大小的描述符集）秘豹，并沒有解決性能開銷問題携御。
下面是pll的函數(shù)原型：

//poll改變了文件描述符集合的描述方式，使用了pollfd結(jié)構(gòu)而不是select的fd_set結(jié)構(gòu)，
//使得poll支持的文件描述符集合限制遠(yuǎn)大于select的1024
typedef struct pollfd {
        int fd;                         // 需要被檢測(cè)或選擇的文件描述符
        short events;                   // 對(duì)文件描述符fd上感興趣的事件
        short revents;                  // 文件描述符fd上當(dāng)前實(shí)際發(fā)生的事件
} pollfd_t;

/**
 * 實(shí)現(xiàn)IO多路復(fù)用的poll函數(shù)
 * @parameter: fds fds是一個(gè)struct pollfd類型的數(shù)組啄刹，用于存放需要檢測(cè)其狀態(tài)的socket描述符涮坐，
 * 并且調(diào)用poll函數(shù)之后fds數(shù)組不會(huì)被清空；一個(gè)pollfd結(jié)構(gòu)體表示一個(gè)被監(jiān)視的文件描述符誓军，
 * 通過傳遞fds指示 poll() 監(jiān)視多個(gè)文件描述符袱讹。其中，結(jié)構(gòu)體的events域是監(jiān)視該文件描述符的事件掩碼昵时，
 * 由用戶來設(shè)置這個(gè)域捷雕，結(jié)構(gòu)體的revents域是文件描述符的操作結(jié)果事件掩碼，內(nèi)核在調(diào)用返回時(shí)設(shè)置這個(gè)域壹甥。
 * @parameter: nfds 記錄數(shù)組fds中描述符的總數(shù)量
 * @parameter: timeout 最長(zhǎng)阻塞時(shí)間
 */
int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);

三救巷、Epoll機(jī)制

epoll在Linux2.6內(nèi)核正式提出，是基于事件驅(qū)動(dòng)的IO方式句柠，相對(duì)于select來說浦译，epoll沒有描述符個(gè)數(shù)限制，使用一個(gè)文件描述符管理多個(gè)描述符俄占，將用戶關(guān)心的文件描述符的事件存放到內(nèi)核的一個(gè)事件表中管怠，這樣在用戶空間和內(nèi)核空間的copy只需一次。
Linux中提供的epoll相關(guān)函數(shù)如下：

/**
 * epoll_create 函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)epoll句柄缸榄。
 * @parameter: size 參數(shù)size表明內(nèi)核要監(jiān)聽的描述符數(shù)量渤弛。
 * @return: 調(diào)用成功時(shí)返回一個(gè)epoll句柄描述符，失敗時(shí)返回-1甚带。
 */
int epoll_create(int size);


//epoll_event 結(jié)構(gòu)體定義如下：
struct epoll_event {
    __uint32_t events;  /* Epoll events */
    epoll_data_t data;  /* User data variable */
};
typedef union epoll_data {
    void *ptr;
    int fd;
    __uint32_t u32;
    __uint64_t u64;
} epoll_data_t;

/**
 * epoll_ctl 函數(shù)注冊(cè)要監(jiān)聽的事件類型她肯。
 * @parameter: epfd 表示epoll句柄。由上述 epoll_create() 函數(shù)申請(qǐng)得到鹰贵。
 * @parameter: op 表示fd操作類型晴氨，有3種:EPOLL_CTL_ADD 注冊(cè)新的fd到epfd中;EPOLL_CTL_MOD
 * 修改已注冊(cè)的fd的監(jiān)聽事件;EPOLL_CTL_DEL 從epfd中刪除一個(gè)fd。
 * @parameter: fd 是要監(jiān)聽的描述符碉输。
 * @parameter: event 表示要監(jiān)聽的事件籽前。
 * @return: 調(diào)用成功時(shí)返回一個(gè)epoll句柄描述符，失敗時(shí)返回-1敷钾。
 */
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

/**
 * epoll_wait 函數(shù)等待事件的就緒枝哄。
 * @parameter: epfd 表示epoll句柄。由上述 epoll_create() 函數(shù)申請(qǐng)得到阻荒。
 * @parameter: events 表示從內(nèi)核得到的就緒事件集合挠锥。
 * @parameter: maxevents 告訴內(nèi)核events的大小。
 * @parameter: timeout 表示等待的超時(shí)事件侨赡。
 * @return: 成功時(shí)返回就緒的事件數(shù)目蓖租，調(diào)用失敗時(shí)返回 -1粱侣，等待超時(shí)返回 0。
 */
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);

epoll是Linux內(nèi)核為處理大批量文件描述符而作了改進(jìn)的poll蓖宦，是Linux下多路復(fù)用IO接口select/poll的增強(qiáng)版本齐婴，它能顯著提高程序在大量并發(fā)連接中只有少量活躍的情況下的系統(tǒng)CPU利用率。原因就是獲取事件的時(shí)候球昨，它無須遍歷整個(gè)被偵聽的描述符集尔店，只要遍歷那些被內(nèi)核IO事件異步喚醒而加入Ready隊(duì)列的描述符集合就行了。
epoll除了提供select/poll那種IO事件的水平觸發(fā)（Level Triggered）外主慰，還提供了邊緣觸發(fā)（Edge Triggered）嚣州，這就使得用戶空間程序有可能緩存IO狀態(tài)，減少epoll_wait/epoll_pwait的調(diào)用共螺，提高應(yīng)用程序效率该肴。
水平觸發(fā)（LT）：默認(rèn)工作模式，即當(dāng)epoll_wait檢測(cè)到某描述符事件就緒并通知應(yīng)用程序時(shí)藐不，應(yīng)用程序可以不立即處理該事件匀哄；下次調(diào)用epoll_wait時(shí)，會(huì)再次通知此事件
邊緣觸發(fā)（ET）： 當(dāng)epoll_wait檢測(cè)到某描述符事件就緒并通知應(yīng)用程序時(shí)雏蛮，應(yīng)用程序必須立即處理該事件涎嚼。如果不處理，下次調(diào)用epoll_wait時(shí)挑秉，不會(huì)再次通知此事件法梯。（直到你做了某些操作導(dǎo)致該描述符變成未就緒狀態(tài)了，也就是說邊緣觸發(fā)只在狀態(tài)由未就緒變?yōu)榫途w時(shí)只通知一次）犀概。
LT和ET原本應(yīng)該是用于脈沖信號(hào)的立哑，可能用它來解釋更加形象。Level和Edge指的就是觸發(fā)點(diǎn)姻灶，Level為只要處于水平铛绰，那么就一直觸發(fā)，而Edge則為上升沿和下降沿的時(shí)候觸發(fā)产喉。比如：0->1 就是Edge捂掰，1->1 就是Level。
ET模式很大程度上減少了epoll事件的觸發(fā)次數(shù)曾沈，因此效率比LT模式下高尘颓。
select、poll晦譬、epoll三者機(jī)制的區(qū)別如下圖所示：

比較.png

//
// Created by mylord on 2019/10/26.
//

#ifndef FILETRANSER_SERVER_H
#define FILETRANSER_SERVER_H

#include <iostream>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <string>
#include <netdb.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <vector>
#include <string.h>
#include <algorithm>
#include <sys/epoll.h>

#define MAX_BUFF_SIZE 1024

using namespace std;

typedef struct {
    sockaddr_in client_sock;
    int client_fd;
    string client_ip;
}ClientInfo;

class Server {
private:
    vector<ClientInfo> client_info;

    int listen_fd, listen_port, listen_size;
    sockaddr_in server_addr;
public:
    Server(int port = 5555, int size = 10);

    void Init();

    void Listen();

    int AcceptConnection();

    int Write(int sock_fd, char buff[]);

    int Read(int sock_fd, char buff[]);

    int Close(int client_fd);

    int getListenFd() const;
};


#endif //FILETRANSER_SERVER_H


int main() {
    Server server(5555, 10);
    char buffer[1204];
    struct epoll_event ev, events[10];   //聲明epoll_event結(jié)構(gòu)體的變量,ev用于注冊(cè)事件,數(shù)組用于回傳要處理的事件
    int epoll_fd = epoll_create(10);    //創(chuàng)建一個(gè)epoll的句柄，并告訴內(nèi)核這個(gè)監(jiān)聽的數(shù)目為10  
    int listen_fd = server.getListenFd();
    int nfds = 0;                       //記錄需要處理的事件數(shù)

    ev.data.fd = listen_fd;
    ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;      //linsten_fd可讀生棍，邊緣觸發(fā)
    epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, listen_fd, &ev);

    server.Listen();
    cout << "server is listening......" << endl;

    while(true) {
        nfds = epoll_wait(epoll_fd, events, 10, -1);

        for(int i = 0; i < nfds; i++) {
            if(events[i].data.fd == listen_fd) {
                int client_fd = server.AcceptConnection();

                ev.data.fd = client_fd;
                ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;
                epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, client_fd, &ev);
            } else if(events[i].events & EPOLLIN) {  //epoll池中的時(shí)間被邊緣觸發(fā)且是因?yàn)槭盏綌?shù)據(jù)待讀入
                int nbytes = 0;
                if ((nbytes = server.Read(events[i].data.fd, buffer)) <= 0) {
                    cout << "fd-" << events[i].data.fd << " receive data error!" << endl;
                    server.Close(events[i].data.fd);
                    continue;
                }
                cout << "EPOLL receive from " << events[i].data.fd << ":" << buffer << endl;
                strcpy(buffer, "received from epoll server!");
                server.Write(events[i].data.fd, buffer);
            }
        }
    }
}


Server::Server(int port, int size): listen_port(port), listen_size(10) {
    this->Init();
}

void Server::Init() {
    if((listen_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1)
    {   //服務(wù)器端開始建立socket描述符
        fprintf(stderr, "Socket error:%s \n\a", strerror(errno));
        exit(1);
    }
    //服務(wù)器端填充tcp sockaddr結(jié)構(gòu)
    bzero(&server_addr, sizeof(struct sockaddr_in));    //先將套接字地址數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)清零
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_addr.s_addr = htons(INADDR_ANY);
    server_addr.sin_port = htons(listen_port);

    if(bind(listen_fd, (struct sockaddr *)(&server_addr), sizeof(struct sockaddr)) == -1)
    {
        fprintf(stderr, "Bind error:%s\n\a", strerror(errno));
        exit(1);
    }
}

void Server::Listen() {
    if(listen(listen_fd, listen_size) == -1)
    {   //端口綁定成功颤霎，監(jiān)聽socketfd描述符，同時(shí)處理的最大連接請(qǐng)求數(shù)為10
        fprintf(stderr, "Listen error:%s\n\a", strerror(errno));
        exit(1);
    }
}

int Server::AcceptConnection() {
    int sockaddr_size = sizeof(struct sockaddr_in);
    ClientInfo temp;

    if ((temp.client_fd = accept(listen_fd, (struct sockaddr *)(&temp.client_sock),
                                     (socklen_t *) &sockaddr_size)) == -1)
    {   //調(diào)用accept接受一個(gè)連接請(qǐng)求
        fprintf(stderr, "Accept error:%s\n\a", strerror(errno));
        exit(1);
    }

    temp.client_ip.assign(inet_ntoa(temp.client_sock.sin_addr));

    cout << "Connected from "<< temp.client_ip << "\tclient fd is " << temp.client_fd << endl;

    client_info.push_back(temp);

    return temp.client_fd;
}

int Server::Write(int sock_fd, char buff[]) {
    int nbytes = 0;
    if((nbytes = write(sock_fd, buff, strlen(buff))) == -1)
        fprintf(stderr, "Write Error:%s\n", strerror(errno));
    return nbytes;
}

int Server::Read(int sock_fd, char buff[]) {
    int nbytes = 0;
    if ((nbytes = read(sock_fd, buff, MAX_BUFF_SIZE)) == -1)
        fprintf(stderr, "Read Error:%s\n", strerror(errno));

    buff[nbytes] = '\0';
    return nbytes;
}

int Server::Close(int client_fd) {
    //先查找client_fd的迭代器client_account_it
    auto client_it = find_if(client_info.begin(), client_info.end(),
            [client_fd](const ClientInfo &cli){ return cli.client_fd == client_fd; });

    client_info.erase(client_it);

    close(client_fd);

    printf("fd-%d exit!\n", client_fd);
}

int Server::getListenFd() const{
    return listen_fd;
}

客戶端代碼（只看Client類的定義和main函數(shù)即可）：

//
// Created by mylord on 2019/10/26.
//

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <netdb.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>
#include <iostream>
#include <fstream>

#define MAX_BUFF_SIZE 1024

class Client
{
private:
    int sock_fd;
    struct sockaddr_in client_addr;
    char server_ip[16];
    int server_port;

public:
    Client(char * server_ip, int server_port);

    int Connect();

    int Write(char * buff);

    int Read(char * buff);

    int Close();
};



Client::Client(char * server_ip, int server_port)
{
    strncpy(this->server_ip, server_ip, 16);
    this->server_port = server_port;

    struct hostent * host;
    if((host = gethostbyname(this->server_ip)) == NULL)
    {
        fprintf(stderr, "The host name %s is illegal.\n", server_ip);
        exit(1);
    }

    if((this->sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1)
    {
        fprintf(stderr, "Init socket fd error!\n");
        exit(1);
    }

    bzero(&this->client_addr, sizeof(this->client_addr));
    this->client_addr.sin_family = AF_INET;
    this->client_addr.sin_port = htons(this->server_port);
    this->client_addr.sin_addr = *((struct in_addr *)host->h_addr);

}


int Client::Connect()
{
    int nbytes = connect(this->sock_fd, (struct sockaddr *)(&this->client_addr),
                         sizeof(struct sockaddr));

    return nbytes;
}


int Client::Write(char * buff)
{
    int nbytes = write(this->sock_fd, buff, strlen(buff));

    return nbytes;
}

int Client::Read(char * buff)
{
    int nbytes = read(this->sock_fd, buff, MAX_BUFF_SIZE);
    buff[nbytes] = '\0';

    return nbytes;
}

int Client::Close()
{
    close(this->sock_fd);
    printf("fd-%d exit!\n", this->sock_fd);
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    Client client(argv[1], 5555);
    char buff[1024];
    char send_msg[] = "hello epoll!";

    client.Connect();

    while(true) {
        client.Write(send_msg);
        client.Read(buff);
        std::cout << buff << std::endl;
        sleep(1);
    }
}

程序運(yùn)行結(jié)果：

epoll服務(wù)器.png

10個(gè)同時(shí)運(yùn)行的客戶端.png

參考文獻(xiàn)：
https://www.cnblogs.com/zhangmingda/p/9396994.html
http://www.reibang.com/p/397449cadc9a