IO 多路复用

Linux 操作系统中断

举个简单的场景，比如你正在家里打单机游戏，突然你饿了，然后你就打电话，叫了一份外卖，你此时叫完外卖，没有必要一直在这里等着，你可以回头继续打游戏，等你游戏打到大 boss 的时候，这个时候，外卖小哥过来敲门了，那么此时你肯定不能退出游戏，因为退出了游戏，再进就得从头开始打，所以你此时应该把游戏存档，然后去拿外卖，然后吃外卖，吃完以后，就可以读取存档，继续打游戏了。

那么在上面的过程中，外卖小哥过来敲门，其实就是一个 中断指令 ,而游戏存档，就是 CPU现场保护，也就是存在进程的 PCB 里面。

系统中断，硬中断，软中断

硬中断

硬中断就是硬件发起的中断，可以发生在任意时间。一般情况下，这种引起中断的请求，和 CPU 当前运行的程序，基本上没有关系。

通过晶振来完成

软中断

软中断是CPU发起的中断。软中断一般是 80中断 。

多线程的问题

比如上面的情况，一个服务器有多个连接请求，那么这种情况下，如果来回的切换线程，就会比较麻烦，所以这个时候，就要考虑单线程

BIO底层通信原理

比如上边的这个问题，如果我们要设置一个服务器，这个服务器要接受一万个请求，那么难道要开一万个线程吗？显然这是不行的。

Linux的 I/O 复用函数详解

DMA机制

如上图，实际的网络请求的数据发送过来以后呢，如果这个时候，网卡触发中断，让CPU去把网卡中的东西，挪到内存中，这个 CPU干的活就有点太多了，所以实际上现代电脑中，都是使用叫做DMA的 协处理器，用它把内存中的东西搬到内存中独立开辟的一段空间，而不需要CPU去搬了，只是在搬完以后会触发一个中断，告诉 CPU 已经搬完了。

DMA(Direct Memory Access，直接内存存取) 是所有现代电脑的重要特色，它允许不同速度的硬件装置来沟通，而不需要依赖于 CPU 的大量中断负载。

socket创建

通过 Linux 的源码，可以发现，当服务器端启动的时候，就是首先建立一个 socket，然后再有一个客户端经过三次握手以后，就会建立一个 socket，但是我们的客户端虽然建立了，但是有可能一万年都不发数据，难道我们要用for循环遍历一万年吗？见代码下面第三行for循环，我们的多路复用，就是监视这些个 socket，而不是用 for 循环不断的循环。

func process(conn net.Conn) {
    defer conn.Close() // 关闭连接
    for { //此处如果不进行监视的话，只能不断的遍历了。
        reader := bufio.NewReader(conn)
        var buf [128]byte
        n, err := reader.Read(buf[:]) // 读取数据
        if err != nil {
            fmt.Println("read from client failed, err:", err)
            break
        }
        recvStr := string(buf[:n])
        fmt.Println("收到client端发来的数据：", recvStr)
        conn.Write([]byte(recvStr)) // 发送数据
    }
}

func main() {
    listen, err := net.Listen("tcp", "127.0.0.1:20000")
    if err != nil {
        fmt.Println("listen failed, err:", err)
        return
    }
    for {
        conn, err := listen.Accept() // 建立连接
        if err != nil {
            fmt.Println("accept failed, err:", err)
            continue
        }
        go process(conn) // 启动一个goroutine处理连接
    }
}

IO多路复用

到底哪个socket有数据了，这个是操作系统干的事情，而不是用户程序干的事，因为这个功能是公用的，而且涉及到网卡等计算机硬件，所以他要由操作系统来完成。操作系统有三个函数来完成这个事情，一个是 select 、一个是 poll 、一个是 epoll

select函数

select函数的道理比较直观，他是把想要监视的socket的文件描述符，转成 bitmap 这种格式，然后把想要监控的文件标识符置为1，其余的置为0，然后把这个 fd 数组传给 select 函数，select函数就进行遍历，当有文件描述符变化的时候，就会把这个文件描述符数组返回过去，原函数就会对返回回来的函数，进行遍历，同时对原来的fd数组进行对比，因为只有原 fd 数组记录了要监视的socket的文件描述符。所以对比才知道到底那个文件描述符发生了变化。

所以select 函数的复杂度为n。

poll函数

因为 select 函数要牵扯到把数组从用户态王内核态拷贝，所以他的不能太大，一般的语言都把他限制在 1024，或者 2048，左右。

所以这也导致了 poll函数的两个缺点

poll函数就是使用了类似于链表的格式，打破了 fd 数组大小的限制。
poll还有一个特点是“水平触发”，如果报告了fd后，没有被处理，那么下次poll时会再次报告该fd。

epoll函数

如上图，用户会先调用 epoll_ctr ，让内核中，产生一个缓冲区，在这个缓冲区中会建立一个 efd8的buffer，

这个时候，如果有哪个 efd 发生变化，那么就会把这个请求，就会通过 epoll_wait 传给用户知道

epoll函数是事件驱动型的，他可以把IO多路复用的时间复杂度，从原来的O(n)，降为O(1)。

水平触发和边缘触发

水平触发	边缘触发
不断轮询监控每个文件描述符的状态，有的话就触发事件，如果处理完事件，还剩下文件描述符，内核会再次触发事件	IO状态改变，才触发事件，一次使用完所有可用的。

水平触发：就是不断查询是否有可用的文件描述符，有的话，内核就触发时间，如果数据没有处理完，内核会继续触发事件。

边缘触发：只有当IO状态改变的时候，才触发事件，每次触发会把所有的数据全部处理完，因为下一次处理，要等下次IO状态改变，才能触发。

参考文献

https://www.cnblogs.com/aspirant/p/9166944.html
https://www.bilibili.com/video/BV1JU4y1h7YM?p=10&share_source=copy_web

posted @ 2021-08-02 06:50 沧海一声笑rush 阅读(87) 评论(0) 编辑收藏举报

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