select、poll、epoll -IO模型

前置知识：

文件描述符

文件描述符其实就是一个数字代表的数据结构

另外每个进程一旦创建都有三个自己默认的文件描述符 0u（标准输入） 1u（标准输出） 2u（报错信息输出），u代表读写都可以。

在/proc下有进程相关的信息，在/proc/进程pid/fd下有该进程正在使用的文件描述符

每个进程都有自己的文件描述符，因为进程的隔离，所以不同进程维护的各自的文件描述符可以是重复的，也就是说不同进程的相同的文件描述符可以指向不同的文件
中断
- CPL寄存器和DPL寄存器和RPL寄存器
  
  为了安全考虑，用户段的空间不能随意访问内核段的空间。怎样实现这样的控制呢？
  
  CPL是当前进程的权限级别(Current Privilege Level)，是当前正在执行的代码所在的段的特权级，存在于cs寄存器的低两位。
  
  RPL说明的是进程对段访问的请求权限(Request Privilege Level)，是对于段选择子而言的，每个段选择子有自己的RPL，它说明的是进程对段访问的请求权限，有点像函数参数。而且RPL对每个段来说不是固定的，两次访问同一段时的RPL可以不同。RPL可能会削弱CPL的作用，例如当前CPL=0的进程要访问一个数据段，它把段选择符中的RPL设为3，这样虽然它对该段仍然只有特权为3的访问权限。
  
  DPL存储在段描述符中，规定访问该段的权限级别(Descriptor Privilege Level)，每个段的DPL固定。
  
  当进程访问一个段时，需要进程特权级检查，一般要求DPL >= max {CPL, RPL}
  
  下面打一个比方，中国官员分为6级国家主席1、总理2、省长3、市长4、县长5、乡长6，假设我是当前进程，级别总理（CPL=2）,我去聊城市(DPL=4)考察(呵呵),我用省长的级别(RPL=3 这样也能吓死他们:-))去访问,可以吧，如果我用县长的级别，人家就不理咱了(你看看电视上的微服私访，呵呵)，明白了吧！为什么采用RPL，是考虑到安全的问题，就好像你明明对一个文件用有写权限，为什么用只读打开它呢，还不是为了安全！
  
  数字越小级别越大。
  
  当DPL >= CPL才能访问内核段的内存空间
  
  内核空间的级别权限为0，用户态地址空间的权限级别为3
- int 0x80指令
  
  所有的指令中，只有 int 0x80 指令可以把CPL设置为0、DPL设置为3，然后才可以访问内核空间
  
  系统调用通过int 0x80中断陷入核心，int 0x80的处理函数是system_call
- echo $$或echo $BASHPID 命令查看当前进程pid。
- export命令可以在父子shell间通信，export是将自定义变量变成系统环境变量。
  1. 执行脚本时是在一个子shell环境运行的，脚本执行完后该子shell自动退出
  2. 一个shell中的系统环境变量才会被复制到子 shell中（用export定义的变量）
  3. 一个shell中的系统环境变量只对该shell或者它的子shell有效，该shell结束时变量消失（并不能返回到父shell中）
  4. 不用export定义的变量只对该shell有效，对子shell也是无效的。
```
echo $$ #查看自己的ID号， 假设他现在是100
x=100   # 在父进程中定义x变量
export x # 导出X

/bin/bash #在当前bash窗口里启动一个新的bash 此时新bash是刚才100进程的子进程
echo $x  #此时子进程可以取到访问到x变量
```
网络IO

怎么设计一个可以供多个客户端同时连接，并且能处理这些客户端传来的请求？一个简单的想法就是设置多个线程，每来一个请求就开一个线程处理，但是多线程是需要进行上下文切换的，也是非常耗时的。先来看下多线程为什么高效。

多线程是cpu分时进行线程执行的，那么如果不分时，单线程执行，反正总共干的事情就那么多，单线程还免去了线程上下文切换，那单线程不应该比多线程快吗？是因为线程执行时，并不总是cpu一直在工作，还有I/O的时间。

DMA(直接内存访问)：

在文件读取的过程中，cpu并不直接操作硬盘，而是先向DMA下达指令，让DMA去读取，这个指令中含有磁盘设备信息和要读取的文件的位置，然后DMA将磁盘中的内容加载到内存中，然后DMA以中断的方式通知cpu，文件读取完成。而在cpu等待DMA完成时就可以将cpu分配给其他线程。

select:

源码

上半部分主要创建了socket客户端，并创建了五个文件描述符，并放入fds数组里，然后遍历fds数组，弄一个bitmap(就是那个rset)，比如这几个文件描述符分别是1 2 5 7 9，就在对应位置置1，然后调用select函数，把bitmap拷贝到内核空间，让内核判断哪个fd是否有数据来，select函数是阻塞的，当没有消息来的时候会一直阻塞，有消息后会将有消息对应的bitmap位置位，然后下面for循环遍历一遍，看看哪个文件描述符对应的有消息，然后处理。

缺点：

bitmap大小一般是1024，有上限，能监听的socket有限
他那个bitmap不可重用，因为内核会进行置位，所以每次while循环FD_ZERO(&reset)重置
有用户态到内核态的开销
最后还有O(n)遍历，并不知道哪个fd有消息来

poll:

poll源码

poll没有直接使用fds数组存放fd，而是定义了一个结构体pollfd，里面有fd(文件描述符)，events(对哪个事件关心，比如图中的POLLIN)，revents(置位用的)，工作原理和select差不多，将polldfs数组拷贝到内核态，然后由内核判断哪个fd有消息到来，poll是阻塞的，然后对有消息到来的pollfd的revents置位，然后for循环遍历查找处理。

poll相比select的优点：

没有用bitmap，用了结构体数组，能监控的socket数量更多了
对revents置位，使得每次while循环，pollfds数组是可重用的。

epoll:

epoll源码

上面的代码先用epoll_create()向内核申请空间，里面的参数10就是能监听的最大socket fd数，然后for循环里给epoll_event结构体里的成员赋值，然后通过epoll_ctl()函数，将这些结构体加入到内核中的红黑树里，通过对这棵黑红树进行操作，这样就不需要像 select/poll 每次操作时都传入整个 socket 集合(bitmap中的1，和pollfd中有值的events)，只需要传入一个待检测的 socket，减少了内核和用户空间大量的数据拷贝和内存分配。

然后epoll 使用事件驱动的机制，**内核里维护了一个链表来记录就绪事件**，当某个 socket 有事件发生时，通过回调函数内核会将其加入到这个就绪事件列表中，当用户调用 epoll_wait() 函数时，只会返回有事件发生的文件描述符的个数，不需要像 select/poll 那样轮询扫描整个 socket 集合，大大提高了检测的效率。

然后要注意对于那个链表，并没有用共享内存，还是需要将数据拷贝到用户空间的

epoll 支持两种事件触发模式，分别是边缘触发和水平触发。

边缘触发就是如果有事件发生，系统只会通知你一次，所以在收到通知后应尽可能地读写数据，以免错失读写的机会。因此，我们会循环从文件描述符读写数据，那么如果文件描述符是阻塞的(阻塞型socket)，没有数据可读写时，进程会阻塞在读写函数那里，程序就没办法继续往下执行。所以，边缘触发模式一般和非阻塞 I/O 搭配使用。

水平触发就是只要有事件需要读，系统就会一直通知你，如果使用水平触发模式，当内核通知文件描述符可读写时，接下来还可以继续去检测它的状态，看它是否依然可读或可写。所以在收到通知后，没必要一次执行尽可能多的读写操作。

select/poll 只有水平触发模式，epoll 默认的触发模式是水平触发，但是可以根据应用场景设置为边缘触发模式。

posted @ 2022-02-10 09:40 YUKINO62 阅读(38) 评论(0) 编辑收藏举报

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