IO多路复用
IO多路复用
socket
网络编程绕不开 socket 编程，socket ，插座，可以容许多端进行通信。
服务端流程
服务端绑定socket，首先创建socket， 说明所使用的网络协议TCP还是UDP，然后bind绑定到一个IP地址。开启监听 listen，监听端口，当检测到端口有其他主机发送的请求时，则accept 建立连接。建立之后，通过read、write 进行读写。
socket 就是一种网络上的通信方式，socket，send、recv、close。非常类似文件的 open、write、read、close。
创建 socket
类似于打开文件，想要通信，也需要首先创建一个 socket，创建socket 所需要的信息：网络协议，通信协议。这里的socket也和open文件一样，都是一个文件描述符。
网络协议指代IPv4 或者IPv6，通信协议就是传输层协议是 TCP 还是 UDP。
tcp_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
udp_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
前面的AF_INET 表示IPv4 协议，最后一个0 表示默认，会根据前面是UDP还是TCP自行选择。
tcp就是SOCK_STREAM
udp就是SOCK_DGRAM。
也可以使用一些其他的协议，如IPv6、Local等网络协议，具体的可以使用到的时候进行查询。
绑定地址
创建完socket之后的下一步， 一般涉及到地址绑定的问题。地址涉及多个数据，如IP地址，端口号，Linux 下有预备好的数据结构。
使用的数据结构是：
struct sockaddr_in
在绑定的时候，使用的数据结构是 sockaddr, 而在这里使用 sockaddr_in ，是因为二者表示的都是同样的内部数据结构，不过使用sockaddr_in 可以更加清晰的进行赋值。
struct sockaddr_in addr;
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons(8888)
addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
sin_family 仍然是表示所使用的网络协议是 IPv4.
sin_port 中的htons 表示将主机字节序转为 网络字节序。在使用socket进行绑定的时候，涉及到网络字节序的问题。因此使用时需要转换。（大端小端）
sin_addr.s_addr 表示需要绑定的ip地址。可以使用 INADDR_ANY 自动绑定，直接通过其中的 s_addr进行绑定
addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.1.1");
这是使用inet_addr的方式，将一个点分十进制转换成一个网络序二进制。
也可以使用 inet_pton的方式进行绑定。
if(inet_pton(AF_INET, "192.168.1.1", addr.sin_addr) <= 0){
perror("");
}
pton 从人类的表示方法，到network的表示方法，第一个参数是网络协议、第二个是src、第三个是dst。
struct sockaddr_in addr;
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons(8888);
addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
// inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", addr.sin_addr);
bind 也是有返回值的，当返回值 < 0，则绑定失败。
if(bind(tcp_sock, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr)) < 0){
perror("");
}
绑定的时候，需要将 addr 转成 sockaddr* 的类型，也就是地址类型。
就是告诉 sock，你所需要的数据类型地址信息和长度信息。去绑定吧。
监听
listen 表示开启监听，一般在服务端进行使用。服务端开启监听之后，参数填上监听的socket 套接字，也就是之前已经绑定过ip地址端口的套接字。然后填上要监听的数量。
#include <sys/socket.h>
int listen(int sockfd, int backlog);
listen 没有太多可将的内容，值得注意的是，listen 不要放在循环内，只需要声明一次，表示开启监听即可。操作系统内核会维护一个监听队列。队列大小和backlog一致。
接收请求
accept 表示接收连接，建立连接。如果服务器的socket文件描述符开启监听之后，有客户端连接请求，希望连接到服务器，就需要使用accept 进行建立连接。
accept 会返回一个socket文件描述符，一般表示独立的对于客户端的，也就是说，可以通过返回的这个文件描述符和客户端进行通信。
问题出现了，如何能够建立完连接，再和所建立的客户端进行通信。
#include <arpa/inet.h>
#include <memory.h>
#include <netinet/in.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/socket.h>
int main(int argc, char *argv[]) {
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (sockfd == -1) {
perror("socket fail\n");
exit(-1);
}
struct sockaddr_in addr;
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons(8888);
if (inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &addr.sin_addr) == -1) {
perror("inet_pton fail\n");
}
if (bind(sockfd, (struct sockaddr *) &addr, sizeof(addr)) == -1) {
perror("bind fail\n");
}
listen(sockfd, 10);
char buf[1024];
while (1) {
int client_fd = accept(sockfd, NULL, NULL);
if (client_fd == -1) {
perror("accept fail\n");
}
memset(buf, 0, sizeof(buf));
recv(client_fd, buf, sizeof(buf), 0);
printf("%s\n", buf);
}
}
while 循环之内的内容，表示建立连接accept，然后接收从客户端发来的信息并打印输出。
然后呢？下一次循环仍然会去建立连接，也就是说，客户端就算在此时发了100条信息，它也打印不出来了。
那么怎样才能既监听客户端的请求，又监听客户端的连接？
一般我们会想到使用多进程、多线程，一个线程负责一个事务不就好了，一个线程负责一个客户端，每来一个客户端，就开启一个新线程。
这么想也没错，但是在单线程的情况下，如何实现这个功能，这就要提到一项技术：IO多路复用。
IO多路复用是一项在单进程、线程下，同时监听多个IO操作的机制。
目前的IO多路复用有 select、poll、epoll。
先从select开始介绍使用。
#include <sys/select.h>
select
select 需要创建一个 fd_set 队列，也就是文件描述符队列。用来存放多个文件描述符的。可以这样想，既然要监听多个文件描述符，那么肯定在所需要监听的位置，存在一个监听队列。对不同的文件描述符进行一个区分。所以 fd_set 的用法就出来了。
fd_set set;
// 这里我就直接命名为set了
在C语言中创建结构体或者什么的，一般都需要先清空结构体，就算申请内存空间，也会进行初始化。
通过 FD_ZERO 进行清零
fd_set set;
FD_ZERO(&set); //这里初始化，使用的是set的地址。
select 原型：
int select(int nfds,
fd_set *readfds,
fd_set *writefds,
fd_set *exceptfds,
struct timeval *timeout);
nfds 表示最大的一个文件描述符+1，比如我要监听的是【1，2，3】，那这里就用4.表示我就监听到4，如果监听的是 【0...100】，那这里就填101，总之是申请过的最大的文件描述符+1的值。
readfds 表示读队列，既然监听，就使用这个队列，用于监听一个文件描述符的读事件。
writefds 表示写队列，可以监听一个文件描述符是否可写。
exceptfds 表示异常队列。一般不怎么用。
timeout 表示超时，通过设置一个时间，如果超时则select返回。
对了，这里介绍一下select的返回，、
- 当select有事件发生，返回，返回值是发生的事件的数量。
- 当timeout超时时，返回，返回值为0.
- select 出现错误，返回 -1
那么就可以在while循环开始的时候，先定义好要监听的文件描述符，将要监听的文件描述符添加到监听队列中。select每次返回都会清空监听队列，所以要将这个添加行为，写在while循环的开始部分。
select 通过FD_SET 进行添加，当select返回 > 0的值时，就可以通过 FD_ISSET进行筛选，看到底是哪几个文件描述符就绪，然后根据这个，进行相应的操作。
FD_SET，第一个参数是要监听的文件描述符，第二个参数是监听队列的地址。
FD_SET(sockfd, &set);
此时已经可以实现多用户在服务器上的对话了（没什么用，谁看服务器）
#include <arpa/inet.h>
#include <memory.h>
#include <netinet/in.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/select.h>
#include <sys/socket.h>
int main(int argc, char *argv[]) {
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (sockfd == -1) {
perror("socket fail\n");
exit(-1);
}
struct sockaddr_in addr;
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons(8888);
if (inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &addr.sin_addr) == -1) {
perror("inet_pton fail\n");
}
if (bind(sockfd, (struct sockaddr *) &addr, sizeof(addr)) == -1) {
perror("bind fail\n");
}
listen(sockfd, 10);
char buf[1024];
fd_set set;
FD_ZERO(&set);
int client_fds[10] = {-1};
int index = 0;
while (1) {
FD_SET(sockfd, &set);
for (int i = 0; i < index; i++) {
FD_SET(client_fds[i], &set);
}
int ret = select(sockfd + index + 1, &set, NULL, NULL, NULL);
if (ret == -1) {
perror("select fail");
}
if (FD_ISSET(sockfd, &set)) {
client_fds[index] = accept(sockfd, NULL, NULL);
if (client_fds[index] == -1) {
perror("accept fail\n");
}
index++;
}
for (int i = 0; i < index; i++) {
if (FD_ISSET(client_fds[i], &set)) {
int fd = client_fds[i];
memset(buf, 0, sizeof(buf));
recv(fd, buf, sizeof(buf), 0);
printf("%d: %s\n", i, buf);
}
}
}
}
首先将sockfd添加到监听队列，然后每监听到一个客户端的连接，就将该客户端添加到一个客户端队列client_fds中，设置一个index，表示目前有多少个客户端。（并没有维护客户端的断开）。
FD_SET会将需要监听的文件描述符都添加到监听队列。
这就是select的一个初步使用。这里只介绍到这里。重点介绍epoll。poll是select到epoll的过度阶段，一般而言，就没有必要再去了解了。
select内部就是通过维护一个监听队列，这个监听队列是用位图实现的。select 优点就是使用简单。缺点就是内部使用位图结构，监听的数量过大，ISSET会对监听的文件描述符轮询，没有区分开监听队列和就绪队列。且每次就绪之后，该队列都会清空返回，在循环的开始部分还需要再次添加需要监听的文件描述符。
监听就绪队列有上限，操作系统最初限制为1024，如果想要修改这个限制，则需要重新编译操作系统。
另外，这个程序有bug，比如通信的时候，对方断开通信，则我方会循环接收(死循环)。
因为使用recv接收数据的时候，返回值大于0，返回的是接收数据的长度。返回值等于0，说明客户端断开连接，返回值小于0，说明接收失败。只需要添加一个返回值的判断即可。
epoll
epoll 是linux平台下一种io多路复用机制，用于高效处理大量文件描述符的并发IO。基于事件驱动。
epoll 高性能、分离监听队列和就绪队列，监听队列使用红黑树，就绪队列使用线性表。（就绪队列中的文件描述符数量少，可以使用线性表），且没有上限。
epoll 在各个方面全面碾压select，之后使用epoll作为IO多路复用的主要工具。
首先需要创建epoll_fd，epoll_fd 是一个数据结构，通过epoll_create或epoll_create1进行创建，这个数据结构中通过两个数据结构进行保存文件描述符。红黑树+双链表。红黑树用来监听文件描述符，可快速找到描述符，寻找的速度是 O(logN) 级别的，而双链表是用来存放就绪队列的。当监听队列中的文件描述符就绪后，就会将其转移到双链表。即使监听的文件描述符众多也不会影响性能。这就是epoll比select更加优势的地方。可高校处理大量文件描述符。
其次，要提到一点，select 每次都需要重新将文件描述符添加到监听队列（select 根本没有分离监听队列和就绪队列，就绪什么的都是在同一个队列），epoll 分离了监听队列和就绪队列。就绪队列每次wait等待到相应的操作后，就会从就绪队列中移除，也就是说 使用epoll，不需要再每次添加文件描述符到队列中。
epfd = epoll_create1(0);
之前使用epoll_create，参数是一个大于0 的值，用于确定队列的长度，从Linux 某个版本之后，就可以自动确定队列长度，使用 epoll_create1(0), 参数是一个标志，一般填 0 用于使用默认配置。
此时就可以拥有一个epfd。
创建一个事件，事件中包含需要监听的操作和文件描述符
41 struct epoll_event event;
42 event.events = EPOLLIN;
43 event.data.fd = sockfd;
这里创建一个event，event 可以重复使用。只要通过 epoll_ctl 注册过后，可以修改event 用于其他的事件。
44 epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, sockfd, &event);
第一个参数是epoll_create1创建出的epollfd，第二个参数是epoll的添加、修改、删除操作。
第三个参数是需要监听的文件描述符，用于和event相关联。第四个是事件event，这里使用event之后，就已经让epfd和sockfd创建了event上的连接。event的内容在此之后可以修改，不影响操作内容。
int epoll_wait(
int epfd,
struct epoll_event *events,
int maxevents,
int timeout);
等待事件就绪，因此需要一个用于存放事件的队列。
struct epoll_event events[10];
maxevents 用于表明events的最大容量。
timeout用于设置超时时间。-1 表示一直等待，timeout 的值是一个毫秒值。
#include <arpa/inet.h>
#include <memory.h>
#include <netinet/in.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <sys/select.h>
#include <sys/socket.h>
int main(int argc, char *argv[]) {
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (sockfd == -1) {
perror("socket fail\n");
exit(-1);
}
struct sockaddr_in addr;
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons(8888);
if (inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &addr.sin_addr) == -1) {
perror("inet_pton fail\n");
}
if (bind(sockfd, (struct sockaddr *) &addr, sizeof(addr)) == -1) {
perror("bind fail\n");
}
listen(sockfd, 10);
char buf[1024];
int client_fds[10] = {-1};
int index = 0;
int epfd = epoll_create1(0);
struct epoll_event event;
event.events = EPOLLIN;
event.data.fd = sockfd;
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, sockfd, &event);
struct epoll_event events[10];
while (1) {
int event_num = epoll_wait(epfd, events, 10, -1);
if (event_num == 0 || event_num == -1) {
continue;
}
for (int i = 0; i < event_num; i++) {
if (events[i].data.fd == sockfd) {
client_fds[index] = accept(sockfd, NULL, NULL);
event.events = EPOLLIN;
event.data.fd = client_fds[index];
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, client_fds[index], &event);
printf("有新连接...\n");
index++;
}
// if(events[i].data.fd == )
for (int k = 0; k < index; k++) {
if (events[i].data.fd == client_fds[k]) {
int fd = events[i].data.fd;
memset(buf, 0, sizeof(buf));
int ret = recv(fd, buf, sizeof(buf), 0);
if (ret == 0) {
event.events = EPOLLIN;
event.data.fd = fd;
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, fd, &event);
client_fds[k] = -1;
}
if (ret > 0) {
printf("%d:%s\n", k, buf);
}
}
}
}
}
}
select 和 epoll 实现了相同功能的代码，而epoll则支持高性能的大量文件描述符的使用。
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