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CS-Notes/notes/Socket.md
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2018-07-15 21:57:21 +08:00

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一、I/O 模型

一个输入操作通常包括两个阶段：

  • 等待数据准备好
  • 从内核向进程复制数据

对于一个套接字上的输入操作，第一步通常涉及等待数据从网络中到达。当所等待分组到达时，它被复制到内核中的某个缓冲区。第二步就是把数据从内核缓冲区复制到应用进程缓冲区。

Unix 下有五种 I/O 模型：

  • 阻塞式 I/O
  • 非阻塞式 I/O
  • I/O 复用（select 和 poll）
  • 信号驱动式 I/O（SIGIO）
  • 异步 I/O（AIO）

阻塞式 I/O

应用进程被阻塞，直到数据复制到应用进程缓冲区中才返回。

应该注意到，在阻塞的过程中，其它程序还可以执行，因此阻塞不意味着整个操作系统都被阻塞。因为其他程序还可以执行，因此不消耗 CPU 时间，这种模型的执行效率会比较高。

下图中，recvfrom 用于接收 Socket 传来的数据，并复制到应用进程的缓冲区 buf 中。这里把 recvfrom() 当成系统调用。

ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags, struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

非阻塞式 I/O

应用进程执行系统调用之后，内核返回一个错误码。应用进程可以继续执行，但是需要不断的执行系统调用来获知 I/O 是否完成，这种方式称为轮询（polling）。

由于 CPU 要处理更多的系统调用，因此这种模型是比较低效的。


I/O 复用

使用 select 或者 poll 等待数据，并且可以等待多个套接字中的任何一个变为可读，这一过程会被阻塞，当某一个套接字可读时返回。之后再使用 recvfrom 把数据从内核复制到进程中。

它可以让单个进程具有处理多个 I/O 事件的能力。又被称为 Event Driven I/O，即事件驱动 I/O。

如果一个 Web 服务器没有 I/O 复用，那么每一个 Socket 连接都需要创建一个线程去处理。如果同时有几万个连接，那么就需要创建相同数量的线程。并且相比于多进程和多线程技术，I/O 复用不需要进程线程创建和切换的开销，系统开销更小。


信号驱动 I/O

应用进程使用 sigaction 系统调用，内核立即返回，应用进程可以继续执行，也就是说等待数据阶段应用进程是非阻塞的。内核在数据到达时向应用进程发送 SIGIO 信号，应用进程收到之后在信号处理程序中调用 recvfrom 将数据从内核复制到应用进程中。

相比于非阻塞式 I/O 的轮询方式，信号驱动 I/O 的 CPU 利用率更高。


异步 I/O

进行 aio_read 系统调用会立即返回，应用进程继续执行，不会被阻塞，内核会在所有操作完成之后向应用进程发送信号。

异步 I/O 与信号驱动 I/O 的区别在于，异步 I/O 的信号是通知应用进程 I/O 完成，而信号驱动 I/O 的信号是通知应用进程可以开始 I/O。


同步 I/O 与异步 I/O

  • 同步 I/O：应用进程在调用 recvfrom 操作时会阻塞。
  • 异步 I/O：不会阻塞。

阻塞式 I/O、非阻塞式 I/O、I/O 复用和信号驱动 I/O 都是同步 I/O，虽然非阻塞式 I/O 和信号驱动 I/O 在等待数据阶段不会阻塞，但是在之后的将数据从内核复制到应用进程这个操作会阻塞。

五大 I/O 模型比较

前四种 I/O 模型的主要区别在于第一个阶段，而第二个阶段是一样的：将数据从内核复制到应用进程过程中，应用进程会被阻塞。


二、I/O 复用

select/poll/epoll 都是 I/O 多路复用的具体实现，select 出现的最早，之后是 poll，再是 epoll。

select

int select(int n, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

readset, writeset, exceptset 参数，分别对应读、写、异常条件的描述符集合。

timeout 参数告知内核等待所指定描述符中的任何一个就绪的最长时间；

成功调用返回结果大于 0；出错返回结果为 -1；超时返回结果为 0。

每次调用 select 都需要将 readfds, writefds, exceptfds 链表内容全部从应用进程缓冲区复制到内核缓冲区。

返回结果中内核并没有声明 fd_set 中哪些描述符已经准备好，所以如果返回值大于 0 时，应用进程需要遍历所有的 fd_set。

select 最多支持 1024 个描述符，其中 1024 由内核的 FD_SETSIZE 决定。如果需要打破该限制可以修改 FD_SETSIZE，然后重新编译内核。

fd_set fd_in, fd_out;
struct timeval tv;

// Reset the sets
FD_ZERO( &fd_in );
FD_ZERO( &fd_out );

// Monitor sock1 for input events
FD_SET( sock1, &fd_in );

// Monitor sock2 for output events
FD_SET( sock2, &fd_out );

// Find out which socket has the largest numeric value as select requires it
int largest_sock = sock1 > sock2 ? sock1 : sock2;

// Wait up to 10 seconds
tv.tv_sec = 10;
tv.tv_usec = 0;

// Call the select
int ret = select( largest_sock + 1, &fd_in, &fd_out, NULL, &tv );

// Check if select actually succeed
if ( ret == -1 )
    // report error and abort
else if ( ret == 0 )
    // timeout; no event detected
else
{
    if ( FD_ISSET( sock1, &fd_in ) )
        // input event on sock1

    if ( FD_ISSET( sock2, &fd_out ) )
        // output event on sock2
}

poll

int poll(struct pollfd *fds, unsigned int nfds, int timeout);

struct pollfd {
    int fd;        // 文件描述符
    short events;  // 监视的请求事件
    short revents; // 已发生的事件
};

它和 select 功能基本相同，同样需要每次都将描述符从应用进程缓冲区复制到内核缓冲区，调用返回后同样需要进行轮询才能知道哪些描述符已经准备好。

poll 取消了 1024 个描述符数量上限，但是数量太大以后不能保证执行效率，因为复制大量内存到内核十分低效，所需时间与描述符数量成正比。

poll 在描述符的重复利用上比 select 的 fd_set 会更好。

如果在多线程下，如果一个线程对某个描述符调用了 poll 系统调用，但是另一个线程关闭了该描述符，会导致 poll 调用结果不确定，该问题同样出现在 select 中。

// The structure for two events
struct pollfd fds[2];

// Monitor sock1 for input
fds[0].fd = sock1;
fds[0].events = POLLIN;

// Monitor sock2 for output
fds[1].fd = sock2;
fds[1].events = POLLOUT;

// Wait 10 seconds
int ret = poll( &fds, 2, 10000 );
// Check if poll actually succeed
if ( ret == -1 )
    // report error and abort
else if ( ret == 0 )
    // timeout; no event detected
else
{
    // If we detect the event, zero it out so we can reuse the structure
    if ( pfd[0].revents & POLLIN )
        pfd[0].revents = 0;
        // input event on sock1

    if ( pfd[1].revents & POLLOUT )
        pfd[1].revents = 0;
        // output event on sock2
}

epoll

int epoll_create(int size);
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event)；
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);

epoll 仅适用于 Linux OS。

它是 select 和 poll 的增强版，更加灵活而且没有描述符数量限制。

它将用户关心的描述符放到内核的一个事件表中，从而只需要在用户进程缓冲区和内核缓冲区拷贝一次。

select 和 poll 方式中，进程只有在调用一定的方法后，内核才对所有监视的描述符进行扫描。而 epoll 事先通过 epoll_ctl() 来注册描述符，一旦基于某个描述符就绪时，内核会采用类似 callback 的回调机制，迅速激活这个描述符，当进程调用 epoll_wait() 时便得到通知。

新版本的 epoll_create(int size) 参数 size 不起任何作用，在旧版本的 epoll 中如果描述符的数量大于 size，不保证服务质量。

epoll_ctl() 执行一次系统调用，用于向内核注册新的描述符或者是改变某个文件描述符的状态。已注册的描述符在内核中会被维护在一棵红黑树上，通过回调函数内核会将 I/O 准备好的描述符加入到一个链表中管理。

epoll_wait() 取出在内核中通过链表维护的 I/O 准备好的描述符，将他们从内核复制到应用进程中，不需要像 select/poll 对注册的所有描述符遍历一遍。

epoll 对多线程编程更有友好，同时多个线程对同一个描述符调用了 epoll_wait() 也不会产生像 select/poll 的不确定情况。或者一个线程调用了 epoll_wait() 另一个线程关闭了同一个描述符也不会产生不确定情况。

// Create the epoll descriptor. Only one is needed per app, and is used to monitor all sockets.
// The function argument is ignored (it was not before, but now it is), so put your favorite number here
int pollingfd = epoll_create( 0xCAFE );

if ( pollingfd < 0 )
 // report error

// Initialize the epoll structure in case more members are added in future
struct epoll_event ev = { 0 };

// Associate the connection class instance with the event. You can associate anything
// you want, epoll does not use this information. We store a connection class pointer, pConnection1
ev.data.ptr = pConnection1;

// Monitor for input, and do not automatically rearm the descriptor after the event
ev.events = EPOLLIN | EPOLLONESHOT;
// Add the descriptor into the monitoring list. We can do it even if another thread is
// waiting in epoll_wait - the descriptor will be properly added
if ( epoll_ctl( epollfd, EPOLL_CTL_ADD, pConnection1->getSocket(), &ev ) != 0 )
    // report error

// Wait for up to 20 events (assuming we have added maybe 200 sockets before that it may happen)
struct epoll_event pevents[ 20 ];

// Wait for 10 seconds, and retrieve less than 20 epoll_event and store them into epoll_event array
int ready = epoll_wait( pollingfd, pevents, 20, 10000 );
// Check if epoll actually succeed
if ( ret == -1 )
    // report error and abort
else if ( ret == 0 )
    // timeout; no event detected
else
{
    // Check if any events detected
    for ( int i = 0; i < ret; i++ )
    {
        if ( pevents[i].events & EPOLLIN )
        {
            // Get back our connection pointer
            Connection * c = (Connection*) pevents[i].data.ptr;
            c->handleReadEvent();
         }
    }
}

select 和 poll 比较

1. 功能

它们提供了几乎相同的功能，但是在一些细节上有所不同：

  • select 会修改 fd_set 参数，而 poll 不会；
  • select 默认只能监听 1024 个描述符，如果要监听更多的话，需要修改 FD_SETSIZE 之后重新编译；
  • poll 提供了更多的事件类型。

2. 速度

poll 和 select 在速度上都很慢。

  • 它们都采取轮询的方式来找到 I/O 完成的描述符，如果描述符很多，那么速度就会很慢；
  • select 只使用每个描述符的 3 位，而 poll 通常需要使用 64 位，因此 poll 需要在用户进程和内核之间复制更多的数据。

3. 可移植性

几乎所有的系统都支持 select，但是只有比较新的系统支持 poll。

eopll 工作模式

epoll_event 有两种触发模式：LT（level trigger）和 ET（edge trigger）。

1. LT 模式

当 epoll_wait() 检测到描述符事件发生并将此事件通知应用程序，应用程序可以不立即处理该事件。下次调用 epoll_wait() 时，会再次响应应用程序并通知此事件。是默认的一种模式，并且同时支持 Blocking 和 No-Blocking。

2. ET 模式

当 epoll_wait() 检测到描述符事件发生并将此事件通知应用程序，应用程序必须立即处理该事件。如果不处理，下次调用 epoll_wait() 时，不会再次响应应用程序并通知此事件。很大程度上减少了 epoll 事件被重复触发的次数，因此效率要比 LT 模式高。只支持 No-Blocking，以避免由于一个文件句柄的阻塞读/阻塞写操作把处理多个文件描述符的任务饿死。

应用场景

很容易产生一种错觉认为只要用 epoll 就可以了，select poll 都是历史遗留问题，并没有什么应用场景，其实并不是这样的。

1. select 应用场景

select() poll() epoll_wait() 都有一个 timeout 参数，在 select() 中 timeout 的精确度为 1ns，而 poll() 和 epoll_wait() 中则为 1ms。所以 select 更加适用于实时要求更高的场景，比如核反应堆的控制。

select 历史更加悠久，它的可移植性更好，几乎被所有主流平台所支持。

2. poll 应用场景

poll 没有最大描述符数量的限制，如果平台支持应该采用 poll 且对实时性要求并不是十分严格，而不是 select。

需要同时监控小于 1000 个描述符。没有必要使用 epoll，因为这个应用场景下并不能体现 epoll 的优势。

需要监控的描述符状态变化多，而且都是非常短暂的。因为 epoll 中的所有描述符都存储在内核中，造成每次需要对描述符的状态改变都需要通过 epoll_ctl() 进行系统调用，频繁系统调用降低效率。并且epoll 的描述符存储在内核，不容易调试。

3. epoll 应用场景

程序只需要运行在 Linux 平台上，有非常大量的描述符需要同时轮询，而且这些连接最好是长连接。

4. 性能对比

epoll Scalability Web Page

参考资料