周谈（15）- Linux IO模型及实现
前言
平常每周都会有一些心得感悟，这些在大家工作中可能会有许多共性。我觉得花一些时间整理一下，跟粉丝读者们分享一下日常学习工作的想法和所得，这是一个很好的互动和文章分享的痛点。
这是第十五篇。
Linux IO
Linux IO机制中，操作系统将IO数据缓存在文件系统的页缓存中，数据先拷贝到内核空间内，然后再从内核空间拷贝到用户空间使用。比如常用的网络socket的实现，数据从网卡接收到之后，保存到内核空间对应的缓存中，然后通过中断机制通知用户态程序，用户态程序使用read操作把数据拷贝到用户空间，这个就是所谓的缓存IO。实现分为两步，第一先是等待数据准备，第二将数据从内核拷贝到进程中。
Linux系统有五种网络模式方案：
阻塞IO
非阻塞IO
IO多路复用
信号驱动IO
异步IO
阻塞IO
默认情况下，socket都是阻塞的。调用recvfrom的时候应用程序阻塞住，等待内核准备好数据之后，拷贝内核数据到用户缓冲区之后才继续执行。阻塞IO的特点就是用户程序会block。
非阻塞IO
通过设置socket使其变为non-blocking的。当进程调用read的时候，如果内核中没有数据，用户程序并不会阻塞住，而是直接返回一个错误。通过判断错误，用户程序知道没有获取到数据，然后可以继续下一次read。一旦内核中有数据，在下一个调用read的时候就会返回数据了。非阻塞IO的特点就是用户程序不会block。
IO多路复用
IO多路复用就是平时遇到的select、poll、epoll等接口。一个进程同时可以监听多个socket，当任意一个socket有数据时，函数就会返回，然后就可以读取socket的数据然后处理。基本原理就是这些函数会不断的轮询所有负责的socket，然后返回数据给用户程序。
这个流程分为两步，首先要等待某个socket有数据，然后获取到具体的socket描述符，然后再通过read函数读取数据。这里需要两个系统调用，select和read。优势就是在同一个流程里面，实现了对多个socket的监听。一般用户程序是被select阻塞住，会设置socket为non-blocking。
异步IO
用户程序发起异步读的操作之后，就继续其他的处理了。等内核有数据到达后，会将数据拷贝到用户缓冲，然后通过信号的方式通知用户程序，用户程序在信号回调中处理数据。
信号驱动IO
这个用户程序就是完全被动的接收数据。当内核中有数据之后，调用对应的回调函数读取数据处理。
select、poll和epoll
select
1int select (int n, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
select 函数可以监听三个类型的文件描述符， readfs, writefs, exceptfds。在调用select时程序阻塞住，一直到有描述符有事件产生或者select超时，select函数返回后遍历fds，查找就绪的描述符。select的就是监听的最大描述符数目有限定为1024， 当然也是可以设置的。
poll
1int poll (struct pollfd *fds, unsigned int nfds, int timeout);
2
3struct pollfd {
4 int fd; /* file descriptor */
5 short events; /* requested events to watch */
6 short revents; /* returned events witnessed */
7};
poll使用pollfd的结构来描述等待的信息。pollfd并没有最大数量限制，和select函数一样，poll返回后，需要轮询pollfd来获取就绪的描述符。
epoll
epoll是在2.6内核中提出的，是之前的select和poll的增强版本。相对于select和poll来说，epoll更加灵活，没有描述符限制。epoll使用一个文件描述符管理多个描述符，将用户关系的文件描述符的事件存放到内核的一个事件表中，这样在用户空间和内核空间的copy只需一次。
1int epoll_create(int size)；//创建一个epoll的句柄，size用来告诉内核这个监听的数目一共有多大
2int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event)；
3int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);
int epoll_create(int size);
创建一个epoll的句柄，size用来告诉内核这个监听的数目一共有多大，这个参数不同于select()中的第一个参数，给出最大监听的fd+1的值，参数size并不是限制了epoll所能监听的描述符最大个数，只是对内核初始分配内部数据结构的一个建议。
当创建好epoll句柄后，它就会占用一个fd值，在linux下如果查看/proc/进程id/fd/，是能够看到这个fd的，所以在使用完epoll后，必须调用close()关闭，否则可能导致fd被耗尽。int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event)；
函数是对指定描述符fd执行op操作。
epfd：是epoll_create()的返回值。
op：表示op操作，用三个宏来表示：添加EPOLL_CTL_ADD，删除EPOLL_CTL_DEL，修改EPOLL_CTL_MOD。分别添加、删除和修改对fd的监听事件。
fd：是需要监听的fd（文件描述符）
epoll_event：是告诉内核需要监听什么事，struct epoll_event结构如下：
1struct epoll_event {
2 __uint32_t events; /* Epoll events */
3 epoll_data_t data; /* User data variable */
4};
5
6//events可以是以下几个宏的集合：
7EPOLLIN ：表示对应的文件描述符可以读（包括对端SOCKET正常关闭）；
8EPOLLOUT：表示对应的文件描述符可以写；
9EPOLLPRI：表示对应的文件描述符有紧急的数据可读（这里应该表示有带外数据到来）；
10EPOLLERR：表示对应的文件描述符发生错误；
11EPOLLHUP：表示对应的文件描述符被挂断；
12EPOLLET： 将EPOLL设为边缘触发(Edge Triggered)模式，这是相对于水平触发(Level Triggered)来说的。
13EPOLLONESHOT：只监听一次事件，当监听完这次事件之后，如果还需要继续监听这个socket的话，需要再次把这个socket加入到EPOLL队列里
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);
等待epfd上的io事件，最多返回maxevents个事件。
参数events用来从内核得到事件的集合，maxevents告之内核这个events有多大，这个maxevents的值不能大于创建epoll_create()时的size，参数timeout是超时时间（毫秒，0会立即返回，-1将不确定，也有说法说是永久阻塞）。该函数返回需要处理的事件数目，如返回0表示已超时。
今天花时间分别实现了以上三种方式的socket监听，可以参考代码:
https://gitee.com/fishmwei/blog_code/blob/master/socket/iomode.c
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这周比较忙，在不断的输入新的概念和知识，也有一些旧的知识在眼前浮现。Linux的IO模型在编码的时候都会遇到，今天重新复习一下，并一一实现，进一步巩固一下知识点。花了一个晚上才把这个代码调试完成，时间很快，准备洗洗睡了。
行动，才不会被动!
个人博客：https://fishmwei.gitee.io/