IO快速回顾

在现代计算机系统中输入/输出I/O操作的效率直接影响到整体性能与用户体验。

无论是大型服务器处理海量请求还是嵌入式设备与传感器的实时数据交互了解

I/O

I/O解析它们的工作原理与适用场景。

同时我们还将聚焦多路复用技术的核心概念与实现方式揭示其在提升并发处理能力、降低资源消耗中的关键作用。

通过对这些基础理论的深入理解您将能够更有效地设计与优化高性能应用程序推动技术的不断进步与创新。

I/O

模型是指在进行输入输出操作时操作系统和应用程序之间如何进行交互的方式。

一异步IO和同步IO

上图中阻塞式I/O、非阻塞式I/O、I/O复用、信号驱动式I/O

在操作系统层面都是同步IO它们都会阻塞在数据从内核空间复制到用户空间的缓冲区异步IO模型在两个阶段都不会阻塞调用进程在操作系统层面实现真正的异步IO。

I/O

操作后必须等待这个操作完成才能进行下一步操作。

在这种模型下当应用程序发起一个

I/O

请求时它会被阻塞直到操作系统将数据从内核空间复制到用户空间的缓冲区中然后应用程序才能继续执行。

阻塞式

I/O、非阻塞式

模型确实能够在两个阶段都不阻塞调用进程因为应用程序发起请求后就可以继续执行其他任务而不必等待数据从内核空间复制到用户空间的缓冲区中。

异步

I/O

操作完成时通知应用程序。

通常涉及到事件驱动的编程模式比如回调函数或事件循环。

异步

I/O

请求后被阻塞直到操作完成。

单任务环境简单应用程序对于少量连接或低并发的应用。

非阻塞式

I/O应用程序发起

请求后继续执行但需要通过轮询等方式检查操作是否完成。

单任务环境需要处理多个

I/O

操作时触发相应的信号处理函数。

某些需要提高应用程序性能的情况但在处理复杂

I/O

请求后立即返回当操作完成时操作系统通知应用程序。

需要高性能和高并发的应用程序可以在两个阶段都不阻塞调用进程。

二、IO多路复用

这样的系统调用。

这些调用允许应用程序同时监视多个文件描述符等待其中任何一个文件描述符就绪即有数据可读或可写。

当文件描述符就绪时这些系统调用会返回并告知应用程序哪些文件描述符已经就绪。

recvfrom()

函数将数据从内核空间拷贝到用户空间。

尽管这个阶段仍然是阻塞的但因为在

select()

或其他多路复用系统调用中已经知道哪些文件描述符有数据可读因此整体上效率会有很大的提升。

二select

的系统调用它允许一个进程监视多个文件描述符的状态以确定它们是否处于可读、可写或异常状态。

其基本原理是在内核中检查指定的文件描述符并在其中任何一个文件描述符就绪时返回。

具体地select()

nfds要检查的文件描述符的数量即最大文件描述符加一。

readfds指向包含要检查是否可读的文件描述符集合的指针。

writefds指向包含要检查是否可写的文件描述符集合的指针。

exceptfds指向包含要检查是否有异常情况的文件描述符集合的指针。

timeout超时时间指定

select()

后内核会遍历传入的文件描述符集合检查它们的状态。

如果有任何一个文件描述符就绪可读、可写或异常select()

就会返回。

返回后可以通过检查相应的文件描述符集合来确定哪些文件描述符处于就绪状态。

#include

{perror(socket);exit(EXIT_FAILURE);}//

htons(8888);server_addr.sin_addr.s_addr

INADDR_ANY;memset((server_addr.sin_zero),

sizeof(server_addr.sin_zero));if

(bind(sock_fd,

{perror(bind);exit(EXIT_FAILURE);}//

socketif

{perror(listen);exit(EXIT_FAILURE);}//

MAXCLINE;

{perror(accept);exit(EXIT_FAILURE);}}//

(1)

{perror(select);exit(EXIT_FAILURE);}//

MAXCLINE;

{perror(recv);exit(EXIT_FAILURE);}

else

client.\n);close(fd[i]);FD_CLR(fd[i],

fdsr);

类似允许一个进程监视多个文件描述符等待其中任何一个文件描述符就绪即有数据可读或可写

准备文件描述符数组在调用

类型的数组数组的每个元素对应一个待监视的文件描述符。

结构体中包含文件描述符的值以及所关心的事件如可读、可写等。

poll()

函数返回程序会检查返回值以确定哪些文件描述符已经就绪。

通常返回值表示就绪文件描述符的个数。

pollfd

结构体以确定哪些文件描述符处于就绪状态。

然后可以执行相应的读取或写入操作。

在内核层面poll()

函数的实现通常会使用轮询机制检查每个文件描述符是否已经就绪。

不同于

select()poll()

传递的是指向结构体数组的指针因此无需复制文件描述符集合到内核空间这在一定程度上减少了开销。

select()

没有最大文件描述符数的限制因为它使用了结构体数组而不是位图来表示文件描述符。

因此poll()

select()

{perror(socket);exit(EXIT_FAILURE);}//

Set

sizeof(serv_addr));serv_addr.sin_family

AF_INET;serv_addr.sin_addr.s_addr

htonl(INADDR_ANY);serv_addr.sin_port

htons(PORT);//

{perror(bind);exit(EXIT_FAILURE);}//

Listen

{perror(listen);exit(EXIT_FAILURE);}//

Initialize

{perror(poll);exit(EXIT_FAILURE);}//

Check

{perror(accept);exit(EXIT_FAILURE);}//

Add

clients\n);close(newsockfd);}if

(--ret

{perror(recv);close(fds[i].fd);fds[i].fd

-1;}

disconnected\n);close(fds[i].fd);fds[i].fd

-1;}

函数等待任何一个文件描述符就绪。

如果监听套接字sockfd上有新连接到来poll()

函数会检测到并调用

用于等待就绪事件的函数。

内核维护了一个红黑树rbtree用于存储需要监听的文件描述符。

这个树的节点是一个

epitem

结构体包含文件描述符、事件类型等信息。

另外内核还维护了一个链表用于存储当前就绪的事件这个链表的节点是

rdllink

实例是一个文件描述符通过对这个描述符进行操作可以控制对哪些文件描述符进行监听以及对就绪事件的处理。

添加和删除文件描述符

实例中添加或删除要监听的文件描述符。

添加文件描述符时会创建一个

epitem

函数等待文件描述符的就绪事件。

内核会遍历红黑树检查哪些文件描述符已经就绪将其加入到就绪链表中。

用户空间可以通过

epoll_wait()

实例。

它通过将文件描述符的就绪事件保存在内核空间的数据结构中避免了

select

i){......read(events[i].data.fd,

buff,

特点selectpollepoll文件描述符数量限制通常受限于文件描述符数量通常受限于文件描述符数量没有显著限制内核空间数据结构使用位图表示文件描述符集合使用数组表示文件描述符集合使用红黑树存储文件描述符内存复制开销需要将文件描述符集合复制到内核空间需要将文件描述符集合复制到内核空间无需将文件描述符集合复制到内核空间时间复杂度O(n)O(n)O(log

n)适用场景文件描述符数量少且不频繁变化文件描述符数量少且不频繁变化文件描述符数量大且频繁变化并发连接处理性能性能较差性能较好性能最佳

select

的效率都受到文件描述符数量的限制并且需要将文件描述符集合复制到内核空间因此在处理大量连接时效率较低。

epoll

利用了红黑树来存储文件描述符避免了内存复制的开销并且在文件描述符数量较大且频繁变化时性能最佳。

因此对于高并发的网络应用通常选择

epoll

I/O。

通过分析这些模型的特点与适用场景我们了解到每种模型都有其独特的优势与局限性开发者可以根据具体需求选择最合适的

I/O

等实现方式揭示了它们在处理高并发请求中的重要性。

多路复用不仅能够有效减少系统资源的浪费还能够提升

I/O

模型与多路复用技术的深入理解开发者将能够更好地优化应用程序提升整体性能为用户提供更加流畅的体验。

随着技术的不断发展掌握这些基础知识将为您在计算机科学与软件开发领域的进一步探索打下坚实的基础。

参考推荐阅读

https://blog.51cto.com/u_15287666/4917767

多路复用

https://www.cnblogs.com/yrxing/p/14143644.html

https://www.cnblogs.com/88223100/p/Deeply-learn-***-implementation-principle-of-IO-multiplexing-select_poll_epoll.html

你管这破玩意叫