12. 高级IO模型(2)1
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2022-08-03
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高级I/O模型(2)
信号驱动I/O
信号驱动I/O需用户采用非阻塞的读写方式，并设置O_ASYNC标志。当可执行I/O操作时由内核向相应的进程发送信号
基本流程
为I/O信号SIGIO设置正确的信号处理函数，即sigaction()调用
设定文件描述符的进程属主，即当文件描述符可执行I/O操作时，信号发送给哪个进程或哪些进程
打开O_NONBLOCK(非阻塞)以及O_ASYNC(使用信号驱动I/O)标识，通常使用fcntl()调用一次性完成
当收到SIGIO信号时，由于信号驱动I/O采用的是边缘触发，所以必须在一次通知时尽可能多地读取数据，直到返回错误为EAGAIN或EWOULDBLOCK为止
信号驱动I/O使用O_ASYNC标志主要原因在于历史原因，当时信号驱动I/O也被称之为异步I/O。随着历史的发展，异步I/O由AIO表示
TCP套接字将在何种情况会发出I/O就绪信号
因为更加关心socket的情况，故管道以及FIFO直接忽略
情况
监听套接字接收到了新的连接
connect()函数返回，即主动端进入RSTABLISHED阶段(收到服务端的seq+ack)
套接字中有新的输入，或者是发送缓冲区有了足够的空间
连接关闭时
使用实时信号取代SIGIO
在信号一节中有提到: 标准信号将不做排队处理，若在进程执行信号处理函数时产生了多个
SIGIO信号，最终只会传递一次，其余的信号将会丢失 所以，需要使用实时信号来代替SIGIO标准信号，使得内核能对其进行排队处理
epoll
epoll模型可以认为是select、poll以及信号驱动I/O的升级版
select、poll仅支持水平触发，且需要通过迭代的方式获取已经就绪
的文件描述符
信号驱动I/O仅支持边缘触发，且需要处理实时信号队列溢出的情
况，逻辑较为复杂
epoll编程接口 epoll实例
epoll的核心数据结构称为epoll实例，和一个打开的文件描述符关联，但不会进行I/O操作，而是内核数据结构的
一个句柄
创建epoll实例
原型
: int epoll_create(int size);
成功时将返回一个代表epoll实例的描述符，失败则返回-1
参数size并不是一个文件描述符数量的上限，而是告诉内核应该如何为内部数据结
构划分初始大小
(在内核2.6.8版本以后，该参数实际就是个摆设)
和open()调用返回的文件描述符一样，epoll_create()返回的描述符
用于指代该epoll实例
原型
: int epoll_create1(int flags);
2.6.27内核版本以来提供了新的创建方法，去除了无用的size参数，并且新增了flags参数，用于控制
epoll实例句柄的行为
目前仅支持一个flags: EPOLL_CLOEXEC，当进程fork()调用之后执行exec()时，关闭原有进程的epoll实例。对
应于文件的O_CLOEXEC标志
修改epoll的兴趣列表
原型
: int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *ev);
返回0表示成功，-1表示错误
epfd
由epoll_create()或者是epoll_create1()返回的epoll实例句柄
op
指定所要执行的操作
EPOLL_CTL_ADD
将描述符fd添加至epfd实例中，并将对fd感兴趣的时间附加至ev参
数中
若文件描述符已经在epfd列表中，则会返回EEXIST错误
EPOLL_CTL_MOD
修改描述符fd上设定的事件，修改内容同样使用ev参数传递
若文件描述符未在epfd列表中，则会返回ENOENT错误
EPOLL_CTL_DEL
将文件描述符fd从epfd列表中删除，此时会忽略ev参数
若文件描述符未在epfd列表中，则会返回ENOENT错误
当成RESTful API来用
fd
文件描述符，可以是套接字、管道、FIFO或者是POSIX信号量等，甚至可以是epoll实例(多层级)，但不能是普通文件或
者是目录的文件描述符
ev
为指向epoll_event的指针
epoll事件(events)
同poll()调用一样，epoll采用事件的方式进行注册
常用事件
EPOLLIN
可读
EPOLLOUT
可写
EPOLLET
采用边缘触发通知
EPOLLERR
有错误发生
关于文件描述符的信息记录(data)
data值相当重要，因为这是在文件描述符就绪后唯一获取是哪个文
件描述符就绪的信息
可选类型
指针类型 可以使用一个指向文件结构体的指针
描述符类型 直接使用fd的值
二选一
max_user_watches 上限
由于每个注册到epoll实例上的文件描述符都需要一段无法被交换的内核空间，所以epoll能够检查的文件描述
符个数是有上限的 主要与节点内存相关
在Ubuntu系统下，该值定义于 /proc/sys/fs/epoll/max_user_watches
文件内 对于socket编程而言，该值绝对是够用的
事件等待
原型
: int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *evlist, int maxevents, int
timeout);
成功时返回已就绪的文件描述符个数，0表示超时，-1表示错误
evlist
参数evlist为epoll_event类型所组成的数组指针，用于返回所有已就绪的文件描述符事件，由用
户自行分配空间
maxevents
指定evlist数组的最大值
timeout
超时时间，同样有3种方案可选
等于-1
epoll_wait将永久阻塞，直到有文件描述符就绪或者接收信号
如果epoll_wait调用被信号打断，此时返回值可能为-1且errno为
EINTR
等于0 此时epoll_wait非阻塞的检查，只是看一眼哪些描述符就绪
大于0 调用至多阻塞timeout毫秒
epoll的相关调用是线程安全的，也就是说，假设在线程A使用epoll_ctl添加了一个文件描述符，那么在线程B
中，该添加将会生效
epoll的效率以及潜在的问题
效率
从XX_wait()调用就可以看出select、poll以及epoll之间的区别，epoll将直接返回已就绪的文件描述符列表，那么当用户进行迭代操作时，不会进
行无用的操作，但select、poll则无法保证
潜在问题
当应用程序使用epoll模型时，对于存在读写的双工文件描述符，如socket进行操作时，程序代码将会出现割裂。加大了开发人员的开发以及
调试难度，其维护成本更高
epoll模型自内核2.6版本就有，但是现如今基于epoll的网络框架甚少，除去Redis、Nginx等使用原生C语言编写的程序以外，其余语言
非常少见于基于epoll的网络框架
epoll支持水平触发以及边缘触发
赵小杏儿
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