三、单线程多路I/O复用 —— 常用I/O复用

文章目录

一、前言
二、Select
三、Poll
四、Epoll

一、前言

这一节就是IO复用的入门没有加入多线程。简单来说就是select、poll、epoll的使用。
这些函数相当于是一个代理者，帮助我们处理新连接，可以让CPU空出来。
单线程多路IO复用

本章所有代码均可在这个仓库找到，如有帮助留个star吧！WebServer

二、Select

这个是唯一跨平台的，但是性能差很多，一般高性能服务器都用epoll

1、头文件

<sys/select.h> 这是主要的头文件，定义了 select 函数及相关的数- 据类型和宏。
<sys/time.h> 定义了 struct timeval，用于 select 的超时参数。
<sys/types.h> 定义了一些基本的系统数据类型。
<unistd.h> 提供了 POSIX 操作系统 API 的访问，包括 read 和 write 函数。

2、select api 参数解析

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

nfds 这是要监视的文件描述符的最大值加1。（可以设置为1024）
readfds 用于检查哪些文件描述符已准备好读取。
writefds 用于检查哪些文件描述符已准备好写入。（默认填NULL）
exceptfds 用于检查哪些文件描述符有异常条件。（默认填NULL）
timeout 用于设置select的超时时间。

select 一般只处理读事件就可以了，其他的设置为空。

3、示例

#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/select.h>
#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>

#include <algorithm>
#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;
#define BUFFER_SIZE 1024
#define PORT 8080
#define MAX_CLIENTS 30

int main() {
    int server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM | SOCK_NONBLOCK, 0);
    if (server_fd < 0) {
        cerr << "socket failed" << endl;
        return 0;
    }

    sockaddr_in server_addr;
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    server_addr.sin_port = htons(PORT);

    if (bind(server_fd, (sockaddr *)&server_addr, sizeof server_addr) < 0) {
        cerr << "bind failed" << endl;
        close(server_fd);
        return 0;
    }

    if (listen(server_fd, 3) < 0) {
        cerr << "listen failed" << endl;
        close(server_fd);
    }

    fd_set fds_read;
    vector<int> clients;
    while (1) {
        // 清空fd集合
        FD_ZERO(&fds_read);
        ;

        // 添加服务端socket到fd集合
        FD_SET(server_fd, &fds_read);
        int sd_max = server_fd + 1;

        // 添加客户端socket到fd集合
        for (int client_fd : clients) {
            FD_SET(client_fd, &fds_read);
            sd_max = max(sd_max, client_fd + 1);
        }

        // 监听 select 监听多个套接字
        int activity = select(sd_max, &fds_read, nullptr, nullptr, nullptr);
        if (activity < 0) {
            cerr << "select error" << endl;
            return 0;
        }

        // 是否是新连接
        if (FD_ISSET(server_fd, &fds_read)) {
            int client_fd = accept4(server_fd, nullptr, nullptr, SOCK_NONBLOCK);
            if (client_fd < 0) {
                cerr << "accept4 failed" << endl;
                return 0;
            }
            clients.emplace_back(client_fd);
            cout << "New connection, socket fd is " << client_fd << endl;
        }

        // 处理客户端发来的消息
        for (auto it = clients.begin(); it != clients.end();) {
            int client_fd = *it;
            bool should_remove = false;

            if (FD_ISSET(client_fd, &fds_read)) {
                string buffer(BUFFER_SIZE, 0);
                int read_len = read(client_fd, buffer.data(), BUFFER_SIZE);
                if (read_len < 0) {
                    if (!(errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK)) {
                        cerr << "Read error: " << endl;
                        should_remove = true;
                    }
                } else if (read_len == 0) {
                    // 连接断开
                    cout << "Connection closed" << endl;
                    should_remove = true;
                } else {
                    cout << "Received:" << buffer.substr(0, read_len) << endl;
                    // 回显收到的消息
                    string message = "Echo:" + buffer.substr(0, read_len);
                    write(client_fd, message.data(), message.size());
                }
            }
            if (should_remove) {
                close(client_fd);
                it = clients.erase(it);
            } else ++it;
        }
    }
    close(server_fd);
    return 0;
}

三、Poll

poll比select性能好一点，但是比epoll弱，而且都只能在Linux下使用,所以实际开发中根本用不到，直接学epoll吧。

四、Epoll

对于epoll的学习，首先第一关肯定是弄明白什么是水平触发，什么是边缘触发了

1、触发方式

水平触发 (Level Triggered, LT)
- 这是epoll的默认工作模式。
- 如果用户程序没有一次性将fd上的数据全部读完，那么下次调用epoll_wait时，它还会通知这个fd。
- 优点
  - 编程更简单，不容易遗漏事件。
- 缺点
  - 可能会导致频繁的系统调用，效率相对较低。
边缘触发 (Edge Triggered, ET)
- 如果用户程序没有一次性将fd上的数据全部读完，epoll不会再次通知。
- 通常需要用非阻塞I/O，并要注意循环读取直到出现EAGAIN错误。
- 优点
  - 系统调用次数少，效率高。
- 缺点
  - 编程较复杂，如果处理不当可能会导致事件丢失。

2、头文件

<sys/epoll.h> 主要的epoll头文件
<unistd.h> 用于close()
<fcntl.h> 用于fcntl()，设置非阻塞模式
<errno.h> 用于errno变量，错误处理

3、api 解释

3.1 epoll_create()

创建epoll实例

int epoll_create1(int size);

参数
- size >0
返回值
- 成功时返回新的 epoll 文件描述符。
- 失败时返回 -1，并设置 errno。

3.2 epoll_create1()