I/O複用：select, pselect, poll, epoll.

• 注意:本文主要介紹的是epoll相關知識,無法確保正確

1. 相關問題：

• 1.1 什麼是I/O複用？
• 1.2 四個I/O複用方法相關知識點？
• 1.3 四個I/O複用方法的比較？
• 1.4 epoll有哪些觸發模式？有何區別？
• 1.5 select 什麼情況下返回？
• 1.6 如果select返回可讀，結果只讀到0位元組，什麼情況？
• 1.7 兩個epoll等待同一個檔案描述符會發生什麼？［事件發生時會同時返回給兩個epoll例項］
• 1.8 如果epoll 把自己epoll_create()返回的描述符放入自己檔案描述符集裡面，會有發生什麼情況？
• 1.9 如何設計大規模的併發模型？

［參見man epoll手冊後面的９個問題］

2.拓展問題：

• 2.1 什麼是執行緒安全？

3. 解答

3.1 什麼是I/O複用？

• I/O複用(I/O multiplexing): 單個執行緒通過記錄跟蹤每一個I/O流的狀態來同時管理多個I/O流．

3.2 四個I/O複用方法相關知識點？

• poll 和 select的工作機制是：核心遍歷所有監聽中的檔案描述符,返回”準備好”的檔案描述符的個數.

3.2.1 select：

　1). 原型：

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

       void FD_CLR(int fd, fd_set *set);
       int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set);
       void FD_SET(int fd, fd_set *set);
       void FD_ZERO(fd_set *set);

　2). 說明：

• 永遠等待: timeout == NULL；
• 不等待: timeout->tv_sec == 0 && timeout->tv_usec == 0；
• 等待指定時間: timeout->tv_sec != 0 || timeout->tv_usec != 0；
• 宣告描述符集以後，必須用FD_ZERO將描述符集置０!
• 當第2,3,4個引數都為NULL時，select 只作為定時器．
• 返回：-1: 出錯；0: 沒有描述符準備好；>0: 準備好的描述符的個數．
• 描述符阻塞與否不影響select是否阻塞．
• select關注的最大描述符數是：FD_SETSIZE, 一般為1024.(對於一般程式來說太大了)

3.2.2 pselect:

　1). 原型：

       int pselect(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,
                   fd_set *exceptfds, const struct timespec *timeout,
                   const sigset_t *sigmask);

　和pselect 的區別在於：
　timespec 結構是s+ns(秒+納秒)級別，且為const修飾的．(select 是s+ms)
　pselect 可使用可選訊號遮蔽字．

3.2.3 poll和ppoll:

　1). 原型：

       #include <poll.h>

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

       #define _GNU_SOURCE         /* See feature_test_macros(7) */
       #include <poll.h>

       int ppoll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds,
               const struct timespec *timeout_ts, const sigset_t *sigmask);

　2). 說明：

• struct pollfd結構：
  
struct pollfd {
int fd; /* file descriptor */
short events; /* requested events，interest */
short revents; /* returned events ，occurred */
};

• timeout == -1:永遠等待
• timeout == 0:　不等待
• timeout > 0: 等待timeout**毫秒**!
• 結構中的events是感興趣的事件；revents是發生(返回)的事件．
• poll關注的描述符數為nfds(第二個引數)，一般為unsigned long 型.

3.2.4 epoll:

• 由於select和poll的侷限性，linux 2.6 核心引入了event poll(epoll)機制．
• epoll的工作原理是:建立一個epoll上下文->新增/刪除檔案描述符到epoll上下文(描述符集)->事件等待,記錄發生事件的檔案描述符.

1). 可以通過epoll_create()[不贊成使用]和epoll_create1()建立一個epoll上下文[開啟一個epoll檔案描述符].

• 原型:

       #include <sys/epoll.h>

       int epoll_create(int size);
       int epoll_create1(int flags);

• 引數說明:

  • 從linux 2.6.8後,size就被忽略了(但必須大於0)
  • 當flags==0時,epoll_create1()功能和epoll_create()功能一樣;
    flags==EPOLL_CLOEXEC時,新檔案描述符中會設定close-on-exec (FD_CLOEXEC)標誌.(見man 2 open)

• 返回:

  • 返回值是一個檔案描述符,但是此檔案描述符和真實檔案沒有關係.當不用的時候,應當close().
  • 當返回-1時,代表出錯,errno被設定:

    EINVAL: 無效的flags;[size不是正數]
    EMFILE: 達到使用者能開啟最大檔案數;
    ENFILE: 達到系統能開啟的最大檔案數;
    ENOMEM: 記憶體不足.

2). 可以通過epoll_ctl()新增或刪除檔案描述符到epoll上下文.

• 原型:

    int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

• 說明:

  • 引數op的值:

        EPOLL_CTL_ADD: 指定fd新增到epfd關聯的epoll上下文中,event定義事件;
        EPOLL_CTL_DEL: 刪除;
        EPOLL_CTL_MOD: 修改指定fd的event(監聽行為).

  • struct epoll_event:

       typedef union epoll_data {
           void        *ptr;
           int          fd;
           uint32_t     u32;
           uint64_t     u64;
       } epoll_data_t;
    
       struct epoll_event {
           uint32_t     events;      /* Epoll events */
           epoll_data_t data;        /* User data variable */
       };

  • events 是一個位集(bit set), 可用的值有:

       EPOLLIN: 可讀.
       EPOLLOUT: 可寫.
       EPOLLPRI: 高優先順序資料可讀.
       EPOLLERR: 錯誤條件發生在關聯的檔案描述符中.(epoll_wait總是等待這個事件,不需要把它設定在events中.)
       EPOLLHUP: 結束通話(hangup)發生.(epoll_wait總是等待這個事件,不需要把它設定在events中.)
       EPOLLET: 指定檔案描述符設定為邊緣觸發(預設動作是水平觸發).
                需要用EPOLL_CTL_MOD呼叫epoll_ctl()重新設定事件才能再監聽.
       EPOLLRDHUP (since Linux 2.6.17): (Stream socket)關閉連線或半關閉寫連線.
                (This flag is  especially  useful  for  writing simple code to detect peer shutdown when using Edge Triggered monitoring.)

  • 返回值: 成功0,失敗-1,errno唄設定:

       EBADF: epfd或fd不是有效的檔案描述符.
       EEXIST: op是 EPOLL_CTL_ADD,但fd已經註冊過了.
       EINVAL: epfd不是一個epoll檔案描述符或fd和epfd相同或op所請求的操作不被支援.
       ENOENT: op是EPOLL_CTL_MOD或EPOLL_CTL_DEL,但fd還沒有註冊.
       ENOMEM: 記憶體不足.
       ENOSPC: 達到最大監聽數目.[?,百度一下]
       EPERM: 目標fd不支援epoll.

3).等待一個I/O事件發生.

• 原型:

     #include <sys/epoll.h>
  
     int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events,
                    int maxevents, int timeout);
     int epoll_pwait(int epfd, struct epoll_event *events,
                    int maxevents, int timeout,
                    const sigset_t *sigmask);

• 說明:

  • epoll_wait()等待/收集監聽事件中已經發生的事件.
  • events: 分配好記憶體的結構陣列.
  • maxevents: 使用者指定的events結構陣列的大小(events的最大數目).[這個引數不是很理解.]
  • timeout: -1未定義; 0立即返回,>0指定毫秒.
    返回: 0超時,>0發生事件數目,-1錯誤,errno被設定:
    

       EBADF: epfd不是有效檔案描述符
       EFAULT: 程序對events指向的記憶體沒有寫許可權.
       EINTR: 呼叫在事件發生或超時前被訊號中斷.
       EINVAL: epfd不是一個epoll檔案描述符,或maxevents<=0.

• epoll_wait()和epoll_pwait()的關係:

         ready = epoll_pwait(epfd, &events, maxevents, timeout, &sigmask);

  等於

         sigset_t origmask;
  
         sigprocmask(SIG_SETMASK, &sigmask, &origmask);
         ready = epoll_wait(epfd, &events, maxevents, timeout);
         sigprocmask(SIG_SETMASK, &origmask, NULL);

  當sigmask==NULL的時候,兩個函式相等.

4). 邊緣觸發和水平觸發［摘自man epoll］

• 用於讀管道的檔案描述符rfd在epoll例項中註冊了.
• writer在寫端寫2kB資料到管道.
• 此時呼叫epoll_wait()會返回rfd,作為”準備好”讀的檔案描述符.
• reader通過rfd從管道讀取1KB資料.
• 然後再呼叫一次epoll_wait(). //邊緣觸發和水平觸發的區別在這裡體現.
  
  • 當在步驟1中註冊使用水平觸發(EPOLLLT)時,步驟5會和步驟3一樣返回rfd,因為此時管道中還有資料.
  • 當使用邊緣觸發(EPOLLET)時,步驟5將可能掛起,儘管有效的資料還在輸入緩衝區中,同時,資料傳送端(寫端)可能還在等待一個反饋.發生這種情況的原因是:邊緣觸發只在檔案描述符狀態發生改變的時候才遞交事件.所以，在步驟５中呼叫者可能會不再等待已經在輸入緩衝區中的資料．
  • 在上面的例子中，rfd上的事件發生後，步驟２寫資料，事件在步驟３銷燬（但輸入緩衝還有資料）．因此如果步驟４讀資料但沒有全部讀完，那麼步驟５呼叫epoll_wait()可能未定義地阻塞．
  • 一個程式如果用了EPOLLET標誌的話，應該使用非阻塞檔案描述符來避免讀/寫阻塞把處理多個檔案描述符的任務餓死．
  • 使用邊緣觸發的epoll時，建議：
    
    • 使用非阻塞檔案描述符
    • 只在read()或write()返回EAGAIN後才等待一個事件(epoll_wait())．

3.3 四個I/O複用方法的比較？

3.3.1 select的問題:

• select 會修改傳入的引數陣列，對於一個需要呼叫很多次的函式，是非常不友好的。
• select 遍歷陣列，看哪個準備好，陣列越大，所需時間越長．
• 描述符上(I/O stream)出現了資料（準備好可讀可寫異常），select 僅僅返回準備好的描述符個數，並不會告訴你是哪個描述符．
• select 只能監視1024個描述符．
• select 不是執行緒安全的
• 核心 / 使用者空間記憶體拷貝問題，select需要複製大量的控制代碼資料結構，產生巨大的開銷

3.3.2 poll:

• poll的個數限制為unsigned long.
• poll 不修改引數陣列．
• poll 仍然不是執行緒安全的．

3.3.3 epoll:

• epoll把以上問題都解決了並且加入了一些新特性．（特性不知．．）

3.4 epoll有哪些觸發模式？有何區別？

• 見3.2.4節關於epoll的知識點說明．

3.5 select 什麼情況下返回？

• 偵聽到檔案描述符可讀/可寫/異常時．

3.6 如果select返回可讀，結果只讀到0位元組, 為什麼？

• 讀到了檔案尾．［EOF］
• 如果在一個檔案描述符上碰到檔案尾端，則select會認為該描述符可讀．然後呼叫read()返回０，這是UNIX系統指示到檔案尾端的方法．［摘自<＜unix環境高階程式設計(第３版)＞>p407］

3.7 兩個epoll等待同一個檔案描述符會發生什麼？

• 事件發生時會同時返回給兩個epoll例項

3.8 如果epoll 把自己epoll_create()返回的描述符放入自己檔案描述符集裡面，會有發生什麼情況？

• epoll_ctl會失敗(EINVAL)，但可以把自己的檔案描述符放到別的epoll描述符集裡面.

3. 9 如何設計大規模的併發模型？

• ．．．

4. 拓展問題

4.1 什麼是執行緒安全？

• 多執行緒訪問同一段程式碼，不會產生不確定的結果，就是執行緒安全的。

5. 參考資料

5.1 知乎答案
5.2 <＜Unix 環境高階程式設計(第３版)＞>
5.3 <＜Linux系統程式設計＞>