1.同步阻塞迭代模型
同步阻塞迭代模型是最簡單的一種IO模型。
其核心代碼如下：
bind(srvfd);
listen(srvfd);
for(;;){
clifd = accept(srvfd,...); //開始接受客戶端來的連接
read(clifd,buf,...); //從客戶端讀取數據
dosomthingonbuf(buf);
write(clifd,buf) //發送數據到客戶端
}
上面的程序存在如下一些弊端：accept,read,write都可能阻塞
1）如果沒有客戶端的連接請求，進程會阻塞在accept系統調用處，程序不能執行其他任何操作。(系統調用使得程序從用戶態陷入內核態)
2）在與客戶端建立好一條鏈路後，通過read系統調用從客戶端接受數據，而客戶端合適發送數據過來是不可控的。如果客戶端遲遲不發生數據過來，則程序同樣會阻塞在read調用，此時，如果另外的客戶端來嘗試連接時，都會失敗。
3）同樣的道理，write系統調用也會使得程序出現阻塞(例如：客戶端接受數據異常緩慢，導致寫緩衝區滿，數據遲遲發送不出)。
2.多進程併發模型
同步阻塞迭代模型有諸多缺點。多進程併發模型在同步阻塞迭代模型的基礎上進行了一些改進，以避免是程序阻塞在read系統調用上。
多進程模型核心代碼如下：
bind(srvfd);
listen(srvfd);
for(;;){
clifd=accept(srvfd,...);//開始接受客戶端來的連接
ret=fork();
switch(ret)
{
case-1:
do_err_handler();
break;
case0 : // 子進程
client_handler(clifd);
break;
default: // 父進程
close(clifd);
continue;
}
}
//======================================================
voidclient_handler(clifd){
read(clifd,buf,...); //從客戶端讀取數據
dosomthingonbuf(buf);
write(clifd,buf) //發送數據到客戶端
}
上述程序在accept系統調用時，如果沒有客戶端來建立連接，擇會阻塞在accept處。一旦某個客戶端連接建立起來，則立即開啓一個新的進程來處理與這個客戶的數據交互。避免程序阻塞在read調用，而影響其他客戶端的連接。
3.多線程併發模型
在多進程併發模型中，每一個客戶端連接開啓fork一個進程，雖然linux中引入了寫實拷貝機制，大大降低了fork一個子進程的消耗，但若客戶端連接較大，則系統依然將不堪負重。通過多線程(或線程池)併發模型，可以在一定程度上改善這一問題。
在服務端的線程模型實現方式一般有三種：
（1）按需生成(來一個連接生成一個線程)
（2）線程池(預先生成很多線程)
（3）Leader follower（LF）
爲簡單起見，以第一種爲例，其核心代碼如下：
void *thread_callback( void *args ) //線程回調函數
{
int clifd = *(int *)args ;
client_handler(clifd);
}
//===============================================================
void client_handler(clifd){
read(clifd,buf,...); //從客戶端讀取數據
dosomthingonbuf(buf);
write(clifd,buf) //發送數據到客戶端
}
//===============================================================
bind(srvfd);
listen(srvfd);
for(;;){
clifd = accept();
pthread_create(...,thread_callback,&clifd);
}
服務端分爲主線程和工作線程，主線程負責accept()連接，而工作線程負責處理業務邏輯和流的讀取等。因此，即使在工作線程阻塞的情況下，也只是阻塞在線程範圍內，對繼續接受新的客戶端連接不會有影響。
第二種實現方式，通過線程池的引入可以避免頻繁的創建、銷燬線程，能在很大程序上提升性能。但不管如何實現，多線程模型先天具有如下缺點：
1）穩定性相對較差。一個線程的崩潰會導致整個程序崩潰。
2）臨界資源的訪問控制，在加大程序複雜性的同時，鎖機制的引入會是嚴重降低程序的性能。性能上可能會出現“辛辛苦苦好幾年，一夜回到解放前”的情況。
4.IO多路複用模型之select/poll
多進程模型和多線程(線程池)模型每個進程/線程只能處理一路IO，在服務器併發數較高的情況下，過多的進程/線程會使得服務器性能下降。而通過多路IO複用，能使得一個進程同時處理多路IO，提升服務器吞吐量。
在Linux支持epoll模型之前，都使用select/poll模型來實現IO多路複用。
以select爲例，其核心代碼如下：
bind(listenfd);
listen(listenfd);
FD_ZERO(&allset);
FD_SET(listenfd,&allset);
for(;;){
select(...);
if(FD_ISSET(listenfd,&rset)){ /*有新的客戶端連接到來*/
clifd=accept();
cliarray[]=clifd; /*保存新的連接套接字*/
FD_SET(clifd,&allset); /*將新的描述符加入監聽數組中*/
}
for(;;){ /*這個for循環用來檢查所有已經連接的客戶端是否由數據可讀寫*/
fd=cliarray[i];
if(FD_ISSET(fd,&rset))
dosomething();
}
}
示例代碼：
/*************************************************************************
> Description:使用select函數實現I/O複用服務器端
************************************************************************/
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<sys/socket.h>
#include<sys/time.h>
#include<sys/select.h>
void error_handling(char *message);
#define BUFF_SIZE 32
int main(int argc, char *argv[])
{
int server_sock;
int client_sock;
struct sockaddr_in server_addr;
struct sockaddr_in client_addr;
socklen_t client_addr_size;
char buff[BUFF_SIZE];
fd_set reads, reads_init;
struct timeval timeout, timeout_init;
int str_len, i, fd_max, fd_num;
if(argc!=2){ //命令行中啓動服務程序僅限一個參數：端口號
printf("Usage : %s <port>\n", argv[0]);
exit(1);
}
//調用socket函數創建套接字
server_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if(-1 == server_sock){
error_handling("socket() error.");
}
memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
server_addr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));
//調用bind函數分配IP地址和端口號
if( -1 == bind( server_sock, (struct sockaddr*)&server_addr,
sizeof(server_addr)) ){
error_handling("bind() error");
}
//監聽端口的連接請求,連接請求等待隊列size爲5
if( -1 == listen(server_sock, 5) ){
error_handling("listen() error");
}
//register fd_set var
FD_ZERO(&reads_init);
FD_SET(server_sock, &reads_init);//monitor socket: server_sock
FD_SET(0, &reads_init);// stdin also works
fd_max = server_sock;
//
timeout_init.tv_sec = 5;
timeout_init.tv_usec= 0;
while(1){
//調用select之後，除發生變化的文件描述符對應的bit，其他所有位置0，所以需用保存初值，通過複製使用
reads = reads_init;
//調用select之後，timeval成員值被置爲超時前剩餘的時間，因此使用時也需要每次用初值重新初始化
timeout = timeout_init;
fd_num = select(fd_max+1, &reads, NULL, NULL, &timeout);
if(fd_num < 0){
fputs("Error select()!", stderr);
break;
}else if(fd_num == 0){
puts("Time-out!");
continue;
}
for(i=0; i<=fd_max; i++){
if(FD_ISSET(i, &reads)){
if(i == server_sock){//connection request!
//接受連接請求
client_addr_size = sizeof(client_addr);
client_sock = accept( server_sock, (struct sockaddr*)&client_addr, &client_addr_size );
//accept函數自動創建數據I/0 socket
if(-1 == client_sock){
error_handling("accept() error");
//健壯性不佳，程序崩潰退出
} else{
//註冊與客戶端連接的套接字文件描述符
FD_SET(client_sock, &reads_init);
if(fd_max < client_sock) fd_max = client_sock;
printf("Connected client : %d\n", client_sock);
}
}else{//read message!
str_len = read(i, buff, BUFF_SIZE);
if(str_len){//echo to client
buff[str_len] = 0;
printf("Message from client %d: %s", i, buff);
write(i, buff, str_len);
}else{ //close connection
FD_CLR(i, &reads_init);
close(i);
printf("Disconnected client %d!\n", i);
}
}//end of i==|!=server_sock
}//end of if(FD_ISSET)
}//end of while
}//end of for
//斷開連接，關閉套接字
close(server_sock);
return 0;
}
void error_handling(char *message)
{
fputs(message, stderr);
fputc('\n', stderr);
exit(EXIT_FAILURE);
}
select IO多路複用同樣存在一些缺點，羅列如下：
- 單個進程能夠監視的文件描述符的數量存在最大限制，通常是1024，當然可以更改數量，但由於select採用輪詢的方式掃描文件描述符，文件描述符數量越多，性能越差；(在linux內核頭文件中，有這樣的定義：#define __FD_SETSIZE 1024)
- 內核 / 用戶空間內存拷貝問題，select需要複製大量的句柄數據結構，產生巨大的開銷；
- select返回的是含有整個句柄的數組，應用程序需要遍歷整個數組才能發現哪些句柄發生了事件；
- select的觸發方式是水平觸發，應用程序如果沒有完成對一個已經就緒的文件描述符進行IO操作，那麼之後每次select調用還是會將這些文件描述符通知進程。
相比select模型，poll使用鏈表保存文件描述符，因此沒有了監視文件數量的限制，但其他三個缺點依然存在。
拿select模型爲例，假設我們的服務器需要支持100萬的併發連接，則在__FD_SETSIZE 爲1024的情況下，則我們至少需要開闢1k個進程才能實現100萬的併發連接。除了進程間上下文切換的時間消耗外，從內核/用戶空間大量的無腦內存拷貝、數組輪詢等，是系統難以承受的。因此，基於select模型的服務器程序，要達到10萬級別的併發訪問，是一個很難完成的任務。
5.IO多路複用模型之epoll
epoll IO多路複用：一個看起來很美好的解決方案。
由於epoll的實現機制與select/poll機制完全不同，上面所說的 select的缺點在epoll上不復存在。
設想一下如下場景：有100萬個客戶端同時與一個服務器進程保持着TCP連接。而每一時刻，通常只有幾百上千個TCP連接是活躍的(事實上大部分場景都是這種情況)。如何實現這樣的高併發？
在select/poll時代，服務器進程每次都把這100萬個連接告訴操作系統(從用戶態複製句柄數據結構到內核態)，讓操作系統內核去查詢這些套接字上是否有事件發生，輪詢完後，再將句柄數據複製到用戶態，讓服務器應用程序輪詢處理已發生的網絡事件，這一過程資源消耗較大，因此，select/poll一般只能處理幾千的併發連接。
epoll的設計和實現與select完全不同。epoll通過在Linux內核中申請一個簡易的文件系統(文件系統一般用什麼數據結構實現？B+樹,實際爲紅黑樹+雙端鏈表)。把原先的select/poll調用分成了3個部分：
1）調用epoll_create()建立一個epoll對象(在epoll文件系統中爲這個句柄對象分配資源)
2）調用epoll_ctl向epoll對象中添加這100萬個連接的套接字
3）調用epoll_wait收集發生的事件的連接
如此一來，要實現上面說是的場景，只需要在進程啓動時建立一個epoll對象，然後在需要的時候向這個epoll對象中添加或者刪除連接。同時，epoll_wait的效率也非常高，因爲調用epoll_wait時，並沒有一股腦的向操作系統複製這100萬個連接的句柄數據，內核也不需要去遍歷全部的連接。
下面來看看Linux內核具體的epoll機制實現思路。
當某一進程調用epoll_create方法時，Linux內核會創建一個eventpoll結構體，這個結構體中有兩個成員與epoll的使用方式密切相關。eventpoll結構體如下所示：
struct eventpoll{
....
/*紅黑樹的根節點，這顆樹中存儲着所有添加到epoll中的需要監控的事件*/
struct rb_root rbr;
/*雙鏈表中則存放着將要通過epoll_wait返回給用戶的滿足條件的事件*/
struct list_head rdlist;
....
};
每一個epoll對象都有一個獨立的eventpoll結構體，用於存放通過epoll_ctl方法向epoll對象中添加進來的事件。這些事件都會掛載在紅黑樹中，如此，重複添加的事件就可以通過紅黑樹而高效的識別出來(紅黑樹的插入時間效率是lgn，其中n爲樹的高度)。
而所有添加到epoll中的事件都會與設備(網卡)驅動程序建立回調關係，也就是說，當相應的事件發生時會調用這個回調方法。這個回調方法在內核中叫ep_poll_callback,它會將發生的事件添加到rdlist雙鏈表中。
在epoll中，對於每一個事件，都會建立一個epitem結構體，如下所示：
structepitem{
structrb_node rbn;//紅黑樹節點
structlist_head rdllink;//雙向鏈表節點
structepoll_filefd ffd; //事件句柄信息
structeventpoll *ep; //指向其所屬的eventpoll對象
structepoll_eventevent;//期待發生的事件類型
}
當調用epoll_wait檢查是否有事件發生時，只需要檢查eventpoll對象中的rdlist雙鏈表中是否有epitem元素即可。如果rdlist不爲空，則把發生的事件複製到用戶態，同時將事件數量返回給用戶。
epoll數據結構示意圖
從上面的講解可知：通過紅黑樹和雙鏈表數據結構，並結合回調機制，造就了epoll的高效。
OK，講解完了Epoll的機理，我們便能很容易掌握epoll的用法了。一句話描述就是：三步曲。
第一步：epoll_create()系統調用。此調用返回一個句柄，之後所有的使用都依靠這個句柄來標識。
第二步：epoll_ctl()系統調用。通過此調用向epoll對象中添加、刪除、修改感興趣的事件，返回0標識成功，返回-1表示失敗。
第三部：epoll_wait()系統調用。通過此調用收集收集在epoll監控中已經發生的事件。
/*************************************************************************
> Description:基於epoll的回聲服務器端
************************************************************************/
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<sys/socket.h>
#include<sys/epoll.h>
void error_handling(char *message);
#define BUFF_SIZE 100
#define EPOLL_SIZE 30
int main(int argc, char *argv[])
{
int sock_server;
int sock_client;
struct sockaddr_in addr_server;
struct sockaddr_in addr_client;
socklen_t size_addr_client;
char buff[BUFF_SIZE];
int str_len, i;
int epfd, count_event;
struct epoll_event *ep_events;
struct epoll_event event;
if(argc!=2){ //命令行中啓動服務程序僅限一個參數：端口號
printf("Usage : %s <port>\n", argv[0]);
exit(1);
}
//調用socket函數創建套接字
sock_server = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if(-1 == sock_server){
error_handling("socket() error.");
}
memset(&addr_server, 0, sizeof(addr_server));
addr_server.sin_family = AF_INET;
addr_server.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
addr_server.sin_port = htons(atoi(argv[1]));
//調用bind函數分配IP地址和端口號
if( -1 == bind( sock_server, (struct sockaddr*)&addr_server,
sizeof(addr_server)) ){
error_handling("bind() error");
}
//監聽端口的連接請求,連接請求等待隊列size爲5
if( -1 == listen(sock_server, 5) ){
error_handling("listen() error");
}
//epoll
epfd = epoll_create(EPOLL_SIZE);
//epfd = epoll_create(0); //epoll_wait() Error
ep_events = (struct epoll_event*)malloc(sizeof(struct epoll_event)*EPOLL_SIZE);
event.events = EPOLLIN;//監視需用讀取數據事件
event.data.fd=sock_server;
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, sock_server, &event);
//
while(1){
count_event = epoll_wait(epfd, ep_events, EPOLL_SIZE, -1);
if(count_event == -1){
puts("epoll_wait() Error");
break;
}
for(i=0; i<count_event; i++){
if(ep_events[i].data.fd == sock_server){
//接受連接請求
size_addr_client = sizeof(addr_client);
sock_client = accept( sock_server, (struct sockaddr*)&addr_client, &size_addr_client);
event.events = EPOLLIN;
event.data.fd = sock_client;
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, sock_client, &event);
printf("Connected client : %d\n", sock_client);
}else{
str_len = read(ep_events[i].data.fd, buff, BUFF_SIZE);
if(str_len){//echo to client
buff[str_len] = 0;
printf("Message from client %d: %s", i, buff);
write(ep_events[i].data.fd, buff, str_len);//echo!
}else{ //close connection
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, ep_events[i].data.fd, NULL);
close(ep_events[i].data.fd);
printf("Disconnected client %d!\n", ep_events[i].data.fd);
}
}//end of if()
}//end of while
}//end of for
//斷開連接，關閉套接字
close(sock_server);
close(epfd);//
return 0;
}
void error_handling(char *message)
{
fputs(message, stderr);
fputc('\n', stderr);
exit(EXIT_FAILURE);
}
轉自： https://blog.csdn.net/qq_29108585/article/details/78177278
