Linux面試題2：網(wǎng)絡(luò)IO模型 & IO多路復(fù)用
網(wǎng)絡(luò)IO
先確定一下范圍，我們討論的都是網(wǎng)絡(luò)IO，現(xiàn)階段計算機早已經(jīng)從CPU密集型轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)IO密集型，所以網(wǎng)絡(luò)io的類型對于服務(wù)響應(yīng)而言更重要。
五種IO模型
依據(jù)Unix的IO分類，網(wǎng)絡(luò)IO分為五類
阻塞IO（BlockingIO
非阻塞IO（Non-Blocking IO
IO多路復(fù)用（ IO Multiplexing
信號驅(qū)動IO（signal driven IO
異步IO（async IO
內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)
可見另一篇文章
網(wǎng)絡(luò)IO的兩階段階段
等待網(wǎng)卡讀就緒 —> 將網(wǎng)卡數(shù)據(jù)復(fù)制奧內(nèi)核緩沖區(qū)
將內(nèi)核緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)復(fù)制到用戶空間
其中：第一階段主要用來區(qū)分是否是阻塞IO
阻塞與非阻塞
進行一個IO操作之后，無論是否有數(shù)據(jù)、是否就緒，是否會立刻返回而不阻塞用戶進程的邏輯。
當(dāng)用戶進程發(fā)出read操作時，如果kernel中的數(shù)據(jù)沒有準(zhǔn)備好，不會block用戶進程，而是返回一個EAGAIN err。從用戶的角度而言，發(fā)起一個讀操作，不需要等待，馬上得到了一個結(jié)果。
一旦kernel的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了，收到用戶進程的一個systemcall，就會馬上把數(shù)據(jù)拷貝到用戶內(nèi)存，然后返回。
同步與異步
第二階段，內(nèi)核將數(shù)據(jù)拷貝到用戶空間是否是同步進行的，決定是否是異步IO；除了aync IO以外其他都是同步的IO模型。
面試回答
概述
IO多路復(fù)用實際就是select/poll/epoll這些多路選擇器，使用一個線程同時監(jiān)聽多個文件描述符(fd_set), I/O事件，阻塞等待并且在某個文件描述符可讀寫時收到通知。linux在處理網(wǎng)絡(luò)IO連接時的優(yōu)化，復(fù)用的不是I/O連接，而是復(fù)用的是線程，讓一個線程處理多個連接。
select/poll/epoll
選擇器運行邏輯特點缺點select1.最大并發(fā)數(shù)限制； 2.每次調(diào)用select，需要把fd_set集合拷貝到內(nèi)核態(tài)；3.性能衰減嚴(yán)重pollpoll與select類似，只是沒有最大并發(fā)數(shù)限制epoll
select
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
// 和 select 緊密結(jié)合的四個宏：
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);
運行邏輯
fd_set如果是1 字節(jié)byte， 1byte = 8bit，每一個bit可以表示一個文件描述符fd，則1byte的fd_set最大可以對應(yīng)8個fd
執(zhí)行 FD_ZERO(&set), 則 set 用位表示是 0000,0000
若 fd＝5, 執(zhí)行 FD_SET(fd, &set); 后 set 變?yōu)?0001,0000(第 5 位置 為 1)
再加入 fd＝2, fd=1，則 set 變?yōu)?0001,0011
執(zhí)行 select(6, &set, 0, 0, 0) 阻塞等待
若 fd=1, fd=2 上都發(fā)生可讀事件，則 select 返回，此時 set 變?yōu)?0000,0011 (注意：沒有事件發(fā)生的 fd=5 被清空)
特點
可以監(jiān)控的文件描述符個數(shù)取決于 sizeof（fd_set）的值。如果 sizeof（fd_set） = 512， 每個bit表示一個文件描述符， 512 * 8 = 4096。
需要拷貝 fd_set，轉(zhuǎn)換成一個array
需要循環(huán)fd_set，線性掃描整個fd_set
缺點
epoll
epoll是Linux Kernel 2.6之后引入的IO事件驅(qū)動技術(shù)，本質(zhì)上還是一個線程處理所有鏈接的等待消息準(zhǔn)備好IO事件。但是 當(dāng)數(shù)十萬的并發(fā)連接存在時，可能每一毫秒豬油數(shù)百個活躍的鏈接，同時其余數(shù)十萬連接在這一毫秒是非活躍的，而select&poll的使用方法是?返回的活躍鏈接 == select(全部帶監(jiān)控的連接)
高頻調(diào)用的接口是select()方法，而這個方法任何輕微的效率損失都會被高頻兩個字放大。epoll解決了這個問題.
#include <sys/epoll.h> ?
int epoll_create(int size); // int epoll_create1(int flags);
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);
epoll的工作原理如下圖：
epoll_ctl 來插入和刪除一個fd，實現(xiàn)從用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的拷貝，確保每一個fd只在生命周期一次拷貝。
epoll使用紅黑樹存儲所有監(jiān)控的fd，紅黑樹的時間復(fù)雜度O(logN)。
每一個fd有一個關(guān)鍵步驟：fd回合相應(yīng)的設(shè)備（網(wǎng)卡、硬盤）驅(qū)動程序建立一個回調(diào)關(guān)系，在fd相應(yīng)的時間出發(fā)之后，內(nèi)核就會調(diào)用這個回調(diào)函數(shù)，ep_poll_callback,這個回調(diào)函數(shù)會把fd添加到fdllist的雙向鏈表（就緒列表之中）epoll_wait這個就是檢查是否有就緒的fd，所以非常高效。
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