I/O多路复用器之隐秘的角落

上一篇文章讲到了Unix的I/O模型，以及在java中的具体实现，其中在java中我们最为关注的就是 I/O 复用了，这篇主要总结下I/O多路复用器。

概念：文件描述符fd

Linux的内核将所有外部设备都可以看做一个文件来操作。那么我们对与外部设备的操作都可以看做对文件进行操作。我们对一个文件的读写，都通过调用内核提供的系统调用；内核给我们返回一个filede scriptor（fd,文件描述符）。而对一个socket的读写也会有相应的描述符，称为socketfd(socket描述符）。描述符就是一个数字，指向内核中一个结构体（文件路径，数据区，等一些属性）。那么我们的应用程序对文件的读写就通过对描述符的读写完成。

复用器

1. select

int select(int maxfdp1,fd_set *readset,fd_set *writeset,fd_set *exceptset,const struct timeval *timeout)

参数解析

1. readset、writeset、exceptset 指定我们要让内核测试读、写和异常条件的描述符。它们的类型fd_set是一个BitMap的设计，32位操作系统内核设置它1024位，64位操作系统则设置为2048位,拿readset为例，如果描述符为3的读时间被关注，那么readset的第三位会被置为1。
2. maxfdp1 指定待测试对的描述符个数，它的值是待测试的最大描述符加1（如其名），它就是在readset、writeset、exceptset三个描述符集中找出最大描述符编号值，然后加1。表示0~(maxfgp1 - 1)位均将被内核关注。
3. timeout 就是超时时间，它的结构精确到了微秒，相对更为精准；
4. 返回 若有就绪描述符则返回其数目，若超时则返回0，若出错则返回-1；

操作过程

1. select执行，CPU由用户态转为内核态，同时这些参数也拷贝到内核态，由内核进行判断所关注的0~（maxfgp1 - 1）描述符是否有事件，如果没有，则阻塞，如果有，则对有事件发生的FD，进行置位（其实是对没有发生事件的置位为0），select返回；
2. 程序接下来还需要重新遍历0~（maxfgp1 - 1）的FD，对已经被置位的FD进行处理；
3. readset、writeset、exceptset 3个数据对关注的FD置位，因为已经被内核修改了，所以需要每次都要重新设置一下；

缺点

1. FD的数目有上限，意味着最大连接数：x86机器为1024，x64为2048；
2. 每次调用，都会发生上下文切换，而且都需要将3个fd_set数据结构传入内核；
3. fd_set不可重用，每次都需重新置位；
4. 2次对关注FD进行遍历，时间复杂度为O(n);

2. poll

int poll(struct pollfd *fdarray, unsigned nfds,int timeout);

参数解析

1. fdarray

fdarray是一个链表的结构，数据结构如下：

struct pollfd{
    int fd; // 需要关注的文件描述符
    short events;// 关注的事件类型
    short revents;// 发生的事件
}

poll相对于select的改进主要是在这个结构体上，由数组到链表，解决了描述符有上限的问题，并且将结果和参数分离，只需要重置revents就可以了，而不需要重新申请整个结构；

1. nfds 代表元素的个数
2. timeout 超时时间
3. 返回 若有就绪描述符则返回其数目，若超时则返回0，若出错则返回-1；

缺点

经过select->poll的改进，还剩下select的2个缺点、

1. 每次调用，都会发生上下文切换，而且都需要将3个fd_set数据结构传入内核；
2. 2次对关注FD进行遍历，时间复杂度为O(n);

3. epoll

epoll在poll和select的缺点之上做了重大改进，但是逻辑也更为复杂。它有三个函数：

int epoll_create(int size)直接在内核创建保存文件描述符的空间。epoll的结构采用红黑树保存，epoll_create可视为初始化root节点。调用epoll_create所创建的文件描述符保存空间称为“epoll例程”。size值可视为建议值，并非用来决定例程大小；

int epoll_ctl(int epfd,int op,int fd,struct epoll_event *event)向控件注册并注销文件描述符，可视为向红黑树注册描述符，并注册相关事件的相关回调；

int epoll_wait(int epfd,struct epoll_event *events,int maxevents,int timeout):与select函数类似，等待文件描述符发生变化；

参数解析

1. epfd：表示事件发生监视范围的epoll例程的文件描述符
2. events：用于保存发生事件的文件描述符集合的链表
3. maxevents：告诉内核第二个参数events的大小
4. timeout：超时时间

操作过程

存储FD的数据结构直接改由在内核的维护，我们便不再需要重复多次从用户态copy到内核态，只需要实时维护发生变化的FD到内核就可以了；用events来存储发生事件的fd，则无需再遍历整个被关注的描述符集合。

操作模式

epoll对文件描述符的操作有2种模式，默认模式是水平触发。

1. 水平触发（level trigger） 当epoll_wait检测到描述符事件发生并将此事件通知应用程序，应用程序可以不立即处理该事件。下次调用epoll_wait时，会再次响应应用程序并通知此事件。水平触发同时支持block和none-blocking
2. 边缘触发（edge trigger） 当epoll_wait检测到描述符事件发生并将此事件通知应用程序，应用程序必须立即处理该事件。如果不处理，下次调用epoll_wait时，不会再次响应应用程序并通知此事件。边缘触发是高速工作方式，只支持none-blocking

4. 总结