GaussDB(DWS)中多路IO复用介绍
【摘要】 多路IO复用是一种同步IO模型，实现一个线程可以监视多个文件句柄；一旦某个文件句柄就绪，就能够通知应用程序进行相应的读写操作；没有文件句柄就绪时会阻塞应用程序，交出cpu。多路是指网络连接，复用指的是同一个线程。多路IO复用共有三种实现模式：selectpollepoll1、select1.1 select进行IO复用原理当一个客户端连接上服务器时，服务器就将其连接的fd加入fd_set集合...
多路IO复用是一种同步IO模型，实现一个线程可以监视多个文件句柄；一旦某个文件句柄就绪，就能够通知应用程序进行相应的读写操作；没有文件句柄就绪时会阻塞应用程序，交出cpu。多路是指网络连接，复用指的是同一个线程。
多路IO复用共有三种实现模式：
-
select -
poll -
epoll
1、select
1.1 select进行IO复用原理
当一个客户端连接上服务器时，服务器就将其连接的fd加入fd_set集合，等到这个连接准备好读或写的时候，就通知程序进行IO操作，与客户端进行数据通信。大部分 Unix/Linux 都支持 select 函数，该函数用于探测多个文件描述符的状态变化。
1.2 select函数原型
int select(
int maxfdp, //Winsock中此参数无意义
fd_set* readfds, //进行可读检测的Socket
fd_set* writefds, //进行可写检测的Socket
fd_set* exceptfds, //进行异常检测的Socket
const struct timeval* timeout //非阻塞模式中设置最大等待时间
)1.3 使用select的步骤
- 创建所关注的事件的描述符集合（fd_set)，对于一个描述符，可以关注其上面的读(read)、写(write)、异常(exception)事件，所以通常，要创建三个fd_set，一个用来收集关注读事件的描述符，一个用来收集关注写事件的描述符，另外一个用来收集关注异常事件的描述符集合。
- 调用select()等待事件发生。这里需要注意的一点是，select的阻塞与是否设置非阻塞I/O是没有关系的。
- 轮询所有fd_set中的每一个fd，检查是否有相应的事件发生，如果有，就进行处理。
2、poll
poll本质上和select没有太大区别，都是先创建一个关注事件的描述符的集合，然后再去等待这些事件发生，然后再轮询描述符集合，检查有没有事件发生，如果有，就进行处理。
2.1 Poll使用流程
- 创建描述符集合，设置关注的事件
- 调用poll()，等待事件发生。下面是poll的原型：
int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
类似select，poll也可以设置等待时间，效果与select一样。
类似select，poll也可以设置等待时间，效果与select一样。
- 轮询描述符集合，检查事件，处理事件。
2.2 与select区别
select需要为读、写、异常事件分别创建一个描述符集合，最后轮询的时候，需要分别轮询这三个集合。而poll只需要一个集合，在每个描述符对应的结构上分别设置读、写、异常事件，最后轮询的时候，可以同时检查三种事件。
它没有最大连接数的限制，原因是它是基于链表来存储的。
它没有最大连接数的限制，原因是它是基于链表来存储的。
2.3 poll的缺点
- 大量的fd的数组被整体复制于用户态和内核地址空间之间，而不管这样的复制是不是有意义。
- poll还有一个特点是“水平触发”，如果报告了fd后，没有被处理，那么下次poll时会再次报告该fd。
3、epoll
poll和select，它们的最大的问题就在于效率。它们的处理方式都是创建一个事件列表，然后把这个列表发给内核，返回的时候，再去轮询检查这个列表，这样在描述符比较多的应用中，效率就显得比较低下了。
epoll是一种比较好的做法，它把描述符列表交给内核，一旦有事件发生，内核把发生事件的描述符列表通知给进程，这样就避免了轮询整个描述符列表。
epoll支持水平触发和边缘触发，最大的特点在于边缘触发，它只告诉进程哪些fd刚刚变为就绪态，并且只会通知一次。还有一个特点是，epoll使用“事件”的就绪通知方式，通过epoll_ctl注册fd，一旦该fd就绪，内核就会采用类似callback的回调机制来激活该fd，epoll_wait便可以收到通知。
epoll与select和poll的调用接口上的不同：select和poll都只提供了一个函数——select或者poll函数。而epoll提供了三个函数，epoll_create,epoll_ctl和epoll_wait
，epoll_create是创建一个epoll句柄；epoll_ctl是注册要监听的事件类型；epoll_wait则是等待事件的产生。
3.1 epoll的使用步骤
- 创建一个epoll描述符，调用epoll_create()来完成。epoll_create()有一个整型的参数size，用来告诉内核，要创建一个有size个描述符的事件列表（集合）。
- 给描述符设置所关注的事件，并把它添加到内核的事件列表中。这里需要调用epoll_ctl()来完成。
- 等待内核通知事件发生，得到发生事件的描述符的结构列表。该过程由epoll_wait()完成。得到事件列表后，就可以进行事件处理了。
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout)
3.2 epoll的LT和ET的区别
水平触发和边缘触发的区别：只要句柄满足某种状态，水平触发就会发出通知；而只有当句柄状态改变时，边缘触发才会发出通知。
- LT：水平触发，效率会低于ET触发，尤其在大并发，大流量的情况下。但是LT对代码编写要求比较低，不容易出现问题。LT模式服务编写上的表现是：只要有数据没有被获取，内核就不断通知你，因此不用担心事件丢失的情况。
- ET：边缘触发，效率非常高，在并发，大流量的情况下，会比LT少很多epoll的系统调用，因此效率高。但是对编程要求高，需要细致的处理每个请求，否则容易发生丢失事件的情况。
- 没有最大并发连接的限制，能打开FD的上限远大于1024（1G的内存上能监听约10万个端口）；
- 效率提升。不是轮询的方式，不会随着FD数目的增加效率下降。只有活跃可用的FD才会调用callback函数；即epoll最大的优点就在于它只管你“活跃”的连接，而跟连接总数无关，因此在实际的网络环境中，epoll的效率就会远远高于select和poll。
- 内存拷贝。epoll通过内核和用户空间共享一块内存来实现消息传递的。利用mmap()文件映射内存加速与内核空间的消息传递；即epoll使用mmap 减少复制开销。epoll保证了每个fd在整个过程中只会拷贝一次（select，poll每次调用都要把fd集合从用户态往内核态拷贝一次）。
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