select与poll模型
多进/线程的网络服务端
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为每个客户端连接创建一个进/线程，消耗的资源很多。
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1核2GB的虚拟机，大概可以创建一百多个进/线程。（现实中服务器配置至少是这个的十倍，也就是能创建1000多个进程/线程，只能处理1000个客户端连接，远不能满足需求。）。
IO多路复用
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用一个进程/线程处理多个TCP连接，减少系统开销。
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三种模型：select（1024）、poll（数千，可改）和epoll（百万）。
一、IO多路复用-select模型
1. select模型（上）
网络通讯-读事件 1)已连接队列中有已经准备好的socket(有新的客户端连上来) 2)接收缓存中有数据可以读(对端发送的报文已到达， 3)tcp连接已断开(对端调用close()函数关闭了连接)
网络通讯-写事件 发送缓冲区没有满，可以写入数据（可以向对端发送报文）。
fd_set 本质是32个int型的数组(int[32])，那么32X4X8=1024位，这就是bitmap（位图）。
初始化全为0（没有画出），加入的socket为3 4 6位置将变为1。C语言有四个宏操作位图：
① 用于把socket从位图中删除。
② 判断socket是否在位图中。
③ 用于socket加入位图中。
④ 初始化位图，1024个位置置为0空。
细节：调用select函数有事件发生的时候，会改变bitmap，所以select前需要将bitmap复制一份（备份）tmpfds，对备份进行select。
2. select模型的细节（下）
select模型-写事件
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如果tcp的发送缓冲区没有满，那么，socket连接是可写的（select函数不阻塞，立即返回写事件socket）。
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一般来说，发送缓冲区不容易被填满。
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如果发送的数据量太大，或网络带宽不够，发送缓冲区有填满的可能。
select模型-水平触发
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select0)监视的socket如果发生了事件，select()会返回(通知应用程序处理事件)。
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如果事件没有被处理，再次调用select())的时候会立即再通知。
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如果数据没处理完，那么select会立即触发再次通知。
select模型-性能测试
每个客户端for20w个报文进行send，设置脚本同时启动五个客户端（100w个报文），用了8秒处理完。结论：每秒钟处理12w个业务请求，效率比多进程多线程快很多。
select模型-存在的问题
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采用轮询方式扫描bitmap，"性能会随着socket数量增多而下降。
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每次调用 select()，select里面会修改bitmap，需要拷贝bitmap。
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程序运行在用户态，网络通信在内核，调用select会将bitmap从用户态拷贝到内核态，bitmap被拷贝两次，如果每秒要拷贝很多次没开销也比较大。
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bitmap的大小(单个进/线程打开的socket数量)由FDSETSIZE宏设置，默认是 1024 个，可以修改，但是，效率将更低。
代码实现：
/*
* 程序名：tcpselect.cpp，此程序用于演示采用select模型实现网络通讯的服务端。
* 作者：张咸武
*/
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/fcntl.h>
// 初始化服务端的监听端口。
int initserver(int port);
int main(int argc,char *argv[])
{
if (argc != 2) { printf("usage: ./tcpselect port\n"); return -1; }
// 初始化服务端用于监听的socket。
int listensock = initserver(atoi(argv[1]));
printf("listensock=%d\n",listensock);
if (listensock < 0) { printf("initserver() failed.\n"); return -1; }
// 读事件：1）已连接队列中有已经准备好的socket（有新的客户端连上来了）；
// 2）接收缓存中有数据可以读（对端发送的报文已到达）；
// 3）tcp连接已断开（对端调用close()函数关闭了连接）。
// 写事件：发送缓冲区没有满，可以写入数据（可以向对端发送报文）。
fd_set readfds; // 需要监视读事件的socket的集合，大小为16字节（1024位）的bitmap。
FD_ZERO(&readfds); // 初始化readfds，把bitmap的每一位都置为0。
FD_SET(listensock,&readfds); // 把服务端用于监听的socket加入readfds。
int maxfd=listensock; // readfds中socket的最大值。
while (true) // 事件循环。
{
// 用于表示超时时间的结构体。
struct timeval timeout;
timeout.tv_sec=10; // 秒
timeout.tv_usec=0; // 微秒。
fd_set tmpfds=readfds; // 在select()函数中，会修改bitmap，所以，要把readfds复制一份给tmpfds，再把tmpfds传给select()。
// 调用select() 等待事件的发生（监视哪些socket发生了事件)。
int infds=select(maxfd+1,&tmpfds,NULL,NULL,0);
// 如果infds<0，表示调用select()失败。
if (infds<0)
{
perror("select() failed"); break;
}
// 如果infds==0，表示select()超时。
if (infds==0)
{
printf("select() timeout.\n"); continue;
}
// 如果infds>0，表示有事件发生，infds存放了已发生事件的个数。
for (int eventfd=0;eventfd<=maxfd;eventfd++)
{
if (FD_ISSET(eventfd,&tmpfds)==0) continue; // 如果eventfd在bitmap中的标志为0，表示它没有事件，continue
// 如果发生事件的是listensock，表示已连接队列中有已经准备好的socket（有新的客户端连上来了）。
if (eventfd==listensock)
{
struct sockaddr_in client;
socklen_t len = sizeof(client);
int clientsock = accept(listensock,(struct sockaddr*)&client,&len);
if (clientsock < 0) { perror("accept() failed"); continue; }
printf ("accept client(socket=%d) ok.\n",clientsock);
FD_SET(clientsock,&readfds); // 把bitmap中新连上来的客户端的标志位置为1。
if (maxfd<clientsock) maxfd=clientsock; // 更新maxfd的值。
}
else
{
// 如果是客户端连接的socke有事件，表示接收缓存中有数据可以读（对端发送的报文已到达），或者有客户端已断开连接。
char buffer[1024]; // 存放从接收缓冲区中读取的数据。
memset(buffer,0,sizeof(buffer));
if (recv(eventfd,buffer,sizeof(buffer),0)<=0)
{
// 如果客户端的连接已断开。
printf("client(eventfd=%d) disconnected.\n",eventfd);
close(eventfd); // 关闭客户端的socket
FD_CLR(eventfd,&readfds); // 把bitmap中已关闭客户端的标志位清空。
if (eventfd == maxfd) // 重新计算maxfd的值，注意，只有当eventfd==maxfd时才需要计算。
{
for (int ii=maxfd;ii>0;ii--) // 从后面往前找。
{
if (FD_ISSET(ii,&readfds))
{
maxfd = ii; break;
}
}
}
}
else
{
// 如果客户端有报文发过来。
printf("recv(eventfd=%d):%s\n",eventfd,buffer);
// 把接收到的报文内容原封不动的发回去。
send(eventfd,buffer,strlen(buffer),0);
}
}
}
}
return 0;
}
// 初始化服务端的监听端口。
int initserver(int port)
{
int sock = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
if (sock < 0)
{
perror("socket() failed"); return -1;
}
int opt = 1; unsigned int len = sizeof(opt);
setsockopt(sock,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&opt,len);
struct sockaddr_in servaddr;
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
servaddr.sin_port = htons(port);
if (bind(sock,(struct sockaddr *)&servaddr,sizeof(servaddr)) < 0 )
{
perror("bind() failed"); close(sock); return -1;
}
if (listen(sock,5) != 0 )
{
perror("listen() failed"); close(sock); return -1;
}
return sock;
}client.cpp
// 网络通讯的客户端程序。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <time.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
if (argc != 3)
{
printf("usage:./client ip port\n"); return -1;
}
int sockfd;
struct sockaddr_in servaddr;
char buf[1024];
if ((sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))<0) { printf("socket() failed.\n"); return -1; }
memset(&servaddr,0,sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family=AF_INET;
servaddr.sin_port=htons(atoi(argv[2]));
servaddr.sin_addr.s_addr=inet_addr(argv[1]);
if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr,sizeof(servaddr)) != 0)
{
printf("connect(%s:%s) failed.\n",argv[1],argv[2]); close(sockfd); return -1;
}
printf("connect ok.\n");
// printf("开始时间：%d",time(0));
for (int ii=0;ii<200000;ii++)
{
// 从命令行输入内容。
memset(buf,0,sizeof(buf));
printf("please input:"); scanf("%s",buf);
if (send(sockfd,buf,strlen(buf),0) <=0)
{
printf("write() failed.\n"); close(sockfd); return -1;
}
memset(buf,0,sizeof(buf));
if (recv(sockfd,buf,sizeof(buf),0) <=0)
{
printf("read() failed.\n"); close(sockfd); return -1;
}
printf("recv:%s\n",buf);
}
// printf("结束时间：%d",time(0));
} 二、IO多路复用-poll模型
pollfd fds[2048] 结构体数组存放需要监视的socket（select模型使用fd_set readfds存放，bitmap大小1024），poll模型监视的范围自己定义，其中pollfd结构体定义如下：
struct pollfd
{
int fd; /* 需要监听的socket */
short int events; /* 需要监听的事件 */
short int revents; /* poll返回的事件 */
};对于结构体数组：
| 结构体数组 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | ... | 2047 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 方案一 | -1 | -1 | -1 | 3 | 4 | -1 | 6 | ... | -1 |
| 方案二 | 3 | 4 | 6 | -1 | -1 | -1 | -1 | ... | -1 |
方案二对数组的利用率更高，但是方案一写代码更方便，效率也更高，用第一种方法，把socket和数组的下标一一对应。
poll服务端思路：
// 初始化服务端用于监听的socket。
// 初始化数组，把全部的socket设置为-1，如果数组中的socket的值为-1，那么，poll将忽略它。
// 打算让poll监视listensock读事件。
while(true)
{
// 调用poll() 等待事件的发生（监视哪些socket发生了事件)。
// 如果infds<=0，表示调用poll()失败或者超时。
// 如果infds>0，表示有事件发生，infds存放了已发生事件的个数：遍历。
for (int eventfd=0;eventfd<=maxfd;eventfd++)
{
// 如果发生事件的是listensock，表示已连接队列中有已经准备好的socket（有新的客户端连上来了）。
// 将新连接的socket加入poll。
// 如果是客户端连接的socke有事件，表示有报文发过来了或者连接已断开。
// 如果客户端的连接已断开。
// 如果客户端有报文发过来。
}
}poll模型的：写事件、水平触发、性能测试、存在的问题。与select模型是一样的。
poll模型-存在的问题
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在程序中，poll的数据结构是数组，传入内核后转换成了链表。select用bitmap存放用于监 视的socket。
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每调用一次select()需要拷贝两次bitmap（把bitmap拷贝成临时的，然后把临时的拷贝到内核态），poll拷贝一次结构体数组。
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poI监视的连接数没有1024的限制，但是，也是遍历的方法，监视的socket越多，效率越低。
select与poll差别不大，本质上没多大区别。
poll服务端代码：
/*
* 程序名：tcppoll.cpp，此程序用于演示采用poll模型实现网络通讯的服务端。
* 作者：张咸武
*/
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <poll.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/fcntl.h>
// 初始化服务端的监听端口。
int initserver(int port);
int main(int argc,char *argv[])
{
if (argc != 2) { printf("usage: ./tcppoll port\n"); return -1; }
// 初始化服务端用于监听的socket。
int listensock = initserver(atoi(argv[1]));
printf("listensock=%d\n",listensock);
if (listensock < 0) { printf("initserver() failed.\n"); return -1; }
pollfd fds[2048]; // fds存放需要监视的socket。
// 初始化数组，把全部的socket设置为-1，如果数组中的socket的值为-1，那么，poll将忽略它。
for (int ii=0;ii<2048;ii++)
fds[ii].fd=-1;
// 打算让poll监视listensock读事件。
fds[listensock].fd=listensock;
fds[listensock].events=POLLIN; // POLLIN表示读事件，POLLOUT表示写事件。
// fds[listensock].events=POLLIN|POLLOUT;
int maxfd=listensock; // fds数组中需要监视的socket的实际大小。
while (true) // 事件循环。
{
// 调用poll() 等待事件的发生（监视哪些socket发生了事件)。
int infds=poll(fds,maxfd+1,10000); // 超时时间为10秒。
// 如果infds<0，表示调用poll()失败。
if (infds < 0)
{
perror("poll() failed"); break;
}
// 如果infds==0，表示poll()超时。
if (infds == 0)
{
printf("poll() timeout.\n"); continue;
}
// 如果infds>0，表示有事件发生，infds存放了已发生事件的个数。
for (int eventfd=0;eventfd<=maxfd;eventfd++)
{
if (fds[eventfd].fd<0) continue; // 如果fd为负，忽略它。
if ((fds[eventfd].revents&POLLIN)==0) continue; // 如果没有读事件，continue
// 如果发生事件的是listensock，表示已连接队列中有已经准备好的socket（有新的客户端连上来了）。
if (eventfd==listensock)
{
struct sockaddr_in client;
socklen_t len = sizeof(client);
int clientsock = accept(listensock,(struct sockaddr*)&client,&len);
if (clientsock < 0) { perror("accept() failed"); continue; }
printf ("accept client(socket=%d) ok.\n",clientsock);
// 修改fds数组中clientsock位置的元素。
fds[clientsock].fd=clientsock;
fds[clientsock].events=POLLIN;
if (maxfd<clientsock) maxfd=clientsock; // 更新maxfd的值。
}
else
{
// 如果是客户端连接的socke有事件，表示有报文发过来了或者连接已断开。
char buffer[1024]; // 存放从客户端读取的数据。
memset(buffer,0,sizeof(buffer));
if (recv(eventfd,buffer,sizeof(buffer),0)<=0)
{
// 如果客户端的连接已断开。
printf("client(eventfd=%d) disconnected.\n",eventfd);
close(eventfd); // 关闭客户端的socket。
fds[eventfd].fd=-1; // 修改fds数组中clientsock位置的元素，置为-1，poll将忽略该元素。
// 重新计算maxfd的值，注意，只有当eventfd==maxfd时才需要计算。
if (eventfd == maxfd)
{
for (int ii=maxfd;ii>0;ii--) // 从后面往前找。
{
if (fds[ii].fd!=-1)
{
maxfd = ii; break;
}
}
}
}
else
{
// 如果客户端有报文发过来。
printf("recv(eventfd=%d):%s\n",eventfd,buffer);
send(eventfd,buffer,strlen(buffer),0);
}
}
}
}
return 0;
}
// 初始化服务端的监听端口。
int initserver(int port)
{
int sock = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
if (sock < 0)
{
perror("socket() failed"); return -1;
}
int opt = 1; unsigned int len = sizeof(opt);
setsockopt(sock,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&opt,len);
struct sockaddr_in servaddr;
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
servaddr.sin_port = htons(port);
if (bind(sock,(struct sockaddr *)&servaddr,sizeof(servaddr)) < 0 )
{
perror("bind() failed"); close(sock); return -1;
}
if (listen(sock,5) != 0 )
{
perror("listen() failed"); close(sock); return -1;
}
return sock;
}客户端与select模型的一样。