高級JAVA，Linux---高級IO

IO過程

發起IO調用，等待IO條件就緒，將數據拷貝到緩沖區中進行處理。
等待+數據拷貝 兩個主要的操作

五種IO模型

• 阻塞IO：發起IO調用，不具備IO條件，則一直阻塞等待，操作是順序執行。
• 非阻塞IO：發起IO調用，不具備IO條件，則立即返回，操作需要循環調用。
• 信號驅動IO：定義一個IO就緒信號，收到信號則立即發送IO調用，操作不是順序進行。
• 異步IO：定義IO完成信號，發起異步IO調用，IO由系統完成。
• 多路轉接IO：對大量描述符集中事件監控，讓進車可以只針對就緒的描述符進行操作，提高了效率，避免對未就緒的操作符進行操作，導致阻塞。

阻塞IO

為了完成某個功能，發起IO調用如果當前不具備IO條件，則一直等待。

優點：流程非常簡單
缺點：一個IO完成以后，才能執行下一個IO，資源沒有充分利用，大量的時間在等待。

非阻塞IO

為了完成一個IO，發起調用，如果當前不具備IO條件，則立即返回，但是需要循環發起IO。

優點：流程相對復雜一點，對資源的利用更加充分。
缺點：IO操作不夠實時。

信號驅動IO

定義一個IO信號處理方式，在處理方式中進行IO操作，IO就緒時信號通知進程，進程在IO就緒的時候去進行IO操作。

優點：IO操作更加實時，對資源的利用更加高效。
缺點：操作復雜。

異步IO

例如：排隊買票的例子。
假期出去游玩的人比較多，因此異步IO的操作，就類似于，你讓別人幫你排隊，并且幫你把票買了，最終將票給你就可以了。
因此異步IO的本質就是，其所有的IO操作都是讓別人幫忙完成，自身只是發起一個調用，告訴別人需要從哪里開始拷貝數據，以及拷貝多少數據即可。IO的等待與操作都是由別人完成。

優點：對資源利用更加充分
缺點：流程更加負責

同步與互斥

同步

這里的同步與之前進程中的同步不同，這里的同步指的是處理流程中，順序處理，一個完成之后再完成下一個，并且所有的功能都是由進程自身完成的。

異步
處理流程順序不定，主要的功能都是由別人完成或者由操作系統完成。

• 異步阻塞：功能是由別人完成，但是在調用的時候是等著別人完成。
• 異步非阻塞：功能由別人完成，調用之后立即返回，不用等待。

高級IO中的同步與互斥的主要區別：

判斷主要的功能是不是自己完成的，完成的順序是否確定。

多路轉接IO

對大量的描述符進行IO事件監控，可以告訴我們，當前有哪些描述符已經就緒了哪些事件，進程就可以針對就緒了指定事件的進程進行響應操作，避免了對沒有就緒的描述符進行操作導致的效率降低。

IO事件
可讀事件、可寫事件、異常事件

多路轉接IO模型：

• 作用：用于對描述符事件進行監控的。
• 實現方式：select、poll、epoll

select模型

操作流程：

• 定義某個事件的描述符集合 (可讀、可寫、異常事件集合)，初始化集合。
• 對哪個描述符關心，就把這個描述符添加到指定的相應事件中。
• 將集合拷貝到內核中進行監控。監控的原理是輪詢監控。（輪詢遍歷判斷）
  可讀事件的就緒：接收緩沖區中的數據大小大于低水位標記，通常默認為一個字節。
  可寫事件的就緒：發送緩沖區中剩余空間的大小大于低水位標記，通常默認為一個字節。
  異常事件的就緒：描述符是否產生了某個異常。
• 監控調用的返回，表示監控出錯、描述符已經就緒、監控超時。在調用返回的時候，將事件監控的描述符集合中的未就緒的描述符從集合中移除，在集合中僅僅保留就緒的描述符。
• 輪詢判斷哪個描述符處于哪個集合中，就確定這個描述符是否就緒了某個事件，然后進行對應事件的操作。（如果一個描述符處于可讀集合中，表述當前描述符已經滿足可讀事件，然后進行具體的操作）

注意

在select中，并不會直接返回給用戶就緒的描述符進行操作，而是返回的就緒描述符的集合，因此需要我們自己進行判斷。
因為，select在返回的時候，將沒有就緒的描述符已經移除，因此在下次監控的時候，就需要重新向集合中添加描述符。

代碼操作：

1. 定義集合（struct fd_set)，該成員只有一個數組，在該數組中是以二進制比特位進行使用的，添加描述符的就是將對應的二進制比特位置一。默認大小為1024個描述符。
2. 初始化清空集合：void FD_ZERO(fd_set *set)
3. 添加描述符到指定集合中。void FD_SET(int fd,fd_set* set)，將fd描述符添加到set集合中。
4. 開發發起監控調用。
   int select(int nfds,fd_set * readfds,fd_set* writefds,fd_set *exceptfds,struct timeval *timeout);

• nfds：當前監控集合中最大的描述符+1。因為集合默認監控的描述符大小為1024個，避免遍歷沒用的描述符，減少遍歷的次數。
• readfds：可讀事件描述符集合，如果不需要則置空。
• writedfs：可寫事件描述符集合，如果不需要則置空。
• exceptfds：異常事件描述符集合，如果不需要則置空。
• timeout：時間結構體，通過時間決定select阻塞、非阻塞、限制超時的阻塞，如果timeout為空，則表示阻塞監控，直到有描述符就緒或者監控出錯才會返回。 如果timeout中的成員數據為0，則表示非阻塞，監控的時候如果沒有描述符就緒，則會立即超時返回。如果timeout中的成員數據不為0，則在指定的時間之內，沒有就緒則超時返回。
  返回值：返回值大于0，表示就緒描述符個數；返回值如果為0，表示沒有描述符就緒，超時返回；返回值小于0，表示監控出錯。

5. 調用返回，返回就緒的描述符，遍歷判斷哪個描述符還在集合中，就是哪個事件已經就緒。
   int FD_ISSET(int fd,fd_set *set)，判斷fd描述符是否在集合中。本質就是對二進制比特位查看的封裝。

6. 如果對描述符不進行監控，則移除描述符。
   void FD_CLR(int fd,fd_set* set)在set集合中刪除fd描述符

int main()
{fd_set redfs;while(1){cout<<"開始監控"<<endl;struct timeval tv;tv.tv_sec = 3;tv.tv_usec = 0;FD_ZERO(&redfs)FD_SET(0,&redfs); //將0號標準輸入描述符添加到集合中int res = select(1,redfs,NULL,NULL,&tv); if(res<0){perror("select error")return -1;}else if(res == 0){cout<<"監控超時"<<endl;continue;}if(FD_ISSET(0,&redfs)){cout<<"監控成功，0號事件已經響應"<<endl;}}
}

優缺點：

• 跨平臺移植性比較好。
• select對描述符的監控由最大數量上限。FD_SETSIZE 。
• 在內核中進行監控數通過輪詢遍歷實現的，因此性能會隨著描述符的增多而下降。
• 只能返回就緒的集合，需要進程進行輪詢判斷才能知道哪個描述符就緒了哪個事件。
• 每次監控都需要將描述符添加到集合中，每次監控都需要將集合拷貝到內核中。

poll模型

操作流程：

• 定義監控的描述符時間的結構體數組，將需要監控的描述符以及事件標識信息，添加到數組的各個節點中。
• 發起調用開始監控，將監控事件的描述符結構體數組，拷貝到內核中進行輪詢遍歷判斷，如果有就緒/等待超時則調用返回，并且在每個描述符對應的事件結構體中，標識當前就緒的事件。
• 進程輪詢遍歷數組，判斷數組中的每個節點中的就緒事件是哪個事件，再決定對描述符如何進行操作。

接口：

• int poll (struct pollfd* arry,nfds_t nfds,int timeout)
  監控采用事件結構體。
  struct pollfd {int fd; shor events; shor revents}
  fd要監控的描述符、events要監控的事件（POLLIN可讀事件、POLLOUT可寫事件）、revents哪個監控事件就緒了就將其放在其中。
  nfds：數組中有效節點的個數
  timeout：監控的超時等待時間：毫秒
  返回值：>0表示監控的就緒事件的個數；返回值==0表示等待超時，返回值<0監控出錯。

優缺點：

• 使用事件結構體進行監控，簡化了select中三種事件集合的操作流程。
• 監控數量不做限制。
• 不需要每次重新定義事件節點。
• 跨平臺移植性差。
• 每次監控依然需要向內核中拷貝數據。
• 在內核中監控，依然采用輪詢遍歷。

epoll模型

操作流程：

• 在內核中創建epoll句柄（epollevent結構體。紅黑樹+雙向鏈表）
• 對內核中的epollevent結構添加、刪除、修改
• 開始監控，發起調用，在內核中采用異步阻塞實現監控，等待超時或者描述符就緒了事件后調用返回，返回給用戶就緒描述符事件的結構信息。
• 進行直接對就緒的事件結構體中的描述符成員進行操作即可

接口信息：

• int epoll_create(int size)創建epoll句柄，size只要大于0即可。
  返回值：一個文件描述符，
• int epoll_ctl(int epfd,int cmd,int fd,struct epoll_event* ev)
  epfd：epoll_create返回的操作句柄
  cmd：針對fd描述符的監控信息進行操作，添加/刪除/修改操作。EPOLL_CTL_ADD /EPOLL_CTL_DEL / EPOLL_CTL_MOD
  fd：要監控的描述符
  ev：描述符對應的事件結構體信息。當epoll開始監控的時候，描述符如果就緒了進程關心的事件，則會給用戶返回我們添加對應事件結構體信息，通過事件結構體信息中包含的描述符進行操作，所以fd與ev結構體中的fd是同一個描述符。
• int epoll_wait(int epfd,struct epoll_events *evs,int max_event,int timeout)
  epfd：epoll操作句柄
  evs：struct epoll_events結構體數組的首地址，用于接受就緒的描述符對應的事件結構體信息。
  max_event：本次監控想要獲取就緒事件的最大數量，不能大于evs數組大小。
  timeout：超時等待時間，單位毫秒。
  返回值：>0表示就緒事件的個數 =0表示等待超時，<0監控出錯

監控原理

異步阻塞操作。
監控由系統完成，用戶添加監控的描述符以及對應事件結構體會被添加到內核的eventpoll結構體中的紅黑樹中，一旦進程發起調用，操作系統為每個描述符的事件進行回調。當描述符就緒了哪個事件，則將描述符對應的事件結構體添加到雙向鏈表中。
進程自身，每隔一段事件，判斷雙向鏈表是否為NULL，決定是否有事件就緒。