流?I/O操作?阻塞?epoll?

第一次,站长亲自招 Gopher 了>>>

一、流?I/O操作? 阻塞?

(1) 流

• 可以进行I/O操作的内核对象
• 文件、管道、套接字......
• 流的入口:文件描述符(fd)

(2) I/O操作

所有对流的读写操作,我们都可以称之为IO操作。

当一个流中, 在没有数据read的时候,或者说在流中已经写满了数据,再write,我们的IO操作就会出现一种现象,就是阻塞现象,如下图。

---

(3) 阻塞

阻塞场景: 你有一份快递,家里有个座机,快递到了主动给你打电话,期间你可以休息。

非阻塞,忙轮询场景: 你性子比较急躁, 每分钟就要打电话询问快递小哥一次, 到底有没有到,快递员接你电话要停止运输,这样很耽误快递小哥的运输速度。

• 阻塞等待

空出大脑可以安心睡觉, 不影响快递员工作(不占用CPU宝贵的时间片)。

• 非阻塞,忙轮询

浪费时间,浪费电话费,占用快递员时间(占用CPU,系统资源)。

很明显,阻塞等待这种方式,对于通信上是有明显优势的, 那么它有哪些弊端呢?

二、解决阻塞死等待的办法

阻塞死等待的缺点

​ 也就是同一时刻,你只能被动的处理一个快递员的签收业务,其他快递员打电话打不进来,只能干瞪眼等待。那么解决这个问题,家里多买N个座机, 但是依然是你一个人接,也处理不过来,需要用影分身术创建都个自己来接电话(采用多线程或者多进程)来处理。

​ 这种方式就是没有多路IO复用的情况的解决方案, 但是在单线程计算机时代(无法影分身),这简直是灾难。

---

那么如果我们不借助影分身的方式(多线程/多进程),该如何解决阻塞死等待的方法呢?

办法一:非阻塞、忙轮询

while true {
 for i in 流[] {
 if i has 数据 {
 读 或者 其他处理
 }
 }
}

非阻塞忙轮询的方式,可以让用户分别与每个快递员取得联系,宏观上来看,是同时可以与多个快递员沟通(并发效果)、 但是快递员在于用户沟通时耽误前进的速度(浪费CPU)。

---

办法二:select

我们可以开设一个代收网点,让快递员全部送到代收点。这个网店管理员叫select。这样我们就可以在家休息了,麻烦的事交给select就好了。当有快递的时候,select负责给我们打电话,期间在家休息睡觉就好了。

但select 代收员比较懒,她记不住快递员的单号,还有快递货物的数量。她只会告诉你快递到了,但是是谁到的,你需要挨个快递员问一遍。

while true {
 select(流[]); //阻塞
 //有消息抵达
 for i in 流[] {
 if i has 数据 {
 读 或者 其他处理
 }
 }
}

---

办法三:epoll

epoll的服务态度要比select好很多,在通知我们的时候,不仅告诉我们有几个快递到了,还分别告诉我们是谁谁谁。我们只需要按照epoll给的答复,来询问快递员取快递即可。

while true {
 可处理的流[] = epoll_wait(epoll_fd); //阻塞
 //有消息抵达,全部放在 "可处理的流[]"中
 for i in 可处理的流[] {
 读 或者 其他处理
 }
}

---

三、epoll?

• 与select,poll一样,对I/O多路复用的技术
• 只关心"活跃"的链接,无需遍历全部描述符集合
• 能够处理大量的链接请求(系统可以打开的文件数目)

四、epoll的API

(1) 创建EPOLL

/** 
 * @param size 告诉内核监听的数目 
 * 
 * @returns 返回一个epoll句柄(即一个文件描述符) 
 */
int epoll_create(int size);

使用

int epfd = epoll_create(1000);

创建一个epoll句柄,实际上是在内核空间,建立一个root根节点,这个根节点的关系与epfd相对应。

(2) 控制EPOLL

/**
* @param epfd 用epoll_create所创建的epoll句柄
* @param op 表示对epoll监控描述符控制的动作
*
* EPOLL_CTL_ADD(注册新的fd到epfd)
* EPOLL_CTL_MOD(修改已经注册的fd的监听事件)
* EPOLL_CTL_DEL(epfd删除一个fd)
*
* @param fd 需要监听的文件描述符
* @param event 告诉内核需要监听的事件
*
* @returns 成功返回0,失败返回-1, errno查看错误信息
*/
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd,
struct epoll_event *event);
struct epoll_event {
 __uint32_t events; /* epoll 事件 */
 epoll_data_t data; /* 用户传递的数据 */
}
/*
 * events : {EPOLLIN, EPOLLOUT, EPOLLPRI,
 EPOLLHUP, EPOLLET, EPOLLONESHOT}
 */
typedef union epoll_data {
 void *ptr;
 int fd;
 uint32_t u32;
 uint64_t u64;
} epoll_data_t;

使用

struct epoll_event new_event;
new_event.events = EPOLLIN | EPOLLOUT;
new_event.data.fd = 5;
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, 5, &new_event);

​ 创建一个用户态的事件,绑定到某个fd上,然后添加到内核中的epoll红黑树中。

(3) 等待EPOLL

/**
*
* @param epfd 用epoll_create所创建的epoll句柄
* @param event 从内核得到的事件集合
* @param maxevents 告知内核这个events有多大,
* 注意: 值 不能大于创建epoll_create()时的size.
* @param timeout 超时时间
* -1: 永久阻塞
* 0: 立即返回,非阻塞
* >0: 指定微秒
*
* @returns 成功: 有多少文件描述符就绪,时间到时返回0
* 失败: -1, errno 查看错误
*/
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *event,
 int maxevents, int timeout);

使用

struct epoll_event my_event[1000];
int event_cnt = epoll_wait(epfd, my_event, 1000, -1);

​ epoll_wait是一个阻塞的状态,如果内核检测到IO的读写响应,会抛给上层的epoll_wait, 返回给用户态一个已经触发的事件队列,同时阻塞返回。开发者可以从队列中取出事件来处理,其中事件里就有绑定的对应fd是哪个(之前添加epoll事件的时候已经绑定)。

(4) 使用epoll编程主流程骨架

int epfd = epoll_crete(1000);
//将 listen_fd 添加进 epoll 中
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, listen_fd,&listen_event);
while (1) {
 //阻塞等待 epoll 中 的fd 触发
 int active_cnt = epoll_wait(epfd, events, 1000, -1);
 for (i = 0 ; i < active_cnt; i++) {
 if (evnets[i].data.fd == listen_fd) {
 //accept. 并且将新accept 的fd 加进epoll中.
 }
 else if (events[i].events & EPOLLIN) {
 //对此fd 进行读操作
 }
 else if (events[i].events & EPOLLOUT) {
 //对此fd 进行写操作
 }
 }
}

---

9、Golang中的Channel底层深度剖析

​ 首先声明,本文不介绍channel的基础语法和使用场景,如果想golang中的channel的基础语法其他地方有很多地方介绍。这里只介绍channel的一些底层实现原理的剖析。

(1)Channel特性

首先,我们先复习一下Channel都有哪些特性?

• 给一个 nil channel 发送数据,造成永远阻塞
• 从一个 nil channel 接收数据,造成永远阻塞
• 给一个已经关闭的 channel 发送数据,引起 panic
• 从一个已经关闭的 channel 接收数据,如果缓冲区中为空,则返回一个零值
• 无缓冲的channel是同步的,而有缓冲的channel是非同步的

以上5个特性是死东西,也可以通过口诀来记忆:"空读写阻塞,写关闭异常,读关闭空零"。

下面以简单的示例来演示Go如何通过channel来实现通信。

package main
import (
 "fmt"
 "time"
)
func goRoutineA(a <-chan int) {
 val := <-a
 fmt.Println("goRoutineA received the data", val)
}
func goRoutineB(b chan int) {
 val := <-b
 fmt.Println("goRoutineB received the data", val)
}
func main() {
 ch := make(chan int, 3)
 go goRoutineA(ch)
 go goRoutineB(ch)
 ch <- 3
 time.Sleep(time.Second * 1)
}

五、epoll的触发模式

(1) 水平触发

水平触发的主要特点是,如果用户在监听epoll事件,当内核有事件的时候,会拷贝给用户态事件,但是如果用户只处理了一次,那么剩下没有处理的会在下一次epoll_wait再次返回该事件。

这样如果用户永远不处理这个事件,就导致每次都会有该事件从内核到用户的拷贝,耗费性能,但是水平触发相对安全,最起码事件不会丢掉,除非用户处理完毕。

(2) 边缘触发

边缘触发,相对跟水平触发相反,当内核有事件到达, 只会通知用户一次,至于用户处理还是不处理,以后将不会再通知。这样减少了拷贝过程,增加了性能,但是相对来说,如果用户马虎忘记处理,将会产生事件丢的情况。

五、简单的epoll服务器(C语言)

(1) 服务端

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <ctype.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/epoll.h>
#define SERVER_PORT (7778)
#define EPOLL_MAX_NUM (2048)
#define BUFFER_MAX_LEN (4096)
char buffer[BUFFER_MAX_LEN];
void str_toupper(char *str)
{
 int i;
 for (i = 0; i < strlen(str); i ++) {
 str[i] = toupper(str[i]);
 }
}
int main(int argc, char **argv)
{
 int listen_fd = 0;
 int client_fd = 0;
 struct sockaddr_in server_addr;
 struct sockaddr_in client_addr;
 socklen_t client_len;
 int epfd = 0;
 struct epoll_event event, *my_events;
 / socket
 listen_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
 // bind
 server_addr.sin_family = AF_INET;
 server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
 server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);
 bind(listen_fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));
 // listen
 listen(listen_fd, 10);
 // epoll create
 epfd = epoll_create(EPOLL_MAX_NUM);
 if (epfd < 0) {
 perror("epoll create");
 goto END;
 }
 // listen_fd -> epoll
 event.events = EPOLLIN;
 event.data.fd = listen_fd;
 if (epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, listen_fd, &event) < 0) {
 perror("epoll ctl add listen_fd ");
 goto END;
 }
 my_events = malloc(sizeof(struct epoll_event) * EPOLL_MAX_NUM);
 while (1) {
 // epoll wait
 int active_fds_cnt = epoll_wait(epfd, my_events, EPOLL_MAX_NUM, -1);
 int i = 0;
 for (i = 0; i < active_fds_cnt; i++) {
 // if fd == listen_fd
 if (my_events[i].data.fd == listen_fd) {
 //accept
 client_fd = accept(listen_fd, (struct sockaddr*)&client_addr, &client_len);
 if (client_fd < 0) {
 perror("accept");
 continue;
 }
 char ip[20];
 printf("new connection[%s:%d]\n", inet_ntop(AF_INET, &client_addr.sin_addr, ip, sizeof(ip)), ntohs(client_addr.sin_port));
 event.events = EPOLLIN | EPOLLET;
 event.data.fd = client_fd;
 epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, client_fd, &event);
 }
 else if (my_events[i].events & EPOLLIN) {
 printf("EPOLLIN\n");
 client_fd = my_events[i].data.fd;
 // do read
 buffer[0] = '0円';
 int n = read(client_fd, buffer, 5);
 if (n < 0) {
 perror("read");
 continue;
 }
 else if (n == 0) {
 epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, client_fd, &event);
 close(client_fd);
 }
 else {
 printf("[read]: %s\n", buffer);
 buffer[n] = '0円';
#if 1
 str_toupper(buffer);
 write(client_fd, buffer, strlen(buffer));
 printf("[write]: %s\n", buffer);
 memset(buffer, 0, BUFFER_MAX_LEN);
#endif
 /*
 event.events = EPOLLOUT;
 event.data.fd = client_fd;
 epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_MOD, client_fd, &event);
 */
 }
 }
 else if (my_events[i].events & EPOLLOUT) {
 printf("EPOLLOUT\n");
 /*
 client_fd = my_events[i].data.fd;
 str_toupper(buffer);
 write(client_fd, buffer, strlen(buffer));
 printf("[write]: %s\n", buffer);
 memset(buffer, 0, BUFFER_MAX_LEN);
 event.events = EPOLLIN;
 event.data.fd = client_fd;
 epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_MOD, client_fd, &event);
 */
 }
 }
 }
END:
 close(epfd);
 close(listen_fd);
 return 0;
}

(2) 客户端

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <strings.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#define MAX_LINE (1024)
#define SERVER_PORT (7778)
void setnoblocking(int fd)
{
 int opts = 0;
 opts = fcntl(fd, F_GETFL);
 opts = opts | O_NONBLOCK;
 fcntl(fd, F_SETFL);
}
int main(int argc, char **argv)
{
 int sockfd;
 char recvline[MAX_LINE + 1] = {0};
 struct sockaddr_in server_addr;
 if (argc != 2) {
 fprintf(stderr, "usage ./client <SERVER_IP>\n");
 exit(0);
 }
 // 创建socket
 if ( (sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
 fprintf(stderr, "socket error");
 exit(0);
 }
 // server addr 赋值
 bzero(&server_addr, sizeof(server_addr));
 server_addr.sin_family = AF_INET;
 server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);
 if (inet_pton(AF_INET, argv[1], &server_addr.sin_addr) <= 0) {
 fprintf(stderr, "inet_pton error for %s", argv[1]);
 exit(0);
 }
 // 链接服务端
 if (connect(sockfd, (struct sockaddr*) &server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {
 perror("connect");
 fprintf(stderr, "connect error\n");
 exit(0);
 }
 setnoblocking(sockfd);
 char input[100];
 int n = 0;
 int count = 0;
 // 不断的从标准输入字符串
 while (fgets(input, 100, stdin) != NULL)
 {
 printf("[send] %s\n", input);
 n = 0;
 // 把输入的字符串发送 到 服务器中去
 n = send(sockfd, input, strlen(input), 0);
 if (n < 0) {
 perror("send");
 }
 n = 0;
 count = 0;
 // 读取 服务器返回的数据
 while (1)
 {
 n = read(sockfd, recvline + count, MAX_LINE);
 if (n == MAX_LINE)
 {
 count += n;
 continue;
 }
 else if (n < 0){
 perror("recv");
 break;
 }
 else {
 count += n;
 recvline[count] = '0円';
 printf("[recv] %s\n", recvline);
 break;
 }
 }
 }
 return 0;
}

---

关于作者:

mail: danbing.at@gmail.com
github: https://github.com/aceld
原创书籍gitbook: http://legacy.gitbook.com/@aceld

创作不易, 共同学习进步, 欢迎关注作者, 回复"zinx"有好礼

作者微信公众号

---

文章推荐

开源软件作品

(原创开源)Zinx-基于Golang轻量级服务器并发框架-完整版(附教程视频)
(原创开源)Lars-基于C++负载均衡远程调度系统-完整版

精选文章

典藏版-Golang调度器GMP原理与调度全分析
最常用的调试 golang 的 bug 以及性能问题的实践方法?
Golang中的局部变量"何时栈?何时堆?"
使用Golang的interface接口设计原则
深入浅出Golang的协程池设计
Go语言构建微服务一站式解决方案

---

---

本文来自:Segmentfault

感谢作者:aceld

查看原文:流?I/O操作?阻塞?epoll?

1462 次点击

上一篇:Go 编译器内部知识:向 Go 添加新语句-第 2 部分

下一篇:GO的第四天,基础数据类型

channel 轮询 io 接收数据

• 编辑
• 预览