IO复用（Reactor模式和Preactor模式）——用epoll来提高服务器并发能力

上篇线程/进程并发服务器中提到，提高服务器性能在IO层需要关注两个地方，一个是文件描述符处理，一个是线程调度。

IO复用是什么？IO即Input/Output，在网络编程中，文件描述符就是一种IO操作。

为什么要IO复用？

1.网络编程中非常多函数是阻塞的，如connect，利用IO复用可以以非阻塞形式执行代码。

2.之前提到listen维护两个队列，完成握手的队列可能有多个就绪的描述符，IO复用可以批处理描述符。

3.有时候可能要同时处理TCP和UDP，同时监听多个端口，同时处理读写和连接等。

为什么epoll效率要比select高？

1.在连接数量较大的场景，select遍历需要每个描述符，epoll由内核维护事件表，只需要处理有响应的描述符。

2.select本身处理文件描述符受到限制，默认1024。

3.效率并不是绝对的，当连接率高，断开和连接频繁时，select不一定比epoll差。所以要根据具体场合使用。

epoll的两种模式，电平触发和边沿触发。

1.电平触发效率较边沿触发低，电平触发模式下，当epoll_wait返回的事件没有全部相应处理完毕，内核缓冲区还存在数据时，会反复通知，直到处理完成。epoll默认使用这种模式。

2.边沿触发效率较高，内核缓冲区事件只通知一次。

一个epoll实现demo

 #include <iostream>
 #include <sys/socket.h>
 #include <sys/epoll.h>
 #include <netinet/in.h>
 #include <arpa/inet.h>
 #include <fcntl.h>
 #include <unistd.h>
 #include <stdio.h>
 #include <stdlib.h>
 #include <string.h>
 #include <errno.h>

 using namespace std;

 #define MAXLINE 5
 #define OPEN_MAX 100
 #define LISTENQ 20
 #define SERV_PORT 5000
 #define INFTIM 1000

 int main(int argc, char* argv[])
 {
     int listen_fd, connfd_fd, socket_fd, epfd, nfds;
     ssize_t n;
     char line[MAXLINE];
     socklen_t clilen;

     //声明epoll_event结构体的变量,ev用于注册事件,数组用于回传要处理的事件
     struct epoll_event ev,events[];
     //生成用于处理accept的epoll专用的文件描述符
     epfd=epoll_create();
     struct sockaddr_in clientaddr;
     struct sockaddr_in serveraddr;
     listen_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, );
     //设置与要处理的事件相关的文件描述符
     ev.data.fd = listen_fd;
     //设置要处理的事件类型
     ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;
     //注册epoll事件
     epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,listen_fd,&ev);

     memset(&serveraddr, , sizeof(serveraddr));
     serveraddr.sin_family = AF_INET;
     serveraddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
     serveraddr.sin_port = htons(SERV_PORT);

     if (bind(listen_fd, (struct sockaddr*)&serveraddr, sizeof(serveraddr)) == -)
     {
         printf("bind socket error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno);
         exit();
     }  

     if (listen(listen_fd, LISTENQ) == -)
     {
         exit();
     }   

     for ( ; ; )
     {
         //等待epoll事件的发生
         nfds = epoll_wait(epfd,events,,);
         //处理所发生的所有事件
         for (int i = ; i < nfds; ++i)
         {
             if (events[i].data.fd == listen_fd)//如果新监测到一个SOCKET用户连接到了绑定的SOCKET端口，建立新的连接。

             {
                 connfd_fd = accept(listen_fd,(sockaddr *)&clientaddr, &clilen);
                 if (connfd_fd < ){
                     perror("connfd_fd < 0");
                     exit();
                 }
                 char *str = inet_ntoa(clientaddr.sin_addr);
                 cout << "accapt a connection from " << str << endl;
                 //设置用于读操作的文件描述符
                 ev.data.fd = connfd_fd;
                 //设置用于注测的读操作事件
                 ev.events = EPOLLIN|EPOLLET;
                 //注册ev
                 epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,connfd_fd,&ev);
             }
             else if (events[i].events&EPOLLIN)//如果是已经连接的用户，并且收到数据，那么进行读入。
             {
                 memset(&line,'\0', sizeof(line));
                 if ( (socket_fd = events[i].data.fd) < )
                     continue;
                 if ( (n = read(socket_fd, line, MAXLINE)) < ) {
                     if (errno == ECONNRESET) {
                         close(socket_fd);
                         events[i].data.fd = -;
                     } else
                         std::cout<<"readline error"<<std::endl;
                 } else if (n == ) {
                     close(socket_fd);
                     events[i].data.fd = -;
                 }
                 cout << line << endl;
                 //设置用于写操作的文件描述符
                 ev.data.fd = socket_fd;
                 //设置用于注测的写操作事件
                 ev.events = EPOLLOUT|EPOLLET;
                 //修改socket_fd上要处理的事件为EPOLLOUT
                 //epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,socket_fd,&ev);
             }
             else if (events[i].events&EPOLLOUT) // 如果有数据发送
             {
                 socket_fd = events[i].data.fd;
                 write(socket_fd, line, n);
                 //设置用于读操作的文件描述符
                 ev.data.fd = socket_fd;
                 //设置用于注测的读操作事件
                 ev.events = EPOLLIN|EPOLLET;
                 //修改socket_fd上要处理的事件为EPOLIN
                 epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,socket_fd,&ev);
             }
         }
     }
     return ;
 }

执行效果如下：

第一次学epoll时，容易错误的认为epoll也可以实现并发，其实正确的话是epoll可以实现高性能并发服务器，epoll只是提供了IO复用，在IO“并发”，真正的并发只能通过线程进程实现。

那为什么可以同时连接两个客户端呢？实际上这两个客户端都是在一个进程上运行的，前面提到过各个描述符之间是相互不影响的，所以是一个进程轮循在处理多个描述符。

Reactor模式：

Reactor模式实现非常简单，使用同步IO模型，即业务线程处理数据需要主动等待或询问，主要特点是利用epoll监听listen描述符是否有相应，及时将客户连接信息放于一个队列，epoll和队列都是在主进程/线程中，由子进程/线程来接管各个描述符，对描述符进行下一步操作，包括connect和数据读写。主程读写就绪事件。

大致流程图如下：

Preactor模式：

Preactor模式完全将IO处理和业务分离，使用异步IO模型，即内核完成数据处理后主动通知给应用处理，主进程/线程不仅要完成listen任务，还需要完成内核数据缓冲区的映射，直接将数据buff传递给业务线程，业务线程只需要处理业务逻辑即可。

大致流程如下：