redis高级篇之IO多路复用IOMultiplexing从学术到人话版 172节答疑

ref:selectRecieve.png
这图什么意思，select是阻塞的，然后呢？

这张图展示了 I/O 复用模式下的工作流程，特别是使用 `select` 系统调用进行 I/O 复用的情况。在这种模式下，`select` 用于监听多个文件描述符（如套接字），等待其中任何一个变为可读、可写或有异常发生。以下是图中各部分的详细解释：

### 应用程序部分

1. **调用 `select`**
- 应用程序调用 `select` 并传入一组文件描述符。
- `select` 调用会阻塞，直到至少有一个文件描述符变为可读、可写或发生异常。

2. **等待数据准备好**
- 在 `select` 阻塞期间，内核会监视这些文件描述符，等待其中任何一个变为可读、可写或发生异常。

3. **返回可读条件**
- 一旦有文件描述符变为可读，`select` 调用返回，应用程序可以继续执行。

4. **调用 `recvfrom`**
- 应用程序调用 `recvfrom` 从可读的文件描述符中读取数据。
- `recvfrom` 可能会阻塞，直到数据从内核缓冲区复制到用户缓冲区。

5. **处理数据**
- 数据被复制到应用程序的缓冲区后，`recvfrom` 返回，应用程序处理接收到的数据。

### 内核部分

1. **等待数据**
- 内核监视文件描述符，等待数据到达。

2. **数据报准备好**
- 当数据到达时，内核将数据报准备好。

3. **返回可读条件**
- 内核通知 `select` 调用数据已经准备好，`select` 返回。

4. **数据复制**
- 当应用程序调用 `recvfrom` 时，内核将数据从内核缓冲区复制到用户缓冲区。

### 关键点

- **`select` 是阻塞的**：`select` 调用会阻塞应用程序，直到至少有一个文件描述符变为可读、可写或发生异常。
- **复用 I/O**：通过 `select`，一个线程可以同时监视多个文件描述符，避免了为每个连接创建一个线程的开销。
- **数据复制**：当 `recvfrom` 被调用时，数据从内核空间复制到用户空间，这个过程可能会阻塞，但通常时间较短。

### 总结

这张图展示了使用 `select` 进行 I/O 复用的工作流程。在这种模式下，`select` 用于监视多个文件描述符，等待数据到达。当数据到达时，`select` 返回，应用程序调用 `recvfrom` 从内核读取数据并处理。这种模式允许一个线程高效地处理多个 I/O 连接。

================
Redis利用epoll来实现IO多路复用，将连接信息和事件放到队列
中，依次放到事件分派器，事件分派器将事件分发给事件处理器。
---epoll是什么，和select什么关系

`epoll` 是 Linux 内核提供的一种高效的 I/O 多路复用机制，用于监视多个文件描述符，以确定哪些文件描述符可以进行 I/O 操作。`epoll` 是 `select` 和 `poll` 的增强版，特别适用于需要处理大量并发连接的场景，例如高性能网络服务器。

### epoll 与 select 的关系和区别

#### select

`select` 是一种较早的 I/O 多路复用机制，允许程序监视多个文件描述符，等待其中的一个或多个变为可读、可写或发生异常。其主要特点和缺点包括：

- **文件描述符限制**：`select` 监视的文件描述符数量有限，通常由 `FD_SETSIZE` 常量定义，默认值为 1024。
- **性能问题**：每次调用 `select` 都需要重新构建文件描述符集合，并在返回时遍历整个集合，性能随文件描述符数量增加而下降。
- **线性扫描**：`select` 返回后需要线性扫描所有文件描述符，找到那些已经准备好的文件描述符。

#### epoll

`epoll` 是 Linux 2.6 内核引入的 I/O 多路复用机制，针对大规模并发连接场景进行了优化。其主要特点和优点包括：

- **无文件描述符限制**：`epoll` 没有文件描述符数量限制，能够处理大量文件描述符。
- **性能优化**：`epoll` 使用事件通知机制，避免了每次调用时重新构建文件描述符集合和线性扫描的开销。
- **边缘触发和水平触发**：`epoll` 支持两种触发模式：
- **水平触发（Level-triggered, LT）**：默认模式，与 `select` 和 `poll` 类似，当文件描述符准备好时，`epoll_wait` 会一直返回。
- **边缘触发（Edge-triggered, ET）**：高效模式，仅当文件描述符状态发生变化时，`epoll_wait` 才返回，适用于非阻塞 I/O。

### epoll 使用示例

以下是一个简单的 `epoll` 使用示例，展示如何监视多个文件描述符：

```c
#include <sys/epoll.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define MAX_EVENTS 10

int main() {
int epoll_fd, nfds, i;
struct epoll_event ev, events[MAX_EVENTS];
int listen_sock = /* 初始化监听套接字 */;

// 创建 epoll 实例
epoll_fd = epoll_create1(0);
if (epoll_fd == -1) {
perror("epoll_create1");
exit(EXIT_FAILURE);
}

// 将监听套接字添加到 epoll 实例
ev.events = EPOLLIN;
ev.data.fd = listen_sock;
if (epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, listen_sock, &ev) == -1) {
perror("epoll_ctl: listen_sock");
exit(EXIT_FAILURE);
}

while (1) {
// 等待事件发生
nfds = epoll_wait(epoll_fd, events, MAX_EVENTS, -1);
if (nfds == -1) {
perror("epoll_wait");
exit(EXIT_FAILURE);
}

// 处理事件
for (i = 0; i < nfds; ++i) {
if (events[i].data.fd == listen_sock) {
// 处理新的连接
int conn_sock = accept(listen_sock, NULL, NULL);
if (conn_sock == -1) {
perror("accept");
exit(EXIT_FAILURE);
}

// 将新连接添加到 epoll 实例
ev.events = EPOLLIN;
ev.data.fd = conn_sock;
if (epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, conn_sock, &ev) == -1) {
perror("epoll_ctl: conn_sock");
exit(EXIT_FAILURE);
}
} else {
// 处理已连接套接字上的数据
char buf[512];
ssize_t count = read(events[i].data.fd, buf, sizeof(buf));
if (count == -1) {
perror("read");
exit(EXIT_FAILURE);
} else if (count == 0) {
// 关闭连接
close(events[i].data.fd);
} else {
// 处理数据
write(STDOUT_FILENO, buf, count);
}
}
}
}

close(epoll_fd);
return 0;
}
```

### 总结

- `epoll` 是 `select` 和 `poll` 的增强版，特别适用于处理大量并发连接的高性能网络服务器。
- `epoll` 没有文件描述符数量限制，性能更高，支持边缘触发和水平触发模式。
- `epoll` 使用事件通知机制，避免了 `select` 和 `poll` 的性能瓶颈。

Redis 利用 `epoll` 来实现 I/O 多路复用，将连接信息和事件放入队列，然后分发给事件处理器，从而高效地处理大量并发连接。
=================
就是说只用一个epoll函数就够了，而不是说select poll epoll是一个连贯的三个步骤？

是的，`select`、`poll` 和 `epoll` 是三种不同的 I/O 多路复用机制，它们并不是一个连贯的步骤，而是独立的、可以选择使用的不同方法。你可以根据具体需求和操作系统的支持情况选择其中之一来实现 I/O 多路复用。

### 详细解释

#### `select`

`select` 是最早引入的 I/O 多路复用机制，用于监视多个文件描述符，以确定哪些文件描述符可以进行 I/O 操作。它的特点是简单易用，但在处理大量文件描述符时性能较差。

```c
fd_set readfds;
FD_ZERO(&readfds);
FD_SET(sockfd, &readfds);
int result = select(sockfd + 1, &readfds, NULL, NULL, NULL);
if (result > 0) {
if (FD_ISSET(sockfd, &readfds)) {
// sockfd 可读
}
}
```

#### `poll`

`poll` 是 `select` 的改进版本，消除了文件描述符数量的限制。`poll` 使用一个结构体数组来描述要监视的文件描述符及其事件。

```c
struct pollfd fds[2];
fds[0].fd = sockfd;
fds[0].events = POLLIN;
int result = poll(fds, 2, -1);
if (result > 0) {
if (fds[0].revents & POLLIN) {
// sockfd 可读
}
}
```

#### `epoll`

`epoll` 是 Linux 内核提供的高效 I/O 多路复用机制，特别适用于需要处理大量并发连接的场景。`epoll` 提供了更高的性能和灵活性。

```c
int epoll_fd = epoll_create1(0);
struct epoll_event ev, events[MAX_EVENTS];
ev.events = EPOLLIN;
ev.data.fd = sockfd;
epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, sockfd, &ev);

while (1) {
int nfds = epoll_wait(epoll_fd, events, MAX_EVENTS, -1);
for (int i = 0; i < nfds; ++i) {
if (events[i].data.fd == sockfd) {
// sockfd 可读
}
}
}
```

### 总结

- **独立选择**：`select`、`poll` 和 `epoll` 是三种独立的 I/O 多路复用机制，你可以根据需求选择其中之一来使用。
- **不连贯**：它们不是一个连贯的步骤，而是不同的实现方法。
- **性能差异**：`epoll` 提供了更高的性能，特别适用于处理大量并发连接的场景，而 `select` 和 `poll` 在处理大量文件描述符时性能较差。

在现代高性能服务器（如 Redis）中，通常会选择 `epoll` 来实现 I/O 多路复用，因为它在处理大量并发连接时表现更好。
==========================

io多路复用为什么比nio快？

在讨论 I/O 多路复用和 NIO（非阻塞 I/O）的性能差异时，首先需要明确一些概念。I/O 多路复用和 NIO 并不是完全对立的技术，而是可以互相结合使用的技术。实际上，NIO 本身就是一种 I/O 多路复用技术的实现。
I/O 多路复用
I/O 多路复用（如 select、poll、epoll）是一种允许一个线程同时监视多个文件描述符的技术。它的核心思想是通过一个系统调用来等待多个文件描述符中的任何一个变为可读、可写或发生异常。
NIO（Non-blocking I/O）
NIO 是 Java 提供的一种非阻塞 I/O 模型，允许一个线程处理多个连接。NIO 的核心组件包括 Selector、Channel 和 Buffer。NIO 本质上是基于 I/O 多路复用技术实现的，通常在底层使用 epoll（Linux）、kqueue（FreeBSD）或 select（Windows）等机制。
为什么 I/O 多路复用（如 epoll）比传统的阻塞 I/O 快？
减少线程数量：
在传统的阻塞 I/O 模型中，每个连接通常需要一个线程来处理。当连接数量增加时，线程数量也会增加，导致上下文切换和线程管理的开销增加。
I/O 多路复用允许一个线程监视多个连接，减少了线程数量，从而减少了上下文切换和线程管理的开销。
事件驱动：
epoll 等 I/O 多路复用机制是事件驱动的，只在有事件发生时通知应用程序。这避免了轮询的开销，提高了效率。
传统的阻塞 I/O 模型中，线程可能会长时间阻塞在 I/O 操作上，导致资源浪费。
高效的事件通知：
epoll 使用内核事件通知机制，避免了每次调用时重新构

============
但是有人说，nio是在用户态遍历所有的socket然后发现有数据的开始处理，每次查询是否有数据的时候都是用户态转到内核态，而io多路复用是内核态自己检查什么有数据，就不用有很多用户态到内核态的切换了。这就是io多路复用比nio快的原因，是这样吗？

你提到的观点涉及到 I/O 多路复用和非阻塞 I/O（NIO）在用户态和内核态之间的切换问题。确实，这也是 I/O 多路复用机制（如 `epoll`）在某些情况下比传统的非阻塞 I/O 更高效的原因之一。让我们详细解释一下这个过程。

### 用户态与内核态

- **用户态**：应用程序运行的状态，受限于操作系统的保护机制，不能直接访问硬件或内核数据结构。
- **内核态**：操作系统内核运行的状态，具有完全的硬件访问权限，可以直接操作硬件和管理系统资源。

### NIO（非阻塞 I/O）

在非阻塞 I/O 模型中，应用程序会不断地检查每个套接字（socket）是否有数据可读或可写。这通常涉及多次系统调用，每次调用都会导致用户态和内核态之间的切换。

1. **非阻塞 I/O 的轮询**：
- 应用程序设置套接字为非阻塞模式。
- 应用程序在主循环中不断调用 `read` 或 `write`，检查每个套接字的状态。
- 如果套接字没有数据可读或不可写，系统调用会立即返回，应用程序继续轮询其他套接字。

这种模式下，每个套接字的检查都需要一次用户态到内核态的切换，这在大量连接的情况下会带来较大的开销。

### I/O 多路复用（如 `epoll`）

I/O 多路复用机制通过一个系统调用（如 `epoll_wait`）来监视多个文件描述符，只有在至少一个文件描述符变为可读、可写或发生异常时才返回。这减少了用户态和内核态之间的切换次数。

1. **`epoll` 的事件驱动**：
- 应用程序使用 `epoll_create` 创建一个 `epoll` 实例。
- 使用 `epoll_ctl` 将要监视的文件描述符添加到 `ep

==============
那还有其他原因吗？

你提到的观点是正确的，用户态和内核态之间的切换确实是 I/O 多路复用（如 `epoll`）在某些情况下比传统的非阻塞 I/O 更高效的原因之一。但这并不是唯一的原因，还有其他一些因素也使得 I/O 多路复用机制更为高效。让我们详细探讨这些原因。

### 1. 减少用户态和内核态的切换

正如你所提到的，传统的非阻塞 I/O 模型需要频繁地从用户态切换到内核态进行状态检查，这会带来额外的开销。I/O 多路复用机制通过将多个文件描述符的状态检查集中在一次系统调用中，显著减少了这种切换的次数。

### 2. 更高效的事件通知机制

- **`select` 和 `poll`**：这些早期的 I/O 多路复用机制在每次调用时都需要重新遍历整个文件描述符集合，效率较低，尤其是在文件描述符数量较多时。
- **`epoll`**：`epoll` 使用事件驱动的机制，将活跃的文件描述符通过回调机制通知应用程序。`epoll` 的实现使用内核空间的数据结构（如红黑树和链表）来管理文件描述符，能够高效地处理大量连接。

### 3. 较低的内存复制开销

在 `select` 和 `poll` 机制中，每次调用都会将整个文件描述符集合从用户态复制到内核态，这会带来额外的内存复制开销。而 `epoll` 通过在内核态维护一个文件描述符集合，避免了这种重复的内存复制操作。

### 4. 更好的可扩展性

`epoll` 的设计使其能够更好地扩展以处理大量并发连接。相比之下，`select` 和 `poll` 在文件描述符数量较多时性能会显著下降，因为它们需要遍历整个文件描述符集合，而 `epoll` 只需要处理活跃的文件描述符。

### 5. 较低的资源占用

`epoll` 可以高效地管理大量空闲连接，而 `select` 和 `poll` 在这种情况下会浪费大量资源。由于 `epoll` 只在有事件发生时才通知应用程序，它能够更有效地利用系统资源。

### 6. 支持边缘触发和水平触发

`epoll` 支持两种触发模式：
- **水平触发（Level-Triggered）**：类似于 `select` 和 `poll`，每次有事件发生都会通知应用程序。
- **边缘触发（Edge-Triggered）**：只有在状态变化时才通知应用程序，这减少了不必要的通知次数，提高了效率。

### 结论

I/O 多路复用机制（如 `epoll`）相比传统的非阻塞 I/O 模型，具有更高的效率和更好的可扩展性。这不仅仅是因为减少了用户态和内核态之间的切换，还包括更高效的事件通知机制、较低的内存复制开销、更好的可扩展性和较低的资源占用等多个方面的改进。通过这些优化，`epoll` 能够在处理大量并发连接时表现出色。

==================

==============

I/O多路复用的重要性

在现代网络编程中,I/O多路复用是一个非常重要的概念。随着互联网的发展,服务器需要处理越来越多的并发连接,如果每个连接都使用一个单独的线程或进程来处理,将会带来巨大的系统开销。I/O多路复用技术能够让一个单一的线程高效地管理多个I/O事件,从而大大提高服务器的并发处理能力和性能。

select、poll和epoll的比较

正如前面所介绍的,select、poll和epoll是三种不同的I/O多路复用机制,它们各有优缺点:

select:
- 优点:简单易用,跨平台
- 缺点:文件描述符数量受限,性能随描述符数量增加而下降
poll:
- 优点:没有文件描述符数量限制
- 缺点:性能仍然不佳,需要遍历整个描述符集合
epoll:
- 优点:没有文件描述符数量限制,性能更高,支持边缘触发和水平触发模式
- 缺点:Linux特有,不跨平台

总的来说,epoll是目前Linux系统下最高效的I/O多路复用机制,它能够轻松应对大规模并发连接的场景。这也是为什么现代高性能服务器(如Redis、Nginx等)会选择使用epoll来实现I/O多路复用的原因。

epoll的工作原理

epoll的工作原理可以概括为以下几个步骤:

创建epoll实例:使用epoll_create()函数创建一个epoll实例,这个实例会维护一个事件表,用于存储需要监视的文件描述符及其关注的事件。
注册文件描述符:使用epoll_ctl()函数将需要监视的文件描述符及其关注的事件(如EPOLLIN、EPOLLOUT等)添加到epoll实例的事件表中。
等待事件发生:使用epoll_wait()函数等待事件发生。该函数会阻塞,直到事件表中至少有一个文件描述符准备好进行I/O操作。
处理事件:当epoll_wait()返回时,应用程序可以遍历返回的事件数组,并对每个就绪的文件描述符进行相应的处理,如读取数据、写入数据等。

epoll的关键特点是使用事件通知机制,而不是像select和poll那样需要轮询所有的文件描述符。这样可以大大提高性能,特别是在处理大量并发连接的场景下。

epoll的工作模式

epoll支持两种工作模式:

水平触发(Level-Triggered, LT):
- 默认模式,与select和poll类似,当文件描述符准备好时,epoll_wait会一直返回该描述符。
- 适用于阻塞I/O,可以让应用程序轻松处理缓慢的I/O操作。
边缘触发(Edge-Triggered, ET):
- 高效模式,只有当文件描述符状态发生变化时,epoll_wait才会返回该描述符。
- 适用于非阻塞I/O,可以最大限度地减少不必要的系统调用。

边缘触发模式能够提供更高的性能,但要求应用程序必须以非阻塞的方式处理I/O操作,以避免丢失事件。这种模式通常用于高性能网络服务器,如Nginx和Redis等。

epoll在Redis中的应用

Redis是一款高性能的开源键值存储数据库,它大量使用了epoll来实现I/O多路复用。具体来说,Redis的事件循环机制使用epoll来监视客户端连接、定时器事件以及其他类型的事件,并将就绪事件分发给相应的事件处理器进行处理。

Redis的事件循环主要包括以下步骤:

使用epoll_create()创建一个epoll实例。
将监听套接字、定时器事件等添加到epoll实例的事件表中。
调用epoll_wait()等待事件发生。
处理就绪事件,如读取客户端请求、执行定时任务等。
再次调用epoll_wait()等待下一轮事件。

通过使用epoll,Redis能够高效地处理大量并发客户端连接,同时也能够及时响应定时器事件等其他类型的事件。这使得Redis能够提供快速、稳定的服务,成为广受欢迎的NoSQL数据库。

总结

I/O多路复用是现代网络编程中的一个重要概念,它能够帮助服务器高效地处理大量并发连接。在Linux系统中,epoll是最高效的I/O多路复用机制,它克服了select和poll的局限性,能够轻松应对大规模并发连接的场景。

Redis等高性能服务器广泛使用epoll来实现I/O多路复用,这使得它们能够提供快速、稳定的服务。通过理解epoll的工作原理和使用方法,我们可以更好地设计和优化高性能的网络应用程序。

其他I/O多路复用机制

除了前面提到的select、poll和epoll,还有一些其他的I/O多路复用机制值得了解:

kqueue (FreeBSD/macOS):
- kqueue是FreeBSD和macOS系统上的I/O多路复用机制,与epoll类似,也是基于事件通知的高效实现。
- kqueue提供了更加灵活和强大的事件监控功能,支持文件、套接字、定时器等多种类型的事件。
- 与epoll相比,kqueue在跨平台性方面更有优势,可以在FreeBSD和macOS系统上使用。
IOCP (Windows):
- IOCP (I/O Completion Ports)是Windows系统上的I/O多路复用机制,与epoll和kqueue的工作原理类似。
- IOCP使用异步I/O操作和完成端口机制来实现高效的I/O多路复用,适用于Windows平台上的高性能网络应用程序。
- 与epoll和kqueue相比,IOCP更适合Windows平台,但在跨平台性方面略有劣势。
libuv:
- libuv是一个跨平台的异步I/O库,它封装了不同操作系统上的I/O多路复用机制,提供了统一的API。
- libuv可以在Linux、macOS、Windows等多个平台上使用,为开发者提供了一个跨平台的异步I/O解决方案。
- libuv不仅支持网络I/O,还支持文件I/O、子进程管理等功能,是一个功能强大的异步I/O库。