网络编程4-并发服务器、阻塞与非阻塞IO、信号驱动模型、IO多路复用..

一、并发服务器

1、单循环服务器（顺序处理）        

        一次只能处理一个客户端连接，只有当前客户端断开连接后，才能接受新的客户端连接

2、多进程/多线程并发服务器

while(1) {
connfd = accept(listenfd);
pid = fork();  // 或 pthread_create()
if (pid == 0) {
// 子进程/线程处理通信
recv(connfd, ...);
send(connfd, ...);
close(connfd);
exit(0); // 或 pthread_exit
}
close(connfd); // 父进程关闭已交给子进程的 connfd
}

优点：

  • 实现真正并发

  • 客户端可长时间通信

缺点：

  • 创建/销毁进程或线程开销大

  • 资源占用高（内存、CPU）

  • 存在僵尸进程问题（需 waitpid() 回收）

二、IO 模型分类（5种）

1、阻塞IO模型

  • 常见阻塞IO模型：
    • i--读 scanf、getchar、fgets、read、recv
    • o--写 管道：读端存在，写管道 ​写操作阻塞>>>>内存不足，写不进去便阻塞了

  • 优点:简单、方便、要等 效率不高

2、 非阻塞IO模型

1）以读为例：

  • 特点：需要不停去看，资源开销大

2）实现方法

方法一：open() 时指定

int fd = open("fifo", O_RDONLY | O_NONBLOCK);

方法二：运行时用 fcntl() 修改

int flag = fcntl(fd, F_GETFL, 0);
flag |= O_NONBLOCK;
fcntl(fd, F_SETFL, flag);

  • 注意事项
  •  适用于 read/write 等系统调用。 对 recv() 可使用 MSG_DONTWAIT 标志实现非阻塞

3）示例

方法一

方法二

3、信号驱动IO模型

1）使用 SIGIO 信号通知数据到达，异步但支持有限

  • 有数据发个信号，然后系统调用
  • 通知粒度粗：仅能告知 “有 IO 事件”，无法区分事件类型与细节

2）利用函数：fcntl 实现

3）实现步骤

// 1. 设置文件描述符支持异步通知
int flags = fcntl(fd, F_GETFL);
fcntl(fd, F_SETFL, flags | O_ASYNC);

// 2. 设置信号接收者（当前进程）
fcntl(fd, F_SETOWN, getpid());

// 3. 注册信号处理函数
signal(SIGIO, sig_handler);

  • 不足之处

    • 支持的文件类型有限（如 socket、tty）

    • 不适合大量连接场景

    • 实际应用较少

4）示例

4、异步 IO 模型

信号驱动IO和一步IO区别

核心结论信号驱动 IO异步 IO
异步能力的完整性“半异步”：仅解决 “IO 就绪通知”，未解决 “数据拷贝异步”“全异步”：从 “IO 就绪” 到 “数据拷贝完成” 全程异步
内核与应用的职责划分内核仅通知 “就绪”，数据拷贝需应用程序主动做内核包办 “就绪检测 + 数据拷贝”，应用程序仅用结果
工业界定位早期异步 IO 的过渡方案，已被淘汰现代高并发 / 高性能 IO 的标准方案

        简单来说：信号驱动 IO 是 “让内核喊你‘饭好了’，但你得自己去盛饭”；现代异步 IO 是 “内核把‘饭盛好端到你面前’，你直接吃就行”—— 后者才是真正意义上 “无感知等待、无主动操作” 的异步 IO

5、IO多路复用模型

1）概念

        用一个线程监控多个文件描述符（fd），当其中任意一个就绪时通知程序进行处理

        n个客户端-->>用一个线程或进程服务器去答复

        优点：避免创建大量线程/进程，节省资源，适合高并发场景（如 Web 服务器）

        常见函数：select()、poll()、epoll()

2）函数介绍

① select

头文件：        #include <sys/select.h>

函数原型：

                int select(int nfds,
fd_set *readfds,
fd_set *writefds,
fd_set *exceptfds,
struct timeval *timeout);

功能：        实现IO多路复用

参数：

        nfds //是关心的文件描述符中最大的那个文件描述符 + 1

        readfds //代表 要关心 的 读操作的文件描述符的集合

        writefds //代表 要关心 的 写操作的文件描述符的集合 >>> 与read类似

        exceptfds //代表 要关心 的 异常的文件描述符的集合 >>> 与read类似（error--2）

        timeout //超时 设置一个超时时间

                //NULL 表示select是一个阻塞调用

    {0,0}：非阻塞效果

    {sec, usec}：指定超时

                时间最小单位写到ms

返回值：        

                成功：就绪的 fd 数量（>0）

                超时：返回 0

                失败：返回 -1

辅助宏函数：

                FD_ZERO(fd_set *set);                // 清空集合
FD_SET(int fd, fd_set *set);         // 添加 fd 到集合
FD_CLR(int fd, fd_set *set);         // 从集合中移除 fd
FD_ISSET(int fd, fd_set *set);      // 判断 fd 是否在集合中

基本实现流程

文字版过程

  • 建立一张表 >>>监控 目前只关心读
    • fd_set readfds；一张表
    • FD_ZERO(&readfds)；清空表（初始化）
  • 将要监控的文件描述符 添加到表中
    • FD_SET(0,&readfds);//stdin
    • FD_SET(fd,&readfds);//建的管道或者文件描述符
  • 准备参数
    • maxfds 是关心的文件描述符中最大的那个文件描述符 + 1
      • int maxfds = fd + 1；
    • 每次系统调用只会留下就绪的文件描述符（每次监控都会重新遍历一遍）
      • fd_set backfds; //设置这个等于最初的表
  • 一般在循环内进行系统调用
  • 具体内容如下
  • 最前面建立tcp网络连接的基本步骤

  • 利用select函数实现步骤

  • 加上定时定次功能

优点

  • 内核负责轮询，减少用户态频繁切换

  • 支持跨平台（Windows/Linux 均可用

缺点

  • 最大监听数受限：FD_SETSIZE 默认 1024（Linux）

  • 每次调用需重置 fd_set：内核会修改集合，必须每次重新 FD_SET

  • 用户态与内核态拷贝开销大

  • 返回后仍需遍历所有 fd 才能知道哪个就绪

  • 效率随 fd 数量增长下降明显

知识点
  • stdin        --->0
  • stdout      --->1
  • error        --->2

② poll

头文件：        #include <poll.h>

函数原型：  int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);

功能：            实现IO多路复用

参数：        

struct pollfd *fds ：struct pollfd {
int   fd;       // 文件描述符
short events;   // 关注的事件（输入）
short revents;  // 实际发生的事件（输出）
};

nfds_t nfds：表示要监控的文件描述符的数量

timeout ：时间值 

返回值：        

                成功 表示 就绪的数量 ；0 超时情况下表示 没有就绪实际

                失败 -1

事件标志：

                POLLIN:数据可读（等价于 select 的读）

基本实现流程

优点

  • 无 1024 限制：只要系统允许打开足够多 fd

  • 无需重置集合：events 和 revents 分离

  • 更清晰的事件机制

  • 效率更高：仅遍历传入的数组，不遍历整个 fd 范围

缺点

  • 每次调用仍需将整个 fds[] 拷贝到内核

  • 返回后仍需遍历全部元素查找就绪 fd

  • 时间复杂度仍是 O(n)，连接数多时性能下降

③ epoll

< 水平触发 >

        只要缓冲区有数据就持续触发

结果展现

epoll_create                

函数原型：        int epoll_create(int size);

功能：              创建 epoll 实例

参数：              size：提示内核初始分配空间大小（现已忽略）

返回值：          成功  epoll 文件描述符（用于后续操作）

                         失败 -1

注意事项：      使用完需 close(epfd)

epoll_ctl()        

函数原型：        int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

功能：               控制监听列表

参数：              epfd：epoll 句柄（epoll_create 返回

                         op ：操作类型

                                EPOLL_CTL_ADD

                                EPOLL_CTL_DEL

                                EPOLL_CTL_MOD

                         fd：要监听的目标文件描述符

                        event：事件结构体   struct epoll_event

返回值：          成功  epoll 文件描述符（用于后续操作）

                         失败 -1

struct epoll_event

epoll_event 结构体：

struct epoll_event {
uint32_t     events;   // 监听的事件类型
epoll_data_t data;     // 用户数据（共用体）
};

typedef union epoll_data {
void    *ptr;
int      fd;
uint32_t u32;
uint64_t u64;
} epoll_data_t;

常见事件类型
事件含义
EPOLLIN可读
EPOLLOUT可写
EPOLLRDHUP对端关闭连接（TCP 半关闭）
EPOLLERR错误（自动监听）
EPOLLHUP挂起（自动监听）
EPOLLET边沿触发模式（Edge Triggered）
EPOLLONESHOT触发一次后失效，需重新注册
epoll_wait()         

函数原型：        int epoll_wait(int epfd,
struct epoll_event *events,
int maxevents,
int timeout);

功能：              等待事件发生

参数：              epfd：epoll 句柄（epoll_create 返回                         

         events：用户提供的数组，用于接收就绪事件

                         maxevents：最大接收事件数（通常 10~100

                        timeout：超时（单位 ms ）

                                -1：永久阻塞

                                0：非阻塞

                                >0：等待指定毫秒

        ​​​​​​​        ​​​​​​​        ​​​​​​​        

返回值：          成功  就绪事件数量（无需遍历所有 fd）

                         失败 -1

tcp 实现epoll并发服务器

封装添加和删除函数

完整内容

#include "head.h"int add_fd(int listenfd,int epfd)     //将文件描述符添加到 epoll 监控列表
{struct epoll_event ev; //定义结构体ev.events = EPOLLIN; //表示监控可读事件(文件描述符有数据可读时触发)ev.data.fd = listenfd;if (epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,listenfd,&ev))//epoll_ctl添加、修改、删除监控的文件描述符{perror("epoll_ctl add fail");return -1;}return 0;
}
int del_fd(int fd,int epfd)
{if (epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_DEL,fd,NULL)){perror("epoll_ctl del fail");return -1;}return 0;}
int main(void)
{int serfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if (serfd < 0){perror("fail to socke");return -1;}struct sockaddr_in seraddr;seraddr.sin_family = AF_INET;seraddr.sin_port = htons(50000);seraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");if (bind(serfd,(const struct sockaddr *)&seraddr,sizeof(seraddr)) < 0){perror("bind fial");return -1;}if (listen(serfd,5) < 0){perror("listen fail");return -1;}struct sockaddr_in cliaddr;bzero(&cliaddr,0);socklen_t len = sizeof(cliaddr);/************正片开始******************/char buf[1024] = {0};int epfd = epoll_create(1); //创建,返回一个用于操作的文件描述符efd//括号内要求大于0的值就行add_fd(serfd,epfd);  //添加serfd到epoll监控int t = 3000;struct epoll_event ret_ev[1024];   //可以容纳的个数while (1){int ret = epoll_wait(epfd,ret_ev,10,t); //等待事件发生,超时时间为3000ms//ret_ev数组用于存储发生的事件//就序最多处理 10 个事件printf("ret = %d\n",ret);if (ret < 0)        //出错处理{perror("epoll fail");return -1;}if (ret > 0)        //遍历每个事件{int i = 0;for (i = 0; i < ret; i++){if (ret_ev[i].data.fd == serfd)    { int connfd = accept(serfd,(struct sockaddr *)&cliaddr,&len);if (connfd < 0){perror("accept fail");return -1;}printf("----client connect---\n");printf("client ip:%s\n",inet_ntoa(cliaddr.sin_addr));printf("port :%d\n",ntohs(cliaddr.sin_port));//添加到表里add_fd(connfd,epfd);}else //如果不是serfd我们就要开始收数据了{recv(ret_ev[i].data.fd,buf,sizeof(buf),0);printf("buf = %s\n",buf); if (0 == strncmp(buf,"quit",4)){del_fd(ret_ev[i].data.fd,epfd);    //从epfd内删除close(ret_ev[i].data.fd);}}}}}close(serfd);return 0;
}
< 边缘触发 >

        仅在状态变化时触发一次（必须配合非阻塞 IO）

        两种情况：

        正常数据：实际只能触发一次，但数据还在，利用循环可以打印出来，但是读完数据就没有了（）－－－n ＜０

        quit退出：实际只能触发一次，但数据还在，利用循环可以打印出来，读完数据就没有了，－－－n= 0

主要改变

注意事项：       

                fd 必须设置为 非阻塞

                必须一次性读完所有数据（直到 read() 返回 EAGAIN）

                否则会丢失后续事件

结果展现

具体水平触发的代码区别（改动的地方）

完整代码

#include "head.h"
#include <sys/socket.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <poll.h>
#include <sys/epoll.h>#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>int add_fd(int fd, int epfd)
{struct epoll_event ev;ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;// EPOLLET(ET)边缘触发//$$$--改1--$$$ev.data.fd = fd; //标准输入 if ( epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD, fd, &ev)){perror("epoll_ctl add fail");return -1;}	return 0;
}int del_fd(int fd, int epfd) //删除 
{//struct epoll_event ev;//ev.events = EPOLLIN;//ev.data.fd = fd; //标准输入 if ( epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_DEL, fd, NULL)){perror("epoll_ctl add fail");return -1;}	return 0;
}//$$$$$$$$$$--改2--$$$$$$$$$$$$$$$
void set_nonblock(int fd)
{int flags = fcntl(fd,F_GETFL);flags = flags | O_NONBLOCK;fcntl(fd,F_SETFL,flags);return；
}int main(int argc, char const *argv[])
{//step1 socket int fd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if (fd < 0){perror("socket fail");return -1;}struct sockaddr_in seraddr;bzero(&seraddr,sizeof(seraddr));seraddr.sin_family = AF_INET;seraddr.sin_port = htons(50000);seraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");//step2 bind if (bind(fd,(const struct sockaddr *)&seraddr,sizeof(seraddr)) < 0){perror("connect fail");return -1;}//step3 listenif (listen(fd,5) < 0){perror("listen fail");return -1;}struct sockaddr_in cliaddr;bzero(&cliaddr,0);socklen_t len = sizeof(cliaddr);//1.准备表 int epfd = epoll_create(1);if (epfd < 0){perror("epoll_create fail");return -1;}//2.添加 fd add_fd(fd,epfd);char buf[1024] = {0};struct epoll_event ret_ev[10];while (1){int ret =epoll_wait(epfd,ret_ev,10,-1);if (ret < 0){perror("epoll fail");return -1;}if (ret > 0){int i = 0;for (i = 0; i < ret; ++i){if (ret_ev[i].data.fd == fd) //listenfd {int connfd = accept(fd,(struct sockaddr *)&cliaddr,&len);if (connfd < 0){perror("accept fail");return -1;}printf("---client connect---\n");printf("client ip:%s\n",inet_ntoa(cliaddr.sin_addr));printf("port: %d\n",ntohs(cliaddr.sin_port));//设置非阻塞set_nonblock(connfd);//添加到表中add_fd(connfd,epfd);}else //$$$$$$$$$$--改3--$$$$$$$$$$$$$$${while(1){int n =  recv(ret_ev[i].data.fd,buf,1,0);printf("n = %d buf = %s\n",n,buf);if (n < 0 && errno != EAGAIN) //正常数据{ perror("recv ");del_fd(ret_ev[i].data.fd,epfd);close(ret_ev[i].data.fd);}if (n== 0 || strncmp(buf,"quit",4) == 0) //退出{del_fd(ret_ev[i].data.fd,epfd);close(ret_ev[i].data.fd);}sleep(1);}}}}} return 0;
}

3）函数对比

特性selectpollepoll
平台兼容性高（POSIX）高仅 Linux
最大连接数~1024无限制（但性能差）无限制
时间复杂度O(n)O(n)O(1)
用户/内核拷贝每次全量拷贝每次全量拷贝共享内存
是否修改输入参数是（需备份）否（revents 分离）否
触发模式仅 LT仅 LTLT + ET
遍历开销高（需遍历所有 fd）中（遍历数组）低（只处理就绪）
适用场景小规模连接、跨平台中小规模连接大规模高并发（如 Nginx）

4）应用建议

场景推荐方案
小型工具程序（<100 连接）select（简单、跨平台）
中等规模服务（几百连接）poll 或 select
高并发服务器（数千以上）epoll（Linux）
需跨平台（如 Windows）select 或 libevent/libuv 封装

5）总结

整体使用思路：

        1.准备监控表

        2.添加监控的文件描述符

        3.调用函数监控事件发生

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