背景知识

网络通信过程

• TCP 和 UDP 协议通信都是通过操作系统的 Socket 来实现。
• 服务端调用 socket()函数，指定网络协议和传输协议创建 Socket。
• 服务端调用 bind()函数，将 Socket 绑定到 IP 地址和端口号。
  • 可能存在多个网卡，所以需要指定 IP 地址。
• 服务端调用 listen()函数，将 Socket 设置为监听模式，等待客户端连接。
  • 可以通过 netstat 命令查看端口号是否被监听。
• 服务端调用 accept()函数，从内核获取客户端连接，如果没有连接则阻塞。
• 客户端调用 socket()函数，指定网络协议和传输协议创建 Socket。
• 客户端调用 connect()函数，传入 IP 地址和端口号，向服务端发起连接请求。
• 客户端与服务端通过三次握手建立TCP 连接。
• 双方通过read()和write()函数读写数据。

IO多路复用

• IO多路复用是一种高效的 IO 处理方式，允许一个进程同时监听多个 IO 事件，在事件就绪时进行处理，避免阻塞。
• IO多路复用技术可以提高并发性能，减少资源占用，在网络编程中应用广泛。
• IO：输入输出的数据传输行为。
• 磁盘 IO：磁盘的输入输出。
• 网络 IO：网络的输入输出。

网络IO模型

同步阻塞IO

• IO操作时会阻塞线程，直到数据从内核空间复制到用户空间才恢复执行。
• linux默认所有 socket 操作都是阻塞的。
• 高并发时会导致创建大量线程，耗尽系统资源。

同步非阻塞IO

• IO操作时不阻塞线程，如果数据没有准备好，会立即返回一个错误。
• 通过设置 socket 选项，将 socket 设置为非阻塞模式。
• 需要用户线程不断轮询，虽然避免阻塞，但是会消耗大量的 CPU 资源。

同步多路复用IO

• 通过一个线程监听多个IO，哪个就绪就通知程序处理哪一个。

select

• 将描述符集合通过 select()传给内核，内核返回就绪的描述符数量。
• 是早期的多路复用技术，存在以下问题：
  • 每次调用 select 都需要传入描述符集合，高并发时会消耗资源。
  • 描述符集合数量受限，由宏FD_SETSIZE定义，如 1024。
  • 当有就绪事件出现时需要遍历描述符集合。

poll

• 解决 select 的描述符集合数量受限的问题。
• 每次调用 poll 都需要传入描述符集合，高并发时同样会消耗资源。

epoll

• epoll_create：创建一个 epoll 句柄。
• epoll_ctl：向 epoll 对象添加/修改/删除所要监听的描述符。
• epoll_wait：等待返回就绪的文件描述符链表，类似于 select()。
• linux 内核 2.6 以后才支持，解决了 select 的所有问题，大部分高并发中间件都是使用 epoll。
• epoll 的文件描述符采用红黑树存储。

异步IO

• IO操作完成后会主动通知应用程序，应用程序可以继续执行其他任务。