網絡編程4-并發服務器、阻塞與非阻塞IO、信號驅動模型、IO多路復用..

一、并發服務器

1、單循環服務器（順序處理）????????

????????一次只能處理一個客戶端連接，只有當前客戶端斷開連接后，才能接受新的客戶端連接

2、多進程/多線程并發服務器

while(1) {
connfd = accept(listenfd);
pid = fork(); ?// 或 pthread_create()
if (pid == 0) {
// 子進程/線程處理通信
recv(connfd, ...);
send(connfd, ...);
close(connfd);
exit(0); // 或 pthread_exit
}
close(connfd); // 父進程關閉已交給子進程的 connfd
}

優點：

實現真正并發
客戶端可長時間通信

缺點：

創建/銷毀進程或線程開銷大
資源占用高（內存、CPU）
存在僵尸進程問題（需 waitpid() 回收）

二、IO 模型分類（5種）

1、阻塞IO模型

常見阻塞IO模型：
- i--讀 scanf、getchar、fgets、read、recv
- o--寫管道：讀端存在，寫管道 ?寫操作阻塞>>>>內存不足，寫不進去便阻塞了

優點:簡單、方便、要等效率不高

2、?非阻塞IO模型

1）以讀為例：

特點：需要不停去看，資源開銷大

2）實現方法

方法一：open() 時指定
int fd = open("fifo", O_RDONLY | O_NONBLOCK);
方法二：運行時用 fcntl() 修改
int flag = fcntl(fd, F_GETFL, 0);
flag |= O_NONBLOCK;
fcntl(fd, F_SETFL, flag);

注意事項
?適用于 read/write 等系統調用。對 recv() 可使用 MSG_DONTWAIT 標志實現非阻塞

3）示例

方法一

方法二

3、信號驅動IO模型

1）使用 `SIGIO` 信號通知數據到達，異步但支持有限

有數據發個信號，然后系統調用
通知粒度粗：僅能告知 “有 IO 事件”，無法區分事件類型與細節

2）利用函數：fcntl 實現

3）實現步驟

// 1. 設置文件描述符支持異步通知
int flags = fcntl(fd, F_GETFL);
fcntl(fd, F_SETFL, flags | O_ASYNC);
// 2. 設置信號接收者（當前進程）
fcntl(fd, F_SETOWN, getpid());
// 3. 注冊信號處理函數
signal(SIGIO, sig_handler);

不足之處
- 支持的文件類型有限（如 socket、tty）
- 不適合大量連接場景
- 實際應用較少

4）示例

4、異步 IO 模型

信號驅動IO和一步IO區別

核心結論	信號驅動 IO	異步 IO
異步能力的完整性	“半異步”：僅解決 “IO 就緒通知”，未解決 “數據拷貝異步”	“全異步”：從 “IO 就緒” 到 “數據拷貝完成” 全程異步
內核與應用的職責劃分	內核僅通知 “就緒”，數據拷貝需應用程序主動做	內核包辦 “就緒檢測 + 數據拷貝”，應用程序僅用結果
工業界定位	早期異步 IO 的過渡方案，已被淘汰	現代高并發 / 高性能 IO 的標準方案

????????簡單來說：信號驅動 IO 是 “讓內核喊你‘飯好了’，但你得自己去盛飯”；現代異步 IO 是 “內核把‘飯盛好端到你面前’，你直接吃就行”—— 后者才是真正意義上 “無感知等待、無主動操作” 的異步 IO

5、IO多路復用模型

1）概念

????????用一個線程監控多個文件描述符（fd），當其中任意一個就緒時通知程序進行處理

????????n個客戶端-->>用一個線程或進程服務器去答復

? ? ? ? 優點：避免創建大量線程/進程，節省資源，適合高并發場景（如 Web 服務器）

? ? ? ? 常見函數：select()、poll()、epoll()

2）函數介紹

① select

頭文件：????????#include <sys/select.h>
函數原型：
????????????????int select(int nfds,
fd_set *readfds,
fd_set *writefds,
fd_set *exceptfds,
struct timeval *timeout);
功能：????????實現IO多路復用
參數：
????????nfds //是關心的文件描述符中最大的那個文件描述符 + 1
????????readfds //代表要關心的讀操作的文件描述符的集合
????????writefds //代表要關心的寫操作的文件描述符的集合 >>> 與read類似
????????exceptfds //代表要關心的異常的文件描述符的集合 >>> 與read類似（error--2）
????????timeout //超時設置一個超時時間
? ? ? ? ? ? ? ? //NULL 表示select是一個阻塞調用
????{0,0}：非阻塞效果
????{sec, usec}：指定超時
????????????????時間最小單位寫到ms
返回值：????????
????????????????成功：就緒的 fd 數量（>0）
????????????????超時：返回 0
????????????????失敗：返回 -1
輔助宏函數：
????????????????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);???????? // 從集合中移除 fd
FD_ISSET(int fd, fd_set *set);? ? ??// 判斷 fd 是否在集合中

基本實現流程

文字版過程

建立一張表 >>>監控目前只關心讀
- fd_set readfds；一張表
- FD_ZERO(&readfds)；清空表（初始化）

將要監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
準備參數
- maxfds 是關心的文件描述符中最大的那個文件描述符 + 1
  - int maxfds = fd + 1；
- 每次系統調用只會留下就緒的文件描述符（每次監控都會重新遍歷一遍）
  - fd_set backfds; //設置這個等于最初的表
一般在循環內進行系統調用
具體內容如下
最前面建立tcp網絡連接的基本步驟

利用select函數實現步驟

加上定時定次功能

優點

內核負責輪詢，減少用戶態頻繁切換
支持跨平臺（Windows/Linux 均可用

缺點

最大監聽數受限：FD_SETSIZE 默認 1024（Linux）
每次調用需重置 fd_set：內核會修改集合，必須每次重新 FD_SET
用戶態與內核態拷貝開銷大
返回后仍需遍歷所有 fd 才能知道哪個就緒
效率隨 fd 數量增長下降明顯

知識點

stdin????????--->0
stdout? ? ? --->1
error? ? ? ? --->2

② poll

頭文件：????????#include <poll.h>
函數原型：? int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
功能：????????????實現IO多路復用
參數：????????
struct pollfd *fds?：struct pollfd {
int ? fd; ? ? ? // 文件描述符
short events; ? // 關注的事件（輸入）
short revents; ?// 實際發生的事件（輸出）
};
nfds_t nfds：表示要監控的文件描述符的數量
timeout?：時間值?
返回值：????????
????????????????成功表示就緒的數量；0 超時情況下表示沒有就緒實際
????????????????失敗 -1
事件標志：
????????????????POLLIN:數據可讀（等價于 select 的讀）

基本實現流程

優點

無 1024 限制：只要系統允許打開足夠多 fd
無需重置集合：events 和 revents 分離
更清晰的事件機制
效率更高：僅遍歷傳入的數組，不遍歷整個 fd 范圍

缺點

每次調用仍需將整個 fds[] 拷貝到內核
返回后仍需遍歷全部元素查找就緒 fd
時間復雜度仍是 O(n)，連接數多時性能下降

③ epoll

< 水平觸發 >

????????只要緩沖區有數據就持續觸發

結果展現

epoll_create????????????????

函數原型：????????int epoll_create(int size);
功能：? ? ? ? ? ? ??創建 epoll 實例
參數：? ? ? ? ? ? ??size：提示內核初始分配空間大小（現已忽略）
返回值：? ? ? ? ? 成功??epoll 文件描述符（用于后續操作）
? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ??失敗 -1
注意事項：??????使用完需 close(epfd)

`epoll_ctl()` ???????

函數原型：????????int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
功能：? ? ? ? ? ? ???控制監聽列表
參數：? ? ? ? ? ? ??epfd：epoll 句柄（epoll_create 返回
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?op ：操作類型
????????????????????????????????EPOLL_CTL_ADD
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??EPOLL_CTL_DEL
????????????????????????????????EPOLL_CTL_MOD
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?fd：要監聽的目標文件描述符
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? event：事件結構體? ?struct epoll_event
返回值：? ? ? ? ? 成功??epoll 文件描述符（用于后續操作）
? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ??失敗 -1

`struct epoll_event`

epoll_event?結構體：
struct epoll_event { uint32_t ? ? events; ? // 監聽的事件類型 epoll_data_t data; ? ? // 用戶數據（共用體） };
typedef union epoll_data { void ? ?*ptr; int ? ? ?fd; uint32_t u32; uint64_t u64; } epoll_data_t;

常見事件類型

事件	含義
`EPOLLIN`	可讀
`EPOLLOUT`	可寫
`EPOLLRDHUP`	對端關閉連接（TCP 半關閉）
`EPOLLERR`	錯誤（自動監聽）
`EPOLLHUP`	掛起（自動監聽）
`EPOLLET`	邊沿觸發模式（Edge Triggered）
`EPOLLONESHOT`	觸發一次后失效，需重新注冊

`epoll_wait()` ????????

函數原型：????????int epoll_wait(int epfd,
struct epoll_event *events,
int maxevents,
int timeout);
功能：? ? ? ? ? ? ??等待事件發生
參數：? ? ? ? ? ? ??epfd：epoll 句柄（epoll_create 返回? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
? ? ? ? ?events：用戶提供的數組，用于接收就緒事件
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?maxevents：最大接收事件數（通常 10~100
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? timeout：超時（單位 ms ）
????????????????????????????????-1：永久阻塞
????????????????????????????????0：非阻塞
????????????????????????????????>0：等待指定毫秒
?????????????????????????????????????????????? ? ? ??
返回值：? ? ? ? ? 成功??就緒事件數量（無需遍歷所有 fd）
? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ??失敗 -1

tcp 實現epoll并發服務器

封裝添加和刪除函數

完整內容

#include "head.h"int add_fd(int listenfd,int epfd)     //將文件描述符添加到 epoll 監控列表
{struct epoll_event ev; //定義結構體ev.events = EPOLLIN; //表示監控可讀事件(文件描述符有數據可讀時觸發)ev.data.fd = listenfd;if (epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,listenfd,&ev))//epoll_ctl添加、修改、刪除監控的文件描述符{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);/************正片開始******************/char buf[1024] = {0};int epfd = epoll_create(1); //創建,返回一個用于操作的文件描述符efd//括號內要求大于0的值就行add_fd(serfd,epfd);  //添加serfd到epoll監控int t = 3000;struct epoll_event ret_ev[1024];   //可以容納的個數while (1){int ret = epoll_wait(epfd,ret_ev,10,t); //等待事件發生,超時時間為3000ms//ret_ev數組用于存儲發生的事件//就序最多處理 10 個事件printf("ret = %d\n",ret);if (ret < 0)        //出錯處理{perror("epoll fail");return -1;}if (ret > 0)        //遍歷每個事件{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我們就要開始收數據了{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);    //從epfd內刪除close(ret_ev[i].data.fd);}}}}}close(serfd);return 0;
}

< 邊緣觸發 >

????????僅在狀態變化時觸發一次（必須配合非阻塞 IO）

? ? ? ? 兩種情況：

????????正常數據：實際只能觸發一次，但數據還在，利用循環可以打印出來，但是讀完數據就沒有了（）－－－n ＜０

????????quit退出：實際只能觸發一次，但數據還在，利用循環可以打印出來，讀完數據就沒有了，－－－n= 0

主要改變

注意事項：? ? ? ?

????????????????fd 必須設置為非阻塞

????????????????必須一次性讀完所有數據（直到 read() 返回 EAGAIN）

????????????????否則會丟失后續事件

結果展現

具體水平觸發的代碼區別（改動的地方）

完整代碼

#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)邊緣觸發//$$$--改1--$$$ev.data.fd = fd; //標準輸入 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) //刪除 
{//struct epoll_event ev;//ev.events = EPOLLIN;//ev.data.fd = fd; //標準輸入 if ( epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_DEL, fd, NULL)){perror("epoll_ctl add fail");return -1;}	return 0;
}//$$$$$$$$$$--改2--$$$$$$$$$$$$$$$
void set_nonblock(int fd)
{int flags = fcntl(fd,F_GETFL);flags = flags | O_NONBLOCK;fcntl(fd,F_SETFL,flags);return；
}int main(int argc, char const *argv[])
{//step1 socket int fd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if (fd < 0){perror("socket fail");return -1;}struct sockaddr_in seraddr;bzero(&seraddr,sizeof(seraddr));seraddr.sin_family = AF_INET;seraddr.sin_port = htons(50000);seraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");//step2 bind if (bind(fd,(const struct sockaddr *)&seraddr,sizeof(seraddr)) < 0){perror("connect fail");return -1;}//step3 listenif (listen(fd,5) < 0){perror("listen fail");return -1;}struct sockaddr_in cliaddr;bzero(&cliaddr,0);socklen_t len = sizeof(cliaddr);//1.準備表 int epfd = epoll_create(1);if (epfd < 0){perror("epoll_create fail");return -1;}//2.添加 fd add_fd(fd,epfd);char buf[1024] = {0};struct epoll_event ret_ev[10];while (1){int ret =epoll_wait(epfd,ret_ev,10,-1);if (ret < 0){perror("epoll fail");return -1;}if (ret > 0){int i = 0;for (i = 0; i < ret; ++i){if (ret_ev[i].data.fd == fd) //listenfd {int connfd = accept(fd,(struct sockaddr *)&cliaddr,&len);if (connfd < 0){perror("accept fail");return -1;}printf("---client connect---\n");printf("client ip:%s\n",inet_ntoa(cliaddr.sin_addr));printf("port: %d\n",ntohs(cliaddr.sin_port));//設置非阻塞set_nonblock(connfd);//添加到表中add_fd(connfd,epfd);}else //$$$$$$$$$$--改3--$$$$$$$$$$$$$$${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) //正常數據{ 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）函數對比

特性	select	poll	epoll
平臺兼容性	高（POSIX）	高	僅 Linux
最大連接數	~1024	無限制（但性能差）	無限制
時間復雜度	O(n)	O(n)	O(1)
用戶/內核拷貝	每次全量拷貝	每次全量拷貝	共享內存
是否修改輸入參數	是（需備份）	否（`revents` 分離）	否
觸發模式	僅 LT	僅 LT	LT + ET
遍歷開銷	高（需遍歷所有 fd）	中（遍歷數組）	低（只處理就緒）
適用場景	小規模連接、跨平臺	中小規模連接	大規模高并發（如 Nginx）

4）應用建議

場景	推薦方案
小型工具程序（<100 連接）	`select`（簡單、跨平臺）
中等規模服務（幾百連接）	`poll` 或 `select`
高并發服務器（數千以上）	`epoll`（Linux）
需跨平臺（如 Windows）	`select` 或 `libevent`/`libuv` 封裝