Linux C编程(九) 之 I/O复用-----select机制
基础概念
IO多路复用是指内核一旦发现进程指定的一个或者多个IO条件准备读取，它就通知该进程。IO多路复用适用如下场合：
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当客户处理多个描述字时（一般是交互式输入和网络套接口），必须使用I/O复用。
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当一个客户同时处理多个套接口时，而这种情况是可能的，但很少出现。
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如果一个TCP服务器既要处理监听套接口，又要处理已连接套接口，一般也要用到I/O复用。
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如果一个服务器即要处理TCP，又要处理UDP，一般要使用I/O复用。
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如果一个服务器要处理多个服务或多个协议，一般要使用I/O复用。
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与多进程和多线程技术相比，I/O多路复用技术的最大优势是系统开销小，系统不必创建进程/线程，也不必维护这些进程/线程，从而大大减小了系统的开销。
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LInux下的五种IO模型
[1] blocking IO - 阻塞IO
[2] nonblocking IO - 非阻塞IO
[3] IO multiplexing - IO多路复用
[4] signal driven IO - 信号驱动IO
[5] asynchronous IO - 异步IO
其中前面4种IO都可以归类为synchronous IO - 同步IO，而select、poll、epoll本质上也都是同步I/O，因为他们都需要在读写事件就绪后自己负责进行读写，也就是说这个读写过程是阻塞的。
select函数
该函数准许进程指示内核等待多个事件中的任何一个发送，并只在有一个或多个事件发生或经历一段指定的时间后才唤醒。函数原型如下：
#include
#include
int select(int maxfdp1,fd_set *readset,fd_set *writeset,fd_set *exceptset,const struct timeval *timeout)
- 函数参数介绍如下：
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第一个参数maxfdp1指定待测试的描述字个数，它的值是待测试的最大描述字加1（因此把该参数命名为maxfdp1），描述字0、1、2 maxfdp1-1均将被测试。因为文件描述符是从0开始的。
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中间的三个参数readset、writeset和exceptset指定我们要让内核测试读、写和异常条件的描述字。如果对某一个的条件不感兴趣，就可以把它设为空指针。struct fd_set可以理解为一个集合，这个集合中存放的是文件描述符，可通过以下四个宏进行设置：
void FD_ZERO(fd_set *fdset); //清空集合 void FD_SET(int fd, fd_set *fdset); //将一个给定的文件描述符加入集合之中 void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset); //将一个给定的文件描述符从集合中删除 int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset); // 检查集合中指定的文件描述符是否可以读写 -
timeout告知内核等待所指定描述字中的任何一个就绪可花多少时间。其timeval结构用于指定这段时间的秒数和微秒数。
struct timeval{ long tv_sec; //seconds long tv_usec; //microseconds };
这个参数有三种可能：
（1）永远等待下去：仅在有一个描述字准备好I/O时才返回。为此，把该参数设置为空指针NULL。
（2）等待一段固定时间：在有一个描述字准备好I/O时返回，但是不超过由该参数所指向的timeval结构中指定的秒数和微秒数。
（3）根本不等待：检查描述字后立即返回，这称为轮询。为此，该参数必须指向一个timeval结构，而且其中的定时器值必须为0。
返回值：就绪描述符的数目，超时返回0，出错返回-1
代码示例
server:
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define MAXBUF 1024
int main(int argc, char **argv)
{
int sockfd, new_fd;
socklen_t len;
struct sockaddr_in my_addr, their_addr;
unsigned int myport, lisnum;
char buf[MAXBUF + 1];
fd_set rfds;
struct timeval tv;
int retval, maxfd = -1;
if (argv[1])
myport = atoi(argv[1]);
else
myport = 7838;
if (argv[2])
lisnum = atoi(argv[2]);
else
lisnum = 2;
// create an new socket
if ((sockfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1)
{
perror("socket");
exit(1);
}
bzero(&my_addr, sizeof(my_addr));
my_addr.sin_family = PF_INET;
my_addr.sin_port = htons(myport);
if (argv[3])
my_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[3]);
else
my_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
if (bind(sockfd, (struct sockaddr *) &my_addr, sizeof(struct sockaddr)) == -1)
{
perror("bind");
exit(1);
}
if (listen(sockfd, lisnum) == -1)
{
perror("listen");
exit(1);
}
while (1)
{
printf("\n----等待新的连接到来开始新一轮聊天……\n");
len = sizeof(struct sockaddr);
/*接受新连接并打印*/
if ((new_fd = accept(sockfd, (struct sockaddr *) &their_addr, &len)) == -1)
{
perror("accept");
exit(errno);
}
else
{
printf("server: got connection from %s, port %d, socket %d\n", inet_ntoa(their_addr.sin_addr), ntohs(their_addr.sin_port), new_fd);
}
// 开始处理每个新连接上的数据收发
printf("\n准备就绪，可以开始聊天了……直接输入消息回车即可发信息给对方\n");
while (1)
{
// 把集合清空 每一次轮询开始都要把fd_set清空
FD_ZERO(&rfds);
// 把标准输入(stdin)句柄0加入到集合中
FD_SET(0, &rfds);
// 把当前连接(socket)句柄new_fd加入到集合中
FD_SET(new_fd, &rfds);
maxfd = 0;
if (new_fd > maxfd)
{
maxfd = new_fd;
}
// 设置最大等待时间
tv.tv_sec = 5;
tv.tv_usec = 0;
// 开始等待
retval = select(maxfd + 1, &rfds, NULL, NULL, &tv);
if (retval == -1)
{
printf("将退出，select出错！ %s", strerror(errno));
break;
}
else if (retval == 0)
{
printf("没有任何消息到来，用户也没有按键，继续等待……\n");
continue;
}
else
{
// 判断当前IO是否是stdin
if (FD_ISSET(0, &rfds)) // 用户按键了，则读取用户输入的内容发送出去
{
bzero(buf, MAXBUF + 1);
fgets(buf, MAXBUF, stdin);
if (!strncasecmp(buf, "quit", 4))
{
printf("自己请求终止聊天！\n");
break;
}
len = send(new_fd, buf, strlen(buf) - 1, 0);
if (len > 0)
printf("消息:%s\t发送成功，共发送了%d个字节！\n", buf, len);
else
{
printf("消息'%s'发送失败！错误代码是%d，错误信息是'%s'\n", buf, errno, strerror(errno));
break;
}
}
// 判断当前IO是否是来自socket
if (FD_ISSET(new_fd, &rfds)) // 当前连接的socket上有消息到来则接收对方发过来的消息并显示
{
bzero(buf, MAXBUF + 1);
// 接收客户端的消息
len = recv(new_fd, buf, MAXBUF, 0);
if (len > 0)
{
printf("接收消息成功:'%s'，共%d个字节的数据\n", buf, len);
}
else
{
if (len < 0)
printf("消息接收失败！错误代码是%d，错误信息是'%s'\n", errno, strerror(errno));
else
printf("对方退出了，聊天终止\n");
break;
}
}
}
}
close(new_fd);
// 处理每个新连接上的数据收发结束
printf("还要和其它连接聊天吗？(no->退出)");
fflush(stdout);
bzero(buf, MAXBUF + 1);
fgets(buf, MAXBUF, stdin);
if (!strncasecmp(buf, "no", 2))
{
printf("终止聊天！\n");
break;
}
}
close(sockfd);
return 0;
}
client:
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define MAXBUF 1024
int main(int argc, char **argv)
{
int sockfd, len;
struct sockaddr_in dest;
char buffer[MAXBUF + 1];
fd_set rfds;
struct timeval tv;
int retval, maxfd = -1;
if (argc != 3)
{
printf("参数格式错误！正确用法如下：\n\t\t%s IP地址 端口\n\t比如:\t%s 127.0.0.1 80\n此程序用来从某个 IP 地址的服务器某个端口接收最多 MAXBUF 个字节的消息", argv[0], argv[0]);
exit(0);
}
// 创建一个 socket 用于 tcp 通信
if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0)
{
perror("Socket");
exit(errno);
}
// 初始化服务器端（对方）的地址和端口信息
bzero(&dest, sizeof(dest));
dest.sin_family = AF_INET;
dest.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
if (inet_aton(argv[1], (struct in_addr *) &dest.sin_addr.s_addr) == 0)
{
perror(argv[1]);
exit(errno);
}
// 连接服务器
if (connect(sockfd, (struct sockaddr *) &dest, sizeof(dest)) != 0)
{
perror("Connect ");
exit(errno);
}
printf("\n准备就绪，可以开始聊天了……直接输入消息回车即可发信息给对方\n");
while (1)
{
// 把集合清空
FD_ZERO(&rfds);
// 把标准输入句柄0加入到集合中
FD_SET(0, &rfds);
maxfd = 0;
// 把当前连接句柄sockfd加入到集合中
FD_SET(sockfd, &rfds);
if (sockfd > maxfd)
maxfd = sockfd;
// 设置最大等待时间
tv.tv_sec = 3;
tv.tv_usec = 0;
// 开始等待
retval = select(maxfd + 1, &rfds, NULL, NULL, &tv);
if (retval == -1)
{
printf("将退出，select出错！ %s", strerror(errno));
break;
}
else if (retval == 0)
{
/* printf("没有任何消息到来，用户也没有按键，继续等待……\n"); */
continue;
}
else
{
if (FD_ISSET(sockfd, &rfds)) // 连接的socket上有消息到来则接收对方发过来的消息并显示
{
bzero(buffer, MAXBUF + 1);
// 接收对方发过来的消息，最多接收 MAXBUF 个字节
len = recv(sockfd, buffer, MAXBUF, 0);
if (len > 0)
{
printf("接收消息成功:'%s'，共%d个字节的数据\n", buffer, len);
}
else
{
if (len < 0)
{
printf("消息接收失败！错误代码是%d，错误信息是'%s'\n", errno, strerror(errno));
}
else
{
printf("对方退出了，聊天终止！\n");
}
break;
}
}
if (FD_ISSET(0, &rfds)) // 用户按键了，则读取用户输入的内容发送出去
{
bzero(buffer, MAXBUF + 1);
fgets(buffer, MAXBUF, stdin);
if (!strncasecmp(buffer, "quit", 4))
{
printf("自己请求终止聊天！\n");
break;
}
// 发消息给服务器
len = send(sockfd, buffer, strlen(buffer) - 1, 0);
if (len < 0)
{
printf("消息'%s'发送失败！错误代码是%d，错误信息是'%s'\n", buffer, errno, strerror(errno));
break;
}
else
{
printf("消息：%s\t发送成功，共发送了%d个字节！\n", buffer, len);
}
}
}
}
// 关闭连接
close(sockfd);
return 0;
}
select机制的问题
- 每次调用select，都需要把fd_set集合从用户态拷贝到内核态，如果fd_set集合很大时，那这个开销也很大
- 同时每次调用select都需要在内核遍历传递进来的所有fd_set，如果fd_set集合很大时，那这个开销也很大
- 为了减少数据拷贝带来的性能损坏，内核对被监控的fd_set集合大小做了限制，并且这个是通过宏控制的，大小不可改变(限制为1024)