IO多路复用

     是同步IO的一种,用一个进程一次等待多个IO就绪事件的发生，加大概率，尽可能高效的等。

     适用场景

　　（1）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。

　　（2）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。

　　（3）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。

　　（4）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。

　　（5）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。

　　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。


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 

 ( maxfdp1,fd_set *readset,fd_set *writeset,fd_set *exceptset,返回值：就绪描述符的数目，超时返回0，出错返回-1

函数参数介绍如下：

（1）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。

（2）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 

fd_set结构体是文件描述符集，该结构体实际上是一个整型数组，数组中的每个元素的每一位标记一个文件描述符。fd_set能容纳的文件描述符 数量由FD_SETSIZE指定，一般情况下，FD_SETSIZE等  于1024，这就限制了select能同时处理的文件描述符的总量。

（3）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。

(4)返回值情况： 
a)超时时间内，如果文件描述符就绪，select返回就绪的文件描述符总数（包括可读、可写和异常），如果没有文件描述符就绪，select返回0； 
b)select调用失败时，返回 -1并设置errno，如果收到信号，select返回 -1并设置errno为EINTR。

(5)文件描述符的就绪条件： 
在网络编程中， 
1）下列情况下socket可读： 
a) socket内核接收缓冲区的字节数大于或等于其低水位标记SO_RCVLOWAT； 
b) socket通信的对方关闭连接，此时该socket可读，但是一旦读该socket，会立即返回0（可以用这个方法判断client端是否断开连接）； 
c) 监听socket上有新的连接请求； 
d) socket上有未处理的错误。 
2）下列情况下socket可写： 
a) socket内核发送缓冲区的可用字节数大于或等于其低水位标记SO_SNDLOWAT； 
b) socket的读端关闭，此时该socket可写，一旦对该socket进行操作，该进程会收到SIGPIPE信号； 
c) socket使用connect连接成功之后； 
d) socket上有未处理的错误。


selelct原理图

说明：

   1、select只负责等待IO，不负责对IO进行操作，由recv/send等函数进行

   2、select一共有两次系统调用：1）select系统调用 2）recvfrom系统调用

select原理概述

调用select时，会发生以下事情：

  1. 从用户空间拷贝fd_set到内核空间；

  2. 注册回调函数__pollwait；

  3. 遍历所有fd，对全部指定设备做一次poll（这里的poll是一个文件操作，它有两个参数，一个是文件fd本身，一个是当设备尚未就绪时调用的回调函数__pollwait，这个函数把设备自己特有的等待队列传给内核，让内核把当前的进程挂载到其中）；

  4. 当设备就绪时，设备就会唤醒在自己特有等待队列中的【所有】节点，于是当前进程就获取到了完成的信号。poll文件操作返回的是一组标准的掩码，其中的各个位指示当前的不同的就绪状态（全0为没有任何事件触发），根据mask可对fd_set赋值；

  5. 如果所有设备返回的掩码都没有显示任何的事件触发，就去掉回调函数的函数指针，进入有限时的睡眠状态，再恢复和不断做poll，再作有限时的睡眠，直到其中一个设备有事件触发为止。

  6. 只要有事件触发，系统调用返回，将fd_set从内核空间拷贝到用户空间，回到用户态，用户就可以对相关的fd作进一步的读或者写操作了。

select优点

  select模型是Windows sockets中最常见的IO模型。它利用select函数实现IO 管理。通过对select函数的调用，应用程序可以判断套接字是否存在数据、能否向该套接字写入据。

    如：在调用recv函数之前，先调用select函数，如果系统没有可读数据那么select函数就会阻塞在这里。当系统存在可读或可写数据时，select函数返回，就可以调用recv函数接   收数据了。

   可以看出使用select模型，需要两次调用函数。第一次调用select函数第二次socket API。使用该模式的好处是：可以等待多个套接字。

select缺点

  1. 最大并发数限制：使用32个整数的32位，即32*32=1024来标识fd；

  2. 效率低：每次都会线性扫描整个fd_set，集合越大速度越慢；

  3. 内核/用户空间内存拷贝问题。



select实现TCP服务器

代码：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
int fds[64];
const fds_nums=sizeof(fds)/sizeof(fds[0]);
static int startup(const char *ip,int port)
{
  int sock=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
  if(sock<0)
  {
    perror("socket");
    exit(2);
  }
  int opt = 1;
  setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));
  struct sockaddr_in local;
  local.sin_family=AF_INET;
  local.sin_port=htons(port);
  local.sin_addr.s_addr=inet_addr(ip);
  if(bind(sock,(struct sockaddr *)&local,sizeof(local))<0)
  {
    perror("bind");
    exit(3);
  }
  if(listen(sock,5)<0)
  {
    perror("listen");
    exit(4);
  }
  return sock;
}
static void usage(const char *proc)
{
  printf("%s [ip] [port]\n",proc);
}
int main(int argc,char *argv[])
{
  if(argc!=3)
  {
    usage(argv[0]);
    exit(1);
  }
  int listen_sock=startup(argv[1],atoi(argv[2]));
  fd_set rset;
  int i=0;
  FD_ZERO(&rset);
  FD_SET(listen_sock,&rset);
  //initial fds
  for(;i0)
      {
        FD_SET(fds[i],&rset);
        max_fd=max_fd0)
                {
                  printf("get a new client$ socket->%s:%d\n",inet_ntoa(peer.sin_addr),ntohs(peer.sin_port));
                }
                int j=0;
                for(j;j0)
                {
                  buf[_s-1]='\0';
                  printf("client$ %s\n",buf);
                }
                else if(_s==0)
                {
                  printf("%d is read done..\n",fds[i]);
                  close(fds[i]);
                  fds[i]= -1;
                }
                else{
                  perror("read");
                }
                
              }
            }
          }
        break;
    }
  }
  return 0;
}

结果：IO多路复用——select_第1张图片