IO多路复用——select与epoll

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1 含义

什么是IO多路复用？

I/O 多路复用的设计初衷就是解决这样的场景。我们可以把标准输入、套接字等都看做 I/O 的一路，多路复用的意思，就是在任何一路 I/O 有“事件”发生的情况下，通知应用程序去处理相应的 I/O 事件，这样我们的程序就变成了“多面手”，在同一时刻仿佛可以处理多个 I/O 事件。

2 select

2.1 使用方法

void FD_ZERO(fd_set *fdset);　　　　　　
void FD_SET(int fd, fd_set *fdset);　　
void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset);　　　
int  FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset);

int select(int maxfd, fd_set *readset, fd_set *writeset, fd_set *exceptset, const struct timeval *timeout);

返回：若有就绪描述符则为其数目，若超时则为 0，若出错则为 -1。
在这个函数中，maxfd 表示的是待测试的描述符基数，它的值是待测试的最大描述符加 1。比如现在的 select 待测试的描述符集合是{0,1,4}，那么 maxfd 就是 5，描述符为0时，表示标准的输入输出。紧接着的是三个描述符集合，分别是读描述符集合 readset、写描述符集合 writeset 和异常描述符集合 exceptset，这三个分别通知内核，在哪些描述符上检测数据可以读，可以写和有异常发生。

int main(int argc, char **argv) {
    if (argc != 2) {
        error(1, 0, "usage: select01 ");
    }
    int socket_fd = tcp_client(argv[1], SERV_PORT);

    char recv_line[MAXLINE], send_line[MAXLINE];
    int n;

    fd_set readmask;
    fd_set allreads;
    FD_ZERO(&allreads);
    FD_SET(0, &allreads);
    FD_SET(socket_fd, &allreads);

    for (;;) {
        readmask = allreads;
        int rc = select(socket_fd + 1, &readmask, NULL, NULL, NULL);

        if (rc <= 0) {
            error(1, errno, "select failed");
        }

        if (FD_ISSET(socket_fd, &readmask)) {
            n = read(socket_fd, recv_line, MAXLINE);
            if (n < 0) {
                error(1, errno, "read error");
            } else if (n == 0) {
                error(1, 0, "server terminated \n");
            }
            recv_line[n] = 0;
            fputs(recv_line, stdout);
            fputs("\n", stdout);
        }

        if (FD_ISSET(STDIN_FILENO, &readmask)) {
            if (fgets(send_line, MAXLINE, stdin) != NULL) {
                int i = strlen(send_line);
                if (send_line[i - 1] == '\n') {
                    send_line[i - 1] = 0;
                }

                printf("now sending %s\n", send_line);
                size_t rt = write(socket_fd, send_line, strlen(send_line));
                if (rt < 0) {
                    error(1, errno, "write failed ");
                }
                printf("send bytes: %zu \n", rt);
            }
        }
    }

}

2.2 缺点

select所支持的描述符的个数是有限的，Linux中，默认最大值为1024。

3 poll

poll是除了select之外，另一种使用普遍的I/O多路复用技术，突破了文件描述符的个数限制。

struct pollfd {
    int    fd;       /* file descriptor */
    short  events;   /* events to look for */
    short  revents;  /* events returned */
 };

int poll(struct pollfd *fds, unsigned long nfds, int timeout); 

fds: pollfd结构体的数组指针；nfds:fds数组的长度；timeout:超时设置。
返回值：若有就绪描述符则为其数目，若超时则为 0，若出错则为 -1。

3.1 使用示例

#define INIT_SIZE 128

int main(int argc, char **argv) {
    int listen_fd, connected_fd;
    int ready_number;
    ssize_t n;
    char buf[MAXLINE];
    struct sockaddr_in client_addr;

    listen_fd = tcp_server_listen(SERV_PORT);

    // 初始化 pollfd 数组，这个数组的第一个元素是 listen_fd，其余的用来记录将要连接的 connect_fd
    struct pollfd event_set[INIT_SIZE];
    event_set[0].fd = listen_fd;
    event_set[0].events = POLLRDNORM;

    // 用 -1 表示这个数组位置还没有被占用
    int i;
    for (i = 1; i < INIT_SIZE; i++) {
        event_set[i].fd = -1;
    }

    for (;;) {
        if ((ready_number = poll(event_set, INIT_SIZE, -1)) < 0) {
            error(1, errno, "poll failed ");
        }

        if (event_set[0].revents & POLLRDNORM) {
            socklen_t client_len = sizeof(client_addr);
            connected_fd = accept(listen_fd, (struct sockaddr *) &client_addr, &client_len);

            // 找到一个可以记录该连接套接字的位置
            for (i = 1; i < INIT_SIZE; i++) {
                if (event_set[i].fd < 0) {
                    event_set[i].fd = connected_fd;
                    event_set[i].events = POLLRDNORM;
                    break;
                }
            }

            if (i == INIT_SIZE) {
                error(1, errno, "can not hold so many clients");
            }

            if (--ready_number <= 0)
                continue;
        }

        for (i = 1; i < INIT_SIZE; i++) {
            int socket_fd;
            if ((socket_fd = event_set[i].fd) < 0)
                continue;
            if (event_set[i].revents & (POLLRDNORM | POLLERR)) {
                if ((n = read(socket_fd, buf, MAXLINE)) > 0) {
                    if (write(socket_fd, buf, n) < 0) {
                        error(1, errno, "write error");
                    }
                } else if (n == 0 || errno == ECONNRESET) {
                    close(socket_fd);
                    event_set[i].fd = -1;
                } else {
                    error(1, errno, "read error");
                }

                if (--ready_number <= 0)
                    break;
            }
        }
    }
}