UNIX网络编程：I/O复用技术(select、poll、epoll)
Unix下可用的I/O模型一共有五种：阻塞I/O 、非阻塞I/O 、I/O复用 、信号驱动I/O 、异步I/O。此处我们主要介绍第三种I/O符复用。
I/O复用的功能：如果一个或多个I/O条件满足（输入已准备好读，或者描述字可以承接更多输出）时，我们就被通知到。这就是有select、poll、epoll实现。
I/O复用应用场合：
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。在这前一段中已做描述。
2、一个客户同时处理多个套接口是可能的，但很少出现。
3、如果一个TCP服务器机要处理监听套接口，有要处理已连接套接口，一般也要用到I/O复用。
4、如果一个服务器机要处理TCP，有要处理UDP，一般也要使用I/O复用。
5、如果一个服务器要处理多个服务或者多个协议，一般要使用I/O复用。
I/O复用原理图：
select:
使用Select就可以完成非阻塞（所谓非阻塞方式non-block，就是进程或线程执行此函数时不必非要等待事件的发生，一旦执行肯定返回，以返回值的不同来反映函数的执行情况，如果事件发生则与阻塞方式相 同，若事件没有发生则返回一个代码来告知事件未发生，而进程或线程继续执行，所以效率较高）方式工作的程序，它能够监视我们需要监视的文件描述符的变化情 况——读写或是异常。
所要用到的结构体：
struct timeval{
long tv_sec; //等待的秒数
long tv_usec; //等待的微秒数
}
select()函数：
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
作用：用来检测描述符中是否有准备好读、写、或异常的描述符
参数1(nfds)：被测试的描述字个数；它的值为要被测试的最大描述符个 数+1，而描述字0，1，2，……..，nfds-1；
参数2—4 (readfds)、(writefds)、(exceptfds)：这三个参数指定我们要让内核测试读、写、异常条件所需的描述字。当我们在调用该函数，指定好我们所要检测的描述字集后，如果检测三种情况下任何一中情况准备好，则将相应的状态变为可用状态。如果到达函数返回时没有可读可写则返回失败。如果我们不关心其中哪个状态，可将其设为NULL。
参数5(timeout)：指定等待时间，有三种情况：
(1)、永远等待下去(参数timeout设置为空指针)：仅在有一个描述字准备好I/O时才返回。
(2)、等待固定时间(指定timeval中的秒数和微秒数)：在不超过timeval结构体中所指定的秒数和微秒数内检测到有一个描述字准备好I/O时返回
(3)、根本不等待(timeval中秒数和微秒数均设置为0)：检查描述字后立即返回。
select工作原理：
select就是巧妙的利用等待队列机制让用户进程适当在没有资源可读/写时睡眠，有资源可读/写时唤醒。下面我们看看select睡眠的详细过程。
select会循环遍历它所监测的fd_set(一组文件描述符(fd)的集合）内的所有文件描述符对应的驱动程序的poll函数。驱动程序提供的poll函数首先会将调用select的用户进程插入到该设备驱动对应资源的等待队列(如读/写等待队列)，然后返回一个bitmask告诉select当前资源哪些可用。当select循环遍历完所有fd_set内指定的文件描述符对应的poll函数后，如果没有一个资源可用(即没有一个文件可供操作)，则select让该进程睡眠，一直等到有资源可用为止，进程被唤醒(或者timeout)继续往下执行。
select调用过程：
头文件：下面poll、epoll的头文件与该文件相同
#include服务器端：
#include"../unp.h"
#include//将该表中的每一位设为-1
{
s_srv_ctx->clifds[i] = -1;
}
return 0;
}
void server_uninit() //服务器去初始化函数
{
if(s_srv_ctx) //如果服务器描述表不为0，即该表申请成功存在
{
free(s_srv_ctx); //释放该表的内存
s_srv_ctx = NULL; //将指针值为NULL。
}
}
int create_server_proc(const char *ip, short port) //创建服务器进程
{
int fd;
fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); //建立一个套接字，记录返回的描述字，
if(fd == -1) //检测是否创建成功
{
perror("socket");
return -1;
}
//初始化服务器信息结构体
struct sockaddr_in addrSer;
addrSer.sin_family = AF_INET; //指定用到的协议族
addrSer.sin_port = htons(port); //指定服务器端口号
addrSer.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip); //指定服务器ip地址
socklen_t addrlen = sizeof(struct sockaddr);
int res = bind(fd, (struct sockaddr*)&addrSer, addrlen); //将创建的描述字与刚才所设置的服务器信息绑定
if(res == -1) //检测是否绑定成功嗯
{
perror("bind");
return -1;
}
listen(fd, LISTENQ); //监听是否有客户端请求连接，如果有则将该套接字设为可用
return fd;
}
int accept_client_proc(int srvfd) //结束客户端连接请求
{
struct sockaddr_in addrCli;
socklen_t addrlen = sizeof(struct sockaddr);
int clifd;
ACCEPT:
clifd = accept(srvfd, (struct sockaddr*)&addrCli, &addrlen); //结束客户端的连接请求
if(clifd == -1) //判断是否连接成功
{
goto ACCEPT; //如果没有连接成功，则跳转至ACCEPT处继续连接
}
printf("accept a new client: %s:%d\n",inet_ntoa(addrCli.sin_addr),addrCli.sin_port);
int i;
for(i=0; i//循环遍历描述字
{
if(s_srv_ctx->clifds[i] == -1) //如果描述字为-1，表明只连接了i个客户端（0 —— i-1）
{
s_srv_ctx->clifds[i] = clifd; //则将连接描述字赋给服务器描述表中第i个描述字
s_srv_ctx->cli_cnt++; //已连接的客户端数量加一
break;
}
}
if(i == SIZE) //如果i等于SIZE，说明描述字集合已满
{
printf("Server Over Load.\n");
return -1;
}
}
void handle_client_msg(int fd, char *buf) //处理接收到的客户端信息函数
{
printf("recv buf is:> %s\n",buf); //服务器将接收到的来自客户端的信息打印出来
send(fd, buf, strlen(buf)+1, 0); //向客户端发送信息
}
void recv_client_msg(fd_set *readfds) //接收客户端信息
{
int clifd;
char buffer[256];
int n;
for(int i=0; icli_cnt; ++i) //轮寻查找（从描述字集合的第一个描述字开始到最后一个已连接的客户端）
{
clifd = s_srv_ctx->clifds[i];
if(clifd < 0) //如果套接字小于0，则失败
continue;
if(FD_ISSET(clifd, readfds)) //将该描述字设置为可读
{
n = recv(clifd, buffer, 256, 0); //接收来自客户端的信息
if(n <= 0) //如果返回址小于等于0则接收失败，说明客户端已断开连接
{
FD_CLR(clifd, &s_srv_ctx->allfds); //将描述字清0
close(clifd); //关闭这个描述字
s_srv_ctx->clifds[i] = -1; //将第i个描述字设为-1（i为已连接的客户端个数-1）
s_srv_ctx->cli_cnt--; //将以连接的客户端个数减一
continue;
}
handle_client_msg(clifd, buffer); //调用处理客户端信息函数，来处理即接收到的信息
}
}
}
int handle_client_proc(int srvfd) //客户端处理程序
{
int clifd = -1; //将客户端描述字设置为-1
int retval = 0;
fd_set *readfds = &s_srv_ctx->allfds; //让可读指针指向描述字
struct timeval tv;
while(1)
{
FD_ZERO(readfds); //清除可读描述字指针
FD_SET(srvfd, readfds); //用srvfd设置readfds
s_srv_ctx->maxfd = srvfd; //设置最大描述符个数
tv.tv_sec = 30; //设置时间结构体中的秒与微秒
tv.tv_usec = 0;
int i;
for(i=0; icli_cnt; ++i) //遍历已经连接的客户端
{
clifd = s_srv_ctx->clifds[i];
FD_SET(clifd, readfds); //将他们的描述字设置为可读
s_srv_ctx->maxfd = (clifd > s_srv_ctx->maxfd ? clifd : s_srv_ctx->maxfd); //选取两个中较大的一个作为最大描述字个数
}
retval = select(s_srv_ctx->maxfd+1, readfds, NULL, NULL, &tv); //检测是否有准备好的I/O接口
if(retval == -1) //如果没有则检测失败
{
perror("select");
return -1;
}
if(retval == 0) //如果返回址为0则检测超时
{
printf("server time out.\n");
continue;
}
//accept
if(FD_ISSET(srvfd, readfds)) //如果该位是作为描述字的
{
accept_client_proc(srvfd); //接收客户端的连接
}
else //如果是作为可读指针的
{
recv_client_msg(readfds); //则接收客户端信息
}
}
}
int main(int argc, char *argv[])
{
int sockSer;
if(server_init() < 0) //检测服务器描述表是否初始化失败
perror("server_init");
sockSer = create_server_proc(IPADDR, PORT); //创建一个服务器进程
if(sockSer < 0) //检测服务器服务是否创建失败
{
perror("create_server_porc");
goto err;
}
handle_client_proc(sockSer); //处理客户端
return 0;
err:
server_uninit(); //去初始化服务器描述表
return -1;
} 客户端：
#include"../unp.h"
void handle_connection(int sockfd) //连接处理函数
{
fd_set readfds;
int maxfd = sockfd; //描述字最大个数
struct timeval tv;
while(1)
{
FD_ZERO(&readfds); //将可读描述字空间清0
FD_SET(sockfd, &readfds); //用套接字设置可读描述字空间
maxfd = sockfd; //设置最大描述字个数
tv.tv_sec = 5; //设置时间结构体中的秒数
tv.tv_usec = 0; //设置时间结构体中的微秒数
int res = select(maxfd+1, &readfds, NULL, NULL, &tv); //等待可读的描述字
if(res == -1) //如果函数返回时没有可读I/O准备好
{
perror("select"); //则检测失败
return;
}
if(res == 0) //如果返回值为0
{
printf("Client time out.\n"); //则表明检测超时
continue;
}
int n;
char recvbuf[256];
if(FD_ISSET(sockfd, &readfds))
{
n = recv(sockfd,recvbuf, 256, 0); //接收来自服务器的信息
if(n <= 0) //如果返回的读取长度小于0，则表明服务器已经关闭
{
printf("Server is closed.\n");
close(sockfd); //关闭套接字描述符
FD_CLR(sockfd, &readfds); //清除描述字可读标识为
return;
}
printf("client recv slef msg:> %s\n",recvbuf); //打印客户端接收到的信息
sleep(3);
send(sockfd, recvbuf, strlen(recvbuf)+1, 0); //发送信息
}
}
}
int main()
{
int sockCli;
sockCli = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); //创建一个套接字
struct sockaddr_in addrSer;
addrSer.sin_family = AF_INET; //设置通信所用到的协议族
addrSer.sin_port = htons(PORT); //指定通信端口号
addrSer.sin_addr.s_addr = inet_addr(IPADDR); //指定ip地址
socklen_t addrlen = sizeof(struct sockaddr);
int res = connect(sockCli, (struct sockaddr*)&addrSer, addrlen); //连接服务器已客户端
if(res < 0) //连接失败
perror("connect");
printf("Client connect Server Ok.\n");
send(sockCli,"hello Server.",strlen("hello Server.")+1, 0); //给服务器发送数据，此处为了方便用固定值
handle_connection(sockCli); //处理连接
return 0;
}运行结果：
select几点不足：
（1）每次调用select，都需要把fd集合从用户态拷贝到内核态，这个开销在fd很多时会很大
（2）同时每次调用select都需要在内核遍历传递进来的所有fd，这个开销在fd很多时也很大
（3）select支持的文件描述符数量太小了，默认是1024
poll:
poll的机制与select类似，与select在本质上没有多大差别，管理多个描述符也是进行轮询，根据描述符的状态进行处理，但是poll没有最大文件描述符数量的限制。poll和select同样存在一个缺点就是，包含大量文件描述符的数组被整体复制于用户态和内核的地址空间之间，而不论这些文件描述符是否就绪，它的开销随着文件描述符数量的增加而线性增大。
使用poll()和select()不一样，你不需要显式地请求异常情况报告。
POLLIN | POLLPRI等价于select()的读事件，POLLOUT |POLLWRBAND等价于select()的写事件。POLLIN等价于POLLRDNORM |POLLRDBAND，而POLLOUT则等价于POLLWRNORM。例如，要同时监视一个文件描述符是否可读和可写，我们可以设置 events为POLLIN |POLLOUT。在poll返回时，我们可以检查revents中的标志，对应于文件描述符请求的events结构体。如果POLLIN事件被设置，则文件描述符可以被读取而不阻塞。如果POLLOUT被设置，则文件描述符可以写入而不导致阻塞。这些标志并不是互斥的：它们可能被同时设置，表示这个文件描述符的读取和写入操作都会正常返回而不阻塞。
timeout参数指定等待的毫秒数，无论I/O是否准备好，poll都会返回。timeout指定为负数值表示无限超时，使poll()一直挂起直到一个指定事件发生；timeout为0指示poll调用立即返回并列出准备好I/O的文件描述符，但并不等待其它的事件。这种情况下，poll()就像它的名字那样，一旦选举出来，立即返回。
pollfd结构体：
struct pollfd{
int fd; //文件描述符
short events; //等待的事件
short revents; //实际发生了的事件
}
poll函数：
int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
作用：返回准备好的描述字的个数。
参数1：struct pollfd结构体用来指定一个被监听的文件描述符
参数2：nfds_t类型的参数，用于标记数组fds中的结构体元素的总数量；
参数3：是poll函数调用阻塞的时间，单位：毫秒；
用poll实现客户端与服务器之间的通信：（头文件与select相同）
客户端程序：
#include "../unp.h"
void handle_connection(int sockfd) //连接处理函数
{
pollfd fds[2];
fds[0].fd = sockfd; //让第一个描述字设为创建套接字的描述符
fds[0].events = POLLIN; //把第一个描述字设置为普通或优先级带数据可读
fds[1].fd = STDIN_FILENO; //把第二个检验描述字设置为标准文件输入
fds[1].events = POLLIN; //把第二个描述字事件标志设置为普通或优先级带数据可读
int n;
char buf[256];
for(; ;){
poll(fds, 2, -1); //无限等待，因为POSIX标准里并没有INFTIM，所以用-1
if(fds[0].revents & POLLIN){ //如果fd[0]中事件已经发生并且为普通或优先级带数据可读，表明客户端可读
n = recv(sockfd, buf, 256, 0); //则接收来自服务器哦的数据
if(n <= 0){ //如果接收到的数据长度小于0，则表明服务器已经关闭
printf("Server is Closed.\n");
close(sockfd);
}
write(STDOUT_FILENO, buf, n); //标准输出，打印出接收大的来自服务器的信息
}
if(fds[1].revents & POLLIN){ //如果fd[0]中事件已经发生并且为标准输入，表明客户端可写
n = read(STDIN_FILENO, buf, 256); //读取键盘输入的内容
if(n == 0){ //如果没有地到输入的内容，则继续
continue;
}
write(sockfd, buf, n); //将从键盘获得的数据写入套接字描述符中
}
}
}
int main()
{
int sockCli;
sockCli = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); //创建一个套接字
struct sockaddr_in addrSer;
addrSer.sin_family = AF_INET; //规定通信协议族
addrSer.sin_port = htons(PORT); //设置所用端口号
addrSer.sin_addr.s_addr = inet_addr(IPADDR); //设置服务器ip
connect(sockCli, (struct sockaddr*)&addrSer, sizeof(struct sockaddr)); //创建连接
handle_connection(sockCli); //调用处理客户端连接函数
return 0;
}服务器端程序：
#include "../unp.h"
#include epoll:
epoll对文件描述符的操作有两种模式：LT（level trigger）和ET（edge trigger）。LT模式是默认模式，LT模式与ET模式的区别如下：
LT模式：当epoll_wait检测到描述符事件发生并将此事件通知应用程序，应用程序可以不立即处理该事件。下次调用epoll_wait时，会再次响应应用程序并通知此事件。
ET模式：当epoll_wait检测到描述符事件发生并将此事件通知应用程序，应用程序必须立即处理该事件。如果不处理，下次调用epoll_wait时，不会再次响应应用程序并通知此事件。
首先，通过epoll_create(int maxfds)来创建一个epoll的句柄，其中maxfds为你epoll所支持的最大句柄数。这个函数会返回一个新的epoll句柄，之后的所有操作将通过这个句柄来进行操作。在用完之后，记得用close()来关闭这个创建出来的epoll句柄。
然后，在你的网络主循环里面，每一帧的调用epoll_wait(int epfd, epoll_event* events, int max events, int timeout)来查询所有的网络接口，看哪一个可以读，哪一个可以写了。基本的语法为：nfds = epoll_wait(kdpfd, events, maxevents, -1);
其中kdpfd为用epoll_create创建之后的句柄，events是一个epoll_event*的指针，当epoll_wait这个函数操作成功之后， events里面将储存所有的读写事件。max_events是当前需要监听的所有socket句柄数。最后一个timeout是 epoll_wait的超时，为0的时候表示马上返回，为-1的时候表示一直等下去，直到有事件范围，为任意正整数的时候表示等这么长的时间，如果一直没有事件，则返回。一般如果网络主循环是单独的线程的话，可以用-1来等，这样可以保证一些效率，如果是和主逻辑在同一个线程的话，则可以用0来保证主循环的效率。
events可以是以下几个宏的集合：
EPOLLIN ：表示对应的文件描述符可以读（包括对端SOCKET正常关闭）；
EPOLLOUT：表示对应的文件描述符可以写；
EPOLLPRI：表示对应的文件描述符有紧急的数据可读（这里应该表示有带外数据到来）；
EPOLLERR：表示对应的文件描述符发生错误；
EPOLLHUP：表示对应的文件描述符被挂断；
EPOLLET： 将EPOLL设为边缘触发(Edge Triggered)模式，这是相对于水平触发(Level Triggered)来说的。
EPOLLONESHOT：只监听一次事件，当监听完这次事件之后，如果还需要继续监听这个socket的话，需要再次把这个socket加入到EPOLL队列里。
用epoll代替select/poll实现代码：
服务器端：
#include "../unp.h"
#include "utili.h"
#include 客户端：
#include "../unp.h"
#include "utili.h"
void do_read(int epollfd, int fd, int sockfd, char *buf) //读处理函数
{
int nread;
nread = read(fd, buf, 256); //读数据
if(nread == -1){ //如果读到的数据长度为-1，则显示读错误信息
perror("read");
close(fd); //关闭描述字
}else if(nread == 0){ //如果读数据返回值为0，则表明服务器关闭
printf("Server is close.\n");
close(fd);
exit(1);
}else{
if(fd == STDIN_FILENO){ //如果描述字为标准输入
add_event(epollfd, sockfd, EPOLLOUT); //则在事件列表中增加EPOLLOUT
}else{
delete_event(epollfd, fd, EPOLLIN); //否则删除事件列表中的事件EPOLLIN
}
}
printf("recv msg:>%s\n", buf); //打印接收到的信息
modify_event(epollfd, fd, EPOLLFD) //设置事件为EPOLLIN
}
void do_write(int epollfd, int fd, int sockfd, char *buf){ //写处理函数
int nwrite;
nwrite = write(fd, buf, strlen(buf)+1, 0); //向缓存区中写入数据
if(nwrite == -1){ //判断是否写入失败
perror("write");
close(fd);
}
}
void handle_events(int epollfd, epoll_event *events, int num, int sockfd, char *buf) //事件处理函数
{
int fd;
for(int i = 0; i < num; ++i){ //将描述字遍历一遍
fd = events[i].dsts.fd;
if(events[i].events & EPOLLIN){ //如果有事件准备好并且为EPOLLIN，
do_read(epollfd, fd, sockfd, buf); //则调用读操作函数
}else if(events[i].events & EPOLLOUT){ //额uguo有事件准备好并且为EPOLLOUT
do_write(epollfd, fd, sockfd, buf); //则调用写操作函数
}
}
}
void handle_connection(int sockfd) //连接处理函数
{
char buf[256];
int epollfd;
epoll_event events[1024]; //事件列表
epollfd = epoll_create(FDSIZE); //创建一个epoll句柄
ad_event(epollfd, STDIN_FILENO, EPOLLIN); //增加事件EPOLLIN
int res;
for(; ;){
res = epoll_wait(epollfd, events, 1024, -1); //等待事件列表中存在的事件准备好
handle_events(epollfd, events, res, sockfd, buf); //调用事件处理函数
}
close(epollfd); //关闭描述字
}
int main()
{
int sockCli;
sockCli = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); //创建套接字
struct sockaddr_in addrSer;
addrSer.sin_family = AF_INET; //设置协议族
addrSer.sin_port = htons(PORT); //设置端口号
addrSer.sin_addr.s_addr = inet_addr(IPADDR); //设置ip号
connect(sockCli, (struct sockaddr *)&addrSer, sizeof(struct sockaddr)); //连接服务器与客户端
handle_connection(sockCli); //调用连接处理函数，进行连接后的相关操作
return 0;
}总结：
（1）select，poll实现需要自己不断轮询所有fd集合，直到设备就绪，期间可能要睡眠和唤醒多次交替。而epoll其实也需要调用epoll_wait不断轮询就绪链表，期间也可能多次睡眠和唤醒交替，但是它是设备就绪时，调用回调函数，把就绪fd放入就绪链表中，并唤醒在epoll_wait中进入睡眠的进程。虽然都要睡眠和交替，但是select和poll在“醒着”的时候要遍历整个fd集合，而epoll在“醒着”的时候只要判断一下就绪链表是否为空就行了，这节省了大量的CPU时间。这就是回调机制带来的性能提升。
（2）select，poll每次调用都要把fd集合从用户态往内核态拷贝一次，并且要把current往设备等待队列中挂一次，而epoll只要一次拷贝，而且把current往等待队列上挂也只挂一次（在epoll_wait的开始，注意这里的等待队列并不是设备等待队列，只是一个epoll内部定义的等待队列）。这也能节省不少的开销。