【Linux学习】IO复用技术 select、poll、epoll函数使用 服务器/客户端举例

目录

前言

一、IO复用基本概念

阻塞I/O

非阻塞I/O

I/O复用

select  函数 

poll  函数

epoll  函数

二、利用I/O复用搭建服务器/客户端

服务器完整代码

客户端完整代码

测试效果 

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前言

本文主要学习Linux内核编程，结合Visual Studio 2019进行跨平台编程，内容包括IO复用技术相关知识介绍以及用服务器客户端实例说明（详细举例epoll的使用 ）

一、IO复用基本概念

阻塞I/O

最流行的I/O模型是阻塞I/O模型，缺省时，所有的套接口都是阻塞的

非阻塞I/O

当我们把一个套接口设置为非阻塞方式时，即通知内核，当请求的I/O操作非得让进程睡眠不能完成时，不要让进程睡眠，而应返回一个错误

应用程序连续不断地查询内核，看看某操作是否准备好，这对CPU时间是极大的浪费，一般只在专门提供某种功能的系统中才会用到

I/O复用

有了I/O复用，我们就可以调用select或poll，在这两个系统调用的某一个上阻塞，而不是真正阻塞于真正的I/O系统调用

如果一个或多个I/O条件满足（例如：输入已准备好被读，或者描述字可以承接更多输出的时候）

我们就能够被通知到，这样的能力被称为I/O复用，是由函数select和poll支持的

I/O复用网络应用场合：

• 当客户处理多个描述字
• 一个客户同时处理多个套接口
• 如果一个TCP服务器既要处理监听套接口，又要处理连接套接口
• 如果一个服务器既要处理TCP，又要处理UDP 

select  函数 

select函数允许进程指示内核等待多个事件中的任一个发生，并仅在一个或多个事件发生或经过某指定的时间后才唤醒进程

头文件： 

作用:  提供了即时响应多个套接的读写事件

原型：

int select(int maxfdp1,fd_set *readset,fd_set *writeset,fd_set *except,

const struct timeval *timeout);

参数：

maxfdp1: 等待最大套接字值加1（等待套接字的数量）

readset：要检查读事件的容器

writeset：要检查写事件的容器

timeout:  超时时间

返回值: 返回触发套件接字的个数

poll  函数

poll函数和select类似，但它是用文件描述符而不是条件的类型来组织信息

也就是说，一个文件描述符的可能事件都存储在struct pollfd中

与之相反，select用事件的类型来组织信息，而且读，写和错误情况都有独立的描述符掩码

poll函数是POSIX:XSI扩展的一部分，它起源于UNIX System V 

头文件: 

作用:  提供了即时响应多个套接的读写事件

原型:

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

参数：

fdarray：是一个pollfd的机构体数组用来表示表示文件描述符的监视信息

nfds：给出了要监视的描述符数目

timeout：是一个用毫秒表示的时间，是poll在返回前没有接收事件是应等待的时间，如果timeout的值为-1，poll就永远不会超时，如果整数值为32个比特，最大超时周期约为30分钟

返回值：准备好描述字的个数，0－超时，1－出错

epoll  函数

epoll是基于事件驱动的I/O方式，相对于select来说 ，epoll没有描述符个数限制，使用一个文件描述符管理多个描述符， 将用户关心的文件描述符的事件存放到内核的一个事件表中， 这样在用户空间和内核空间的copy只需一次

Linux中提供的epoll相关函数如下：

epoll_create （）

作用：创建一个epoll句柄

原型：

int epoll_create(int size);

参数：

size：表明内核要监听的描述符数量

返回值：成功时返回一个epoll句柄描述，失败时返回-1

epoll_ctl （）

作用：注册要监听的事件类型

原型：

int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

参数:

epfd：表示epoll句柄

op：表示fd操作类型，有如下3种

        EPOLL_CTL_ADD 注册新的fd到epfd中

        EPOLL_CTL_MOD 修改已注册的fd的监听事件

        EPOLL_CTL_DEL 从epfd中删除一个fd

fd：是要监听的描述符

event：表示要监听的事件

返回值：成功时返回 0，失败时返回-1

epoll_wait（）

作用：等待事件的就绪，成功时返回就绪的事件数目

原型：

int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);

参数：

epfd：是epoll句柄

events：表示从内核得到的就绪事件集合

maxevents：告诉内核events的大小

timeout：表示等待的超时事件

返回值：调用失败时返回 -1，等待超时返回 0

二、利用I/O复用搭建服务器/客户端

代码参考自博主：似末 

链接：【Linux】一文看懂多路复用IO模型（select、poll、epoll）_似末的博客-CSDN博客

服务器完整代码

#include 
#include          
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

using namespace std;

int main()
{
	int socketfd = 0;
	int acceptfd = 0;

	struct sockaddr_in s_addr;
	int len = 0;
	char buf[255] = { 0 };//存放客户端发过来的信息
	int opt_val = 1;
	//初始化网络  参数一：使用ipv4  参数二：流式传输
	socketfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	if (socketfd == -1)
	{
		perror("socket error");
	}
	else
	{
		//原本使用struct sockaddr，通常使用sockaddr_in更为方便，两个数据类型是等效的，可以相互转换
		struct sockaddr_in s_addr;
		//确定使用哪个协议族  ipv4
		s_addr.sin_family = AF_INET;

		//系统自动获取本机ip地址 也可以是本地回环地址：127.0.0.1
		s_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.48.128");

		//端口一个计算机有65535个  10000以下是操作系统自己使用的，  自己定义的端口号为10000以后
		s_addr.sin_port = htons(10086);  //自定义端口号为10086

		len = sizeof(s_addr);

		//端口复用 解决 address already user 问题
		setsockopt(socketfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, (const void*)opt_val, sizeof(opt_val));

		//绑定ip地址和端口号
		int res = bind(socketfd, (struct sockaddr*)&s_addr, len);
		if (res == -1)
		{
			perror("bind error");
		}
		else
		{
			//监听这个地址和端口有没有客户端来连接  第二个参数现在没有用  只要大于0就行
			if (listen(socketfd, 2) == -1)
			{
				perror("listen error");
			}
		}


		int epollfd = 0;
		int epollwaitefd = 0;
		struct epoll_event epollEvent;
		struct epoll_event epollEventArray[5];

		//事件结构体初始化
		bzero(&epollEvent, sizeof(epollEvent));
		//绑定当前准备好的sockedfd（可用网络对象）
		epollEvent.data.fd = socketfd;
		//绑定事件为客户端接入事件
		epollEvent.events = EPOLLIN;
		//创建epoll
		epollfd = epoll_create(5);
		//将已经准备好的网络描述符添加到epoll事件队列中
		epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, socketfd, &epollEvent);

		while (1)
		{
			cout << "等待客户端epoll wait client......" << endl;
			epollwaitefd = epoll_wait(epollfd, epollEventArray, 5, -1);
			if (epollwaitefd < 0)
			{
				perror("epoll wait error");
			}
			for (int i = 0; i < epollwaitefd; i++)
			{
				
				if (epollEventArray[i].data.fd == socketfd)
				{
					cout << "网络开始工作........等待客户端上线" << endl;
					acceptfd = accept(socketfd, NULL, NULL);
					cout << "acceptfd = " << acceptfd << endl;

					
					epollEvent.data.fd = acceptfd;
					epollEvent.events = EPOLLIN; //EPOLLIN表示对应的文件描述符可以读
					epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, acceptfd, &epollEvent);
				}
				else if (epollEventArray[i].events & EPOLLIN)
				{
					bzero(buf, sizeof(buf));
					int res = read(epollEventArray[i].data.fd, buf, sizeof(buf));
					if (res > 0)
					{
						cout << "服务器收到 fd = " << epollEventArray[i].data.fd << " 发来的数据：buf = " << buf << endl;
					}
					else if (res <= 0)
					{
						cout << "........客户端掉线........" << endl;
						close(epollEventArray[i].data.fd);

						//从epoll中删除客户端描述符
						epollEvent.data.fd = epollEvent.data.fd;
						epollEvent.events = EPOLLIN;
						epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_DEL, epollEventArray[i].data.fd, &epollEvent);
					}
				}
			}
		}

	}
}

客户端完整代码

#include 
#include          
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

using namespace std;

int main()
{
	int socketfd = 0;
	int acceptfd = 0;

	struct sockaddr_in s_addr;
	int len = 0;
	char buf[255] = { 0 };//存放客户端发过来的信息
	int opt_val = 1;
	//初始化网络  参数一：使用ipv4  参数二：流式传输
	socketfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	if (socketfd == -1)
	{
		perror("socket error");
	}
	else
	{
		//原本使用struct sockaddr，通常使用sockaddr_in更为方便，两个数据类型是等效的，可以相互转换
		struct sockaddr_in s_addr;
		//确定使用哪个协议族  ipv4
		s_addr.sin_family = AF_INET;

		//系统自动获取本机ip地址 也可以是本地回环地址：127.0.0.1
		s_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.48.128");

		//端口一个计算机有65535个  10000以下是操作系统自己使用的，  自己定义的端口号为10000以后
		s_addr.sin_port = htons(10086);  //自定义端口号为10086

		len = sizeof(s_addr);

		//端口复用 解决 address already user 问题
		setsockopt(socketfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, (const void*)opt_val, sizeof(opt_val));

		//绑定ip地址和端口号
		int res = bind(socketfd, (struct sockaddr*)&s_addr, len);
		if (res == -1)
		{
			perror("bind error");
		}
		else
		{
			//监听这个地址和端口有没有客户端来连接  第二个参数现在没有用  只要大于0就行
			if (listen(socketfd, 2) == -1)
			{
				perror("listen error");
			}
		}


		int epollfd = 0;
		int epollwaitefd = 0;
		struct epoll_event epollEvent;
		struct epoll_event epollEventArray[5];

		//事件结构体初始化
		bzero(&epollEvent, sizeof(epollEvent));
		//绑定当前准备好的sockedfd（可用网络对象）
		epollEvent.data.fd = socketfd;
		//绑定事件为客户端接入事件
		epollEvent.events = EPOLLIN;
		//创建epoll
		epollfd = epoll_create(5);
		//将已经准备好的网络描述符添加到epoll事件队列中
		epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, socketfd, &epollEvent);

		while (1)
		{
			cout << "等待客户端epoll wait client......" << endl;
			epollwaitefd = epoll_wait(epollfd, epollEventArray, 5, -1);
			if (epollwaitefd < 0)
			{
				perror("epoll wait error");
			}
			for (int i = 0; i < epollwaitefd; i++)
			{
				
				if (epollEventArray[i].data.fd == socketfd)
				{
					cout << "网络开始工作........等待客户端上线" << endl;
					acceptfd = accept(socketfd, NULL, NULL);
					cout << "acceptfd = " << acceptfd << endl;

					
					epollEvent.data.fd = acceptfd;
					epollEvent.events = EPOLLIN; //EPOLLIN表示对应的文件描述符可以读
					epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, acceptfd, &epollEvent);
				}
				else if (epollEventArray[i].events & EPOLLIN)
				{
					bzero(buf, sizeof(buf));
					int res = read(epollEventArray[i].data.fd, buf, sizeof(buf));
					if (res > 0)
					{
						cout << "服务器收到 fd = " << epollEventArray[i].data.fd << " 发来的数据：buf = " << buf << endl;
					}
					else if (res <= 0)
					{
						cout << "........客户端掉线........" << endl;
						close(epollEventArray[i].data.fd);

						//从epoll中删除客户端描述符
						epollEvent.data.fd = epollEvent.data.fd;
						epollEvent.events = EPOLLIN;
						epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_DEL, epollEventArray[i].data.fd, &epollEvent);
					}
				}
			}
		}

	}
}

测试效果  

通过跨平台连接Linux进行测试，先打开服务器再打开两个客户端

PS：上面的为服务器，下面两个为客户端1和客户端2 ，如下图所示：

参考：

【Linux】一文看懂多路复用IO模型（select、poll、epoll）_似末的博客-CSDN博客

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