【网络编程】I/O复用

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一、select系统调用

  select系统调用的用途是：在一段指定时间以内，监听用户感兴趣的文件描述符上的可读、可写和异常事件。

#include 
int select(int nfds,fd_set* readfds, fd_set* writefds, fd_set* exceptfds, struct timeval* timeout);

  nfds设置为被监听文件描述符的总数，即所有文件描述符中最大值加一。
  readfds,writefds,exceptfds分别表示可读，可写，异常等事件的文件描述符集合，其类型fd_set仅包含一个整数数组，每个元素的每一位标记一个文件描述符，select中包含了以下宏来对fd_set进行操作。

#include
FD_ZERO(fd_set* fdset);                //清除fdset的所有位
FD_SET(int fd, fd_set* fdset);         //设置fdset的位fd
FD_CLR(int fd, fd_set* fdset);         //清除fdset的位fd
int FD_ISSET(int fd, fd_set* fdset);   //测试fdset的位fd是否被设置

  timeout用来设置select函数的超时时间。其中用到了timeval结构体

struct timeval{
    long tv_sec;   //秒数
    long tv_usec;  //微秒数
}

  select成功时返回就绪文件的文件描述符，如果超时返回0，失败时返回-1并设置error。如果在select等待期间，程序收到信号，select立即返回-1，并设置errno为EINTR。

1.1、文件描述符就绪条件（socket可读条件）

《Linux高性能服务器编程》P148
注：网络编程中select能处理的异常情况只有一种：socket上接收到带外数据。

1.2、处理带外数据

  下面的代码描述了select是如何处理socket处于两种不同的就绪状态，即接收到普通数据处于可读状态和接收到带外数据处于异常状态。

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

int main(int argc, char* argv[]){
    if(argc <= 2){
        printf("usage:%s ip_address port_number/n", basename(argv[0]));
        return 1;
    }
    const char* ip = argv[1];
    int port = atoi(argv[2]);

    int ret = 0;
    struct sockaddr_in address;        //新建一个ipv4的socket结构体
    bzero(&address, sizeof(address));
    address.sin_family = AF_INET;      //设置ipv4地址族
    inet_pton(AF_INET, ip, &address.sin_addr); //将传进来的点分十进制转化为网络字节序表示的ip地址
    address.sin_port = htons(port);  //将传进来的主机字节序转化为网络字节序

    int listenfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);   //创建一个使用ipv4协议的TCP连接socket
    assert(listenfd >= 0);  //其值为假，则终止运行并弹出错误信息
    ret = bind(listenfd, (struct sockaddr*)&address, sizeof(address));//将address所指向的地址分配给文件描述符listenfd
    assert(ret != -1);
    ret = listen(listenfd, 5);//开始监听socket，监听队列长度为5
    assert(ret != -1);

    struct sockaddr_in client_address;//创建一个客户端的socket连接用来存储客户端的地址信息
    socklen_t client_addrlength = sizeof(client_address);
    int connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)&client_address, &client_addrlength);//接受listenfd和client_address的socket连接，并将相关信息保存下来
    //accept是从监听队列中取出连接，并且将连接的客户地址存在client_address。
    if(connfd < 0){
        printf("errno is: %d\n", errno);
        close(listenfd);
    }
    char buf[1024];
    fd_set read_fds;
    fd_set exception_fds;
    FD_ZERO(&read_fds);
    FD_ZERO(&exception_fds);

    while(1){
        memset(buf, '\0', sizeof(buf));

        FD_SET(connfd, &read_fds);
        FD_SET(connfd, &exception_fds);
        ret = select(connfd + 1, &read_fds, NULL, &exception_fds, NULL);
        if(ret < 0){
            printf("selection failure\n");
            break;
        }

        if(FD_ISSET(connfd, &read_fds)){  //read_fds中是否设置了connfd，是的话说明监听到了connfd上有可读事件
            ret = recv(connfd, buf, sizeof(buf) - 1, 0);
            if(ret <= 0) break;
            printf("get %d bytes of normal data: %s\n", ret, buf);
        }
        else if(FD_ISSET(connfd, &exception_fds)){//exception_fds中是否设置了connfd，是的话说明监听到了connfd上有异常事件
            ret = recv(connfd, buf, sizeof(buf) - 1, MSG_OOB);
            if(ret <= 0) break;
            printf("get %d bytes of oob data: %s\n", ret, buf);
        }
        close(connfd);
        close(listenfd);
        return 0;
    }
}

二、poll系统调用

  poll系统调用是在指定时间内轮询一定数量的文件描述符，以测试其中是否有就绪者。

#include 
int poll(struct pollfd* fds, nfds_t nfds, int timeout);

  fds是一个pollfd类型的数组。它的定义如下：

struct pollfd{
	int fd;         //文件描述符
	short events;   //注册的事件
	short revents;  //实际发生的事件，由内核填充
}

  nfds参数指定了被监听事件集合fds的大小。
  timeout参数指定了poll的超时值。当timeout为-1时，poll调用永远堵塞，直到某个事件发生，当timeout为0时，timeout立即返回。

三、epoll系列系统调用

3.1、内核事件表

  epoll是linux特有的I/O复用函数，它与select，poll的差异在于：

• epoll使用一组函数来完成任务而不是单个函数。
• epoll把用户关心的文件描述符上的事件放在内核的一个事件表中，无须像select和poll一样每次调用都要传入文件描述符或者事件集。所以epoll需要一个文件描述符来唯一表示该内核事件表。

  下面的函数用来创建内核事件表的文件描述符。

#include 
int epoll_create(int size);  //创建内核事件表的文件描述符
//size指定了内核事件表有多大

  下面的函数用来操作epoll的内核事件表。

#include 
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event* event);
//成功返回0，失败返回-1并设置errno

  epfd指的是某个内核事件表的文件描述符
  fd指的是要操作的文件描述符
  op指定操作类型，有以下三种：EPOLL_CTL_ADD，往事件表中注册fd上的事件。EPOLL_CTL_MOD，修改fd上的注册事件。EPOLL_CTL_DEL，删除fd上的注册事件。
  event指定事件，其定义为：

struct epoll_event{
	__uint32_t events;  //epoll事件
	epoll_data_t data;  //用户数据
}
typedef union epoll_data{
	void* ptr;
	int fd;
	uint32_t u32;
	uint64_t u63;
}epoll_data_t;

3.2、epoll_wait函数

  这是epoll系统调用的主要接口，作用是在一段时间内等待一组文件描述符上的事件。

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

  timeout的含义与poll的timeout含义相同。
  maxevents指定最多监听多少个事件，必须大于0 。
  epoll_wait如果检测到事件，就将所有的就绪事件从内核事件表中取出并复制到第二个参数events指向的数组中。它不像select和poll的数组参数既用于传入用户注册的事件，又用于输出内核检测到的事件，这就极大的提高了应用程序索引就绪文件描述符的效率。

3.3、LT和ET模式

  epoll对文件描述符的操作有两种模式：LT（Level Trigger，电平触发）和ET（Edge Trigger，边沿触发）两种模式。LT模式是默认的工作模式，相当于一个效率较高的poll。ET模式是epoll的高效工作模式。
  对于采用LT模式的文件描述符，当epoll_wait检测到其上有事件发生并将此事件通知应用程序后，应用程序可以不立即处理该事件。这样，当应用程序下一次调用epoll_wait时，epoll_wait还会再次向应用程序通告此事件，直到该事件被处理。
  对于采用ET模式的文件描述符，当epoll_wait检测到其上有事件发生并将此事件通知应用程序后， 应用程序必须立即处理该事件，因为后续的epoll_wait调用将不再向应用程序通知这一事件。
  由此可见，ET模式相较于LT模式，减少了同一个epoll事件被重复触发的次数，因此效率要比LT模式高。

• 注：每个使用ET模式的文件描述符都应该是非阻塞的。如果文件描述符时阻塞的，那么读或写操作将会因为没有后续的事件而一直处于阻塞状态。

3.4、EPOLLONESHOT事件

  EPOLLONESHOT事件可以实现一个socket连接在任一时刻都只被一个线程处理。对于注册了EPOLLONESHOT事件的文件描述符，操作系统最多触发其上注册的一个可读、可写或者异常事件，且只触发一次，除非使用epoll_ctl函数重置该文件描述符上注册的EPOLLONESHOT事件。
  所以，一旦注册了EPOLLONESHOT事件的socket被某个线程处理完毕，该线程就应该立即重置这个socket上的EPOLLONESHOT事件，以确保这个socket下次可读时，其EPOLLIN事件能被触发，从而让其他工作线程有机会继续处理这个socket。

四、select、poll、epoll三组I/O复用函数比较

系统调用	select	poll	epoll
事件集合	用户通过三个参数分别传入感兴趣的可读、可写以及异常等事件，内核通过对这些参数的在线修改来反馈其中的就绪事件。这使得用户每次调用select都要重复这三个参数	统一处理所有事件类型，因此只需一个事件集参数，用户通过pollfd，events传入感兴趣的事件，内核通过修改pollfd，revents反馈其中的就绪事件	内核通过一个事件表直接管理用户感兴趣的所有事件。因此每次调用epoll，wait时，无须反复传入用户感兴趣的事件，epoll_wait系统调用的参数events仅用来反馈就绪的事件
应用程序索引就绪事件的事件复杂度	O(n）	O(n）	O(1)
最大支持文件描述符数量	一般有最大值限制	65535	65535
工作模式	LT	LT	支持ET高效率模式
内核实现和工作效率	采用轮询的方式来检测就绪事件，算法的时间复杂度为O(n）	采用轮询的方式来检测就绪事件，算法的时间复杂度为O(n）	采用回调的方式来检测就绪事件，算法的时间复杂度为O(1）