【计算机网络】高级IO之select

1. 什么是IO？

IO：表示 输入 输出

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当对方把连接建立好，但是不发数据
而我是一个线程，正在调用 read 来读，就会阻塞，一直等数据发送过来
即读取条件不满足的情况下，read或recv 只会等待

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无论是有数据时的拷贝 ，还是没有数据时的等待
两者的时间成本，全都算到了用户头上

在用户的角度，IO= 等+数据拷贝

什么是高效 IO?

单位时间内， 等的比重越低， IO效率越高

当IO条件满足时，称为 IO事件就绪

2. IO的五种模型

五种IO模型的概念理解

如：钓鱼假设分为两步 ， 钓鱼 = 等 + 钓

在鱼竿的钩子上挂一个鱼漂，浮在水面上，用来恒定鱼竿下水的深度
当鱼漂上下摆动时，就可以知道当前有鱼上钩了

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1. 张三一般喜欢专注于一件事， 所以当张三钓鱼等待时，就会一直盯着鱼漂看 是否有鱼上钩
过了一段时间，鱼漂动了，张三拉动鱼竿，将鱼钓上来了，放入桶中
继续刚才钓鱼的动作
张三在钓鱼的过程中，只盯着鱼漂看，不干其他事情

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2. 李四天生好动， 所以当李四钓鱼时，就不怎么看鱼漂，会左顾右看的张望
当发现鱼咬钩后，就把鱼钓上来，放入桶中
继续刚才钓鱼的动作
李四在钓鱼的过程中，除了看鱼漂，还做其他事情

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3. 王五比较特别， 当王五钓鱼时，在鱼竿的顶部放上一个铃铛，等待鱼上钩
等待过程中，王五做着自己的事情
当王五听到铃铛响了时，就拉动鱼竿，将鱼钓上来了，放入桶中
继续刚才钓鱼的动作
王五在钓鱼的过程中，不看鱼漂，只听铃铛来判断是否有鱼上钩

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4. 赵六是周围的首富，开皮卡来钓鱼，皮卡上装了10根鱼竿 (首富是来体验生活的)
使用10根鱼竿一起钓鱼，赵六就从前往后 依次查看 是否有鱼漂在动

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5. 田七是方圆500公里的首富 (田七比赵六有钱)
田七很忙，每天都有各种会议要开，而且田七并不是想钓鱼，而是喜欢吃鱼
所以就 让司机小王帮忙去钓鱼
当鱼桶满了后，给田七打电话，就会来人把鱼带走
小王在钓鱼时，田七也正在开会

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张三和李四钓是一样的，差别在等待鱼上钩的方式不同
张三为 鱼漂不动，他不动
李四为 鱼漂不动，会立马返回去做其他事情

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张三的钓鱼方式 称为 阻塞IO
(数据没有就绪，调用的read接口不会返回)

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李四的钓鱼方式 称为 非阻塞IO
(检测一次若没有数据，则会立马返回，过一段时间可以再次检测)

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王五在鱼还没有钓上来之前，就知道当铃铛响了，就应该拉动鱼竿
王五的钓鱼方式 称为 信号驱动IO

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赵六一次管理多个鱼竿，赵六的钓鱼方式称为 多路复用或多路转接

在这几个人中，赵六的钓鱼效率比较高
因为赵六的鱼竿比较多，所以鱼上钩的概率大 即等待时间比较短
所以赵六的钓鱼效率比较高

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同步IO与异步IO

前四个人都要钓鱼的过程，所以都称为 同步IO

田七没有参与钓鱼的过程，没有等 ，也没有钓，只是 发起钓鱼的过程
田七的钓鱼方式 称为 异步IO

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整体理解

钓 可以看作 数据拷贝
张三 李四 等人 可以看作 进程
田七可以看作是一个进程，司机小王可以看作是操作系统
鱼竿可以看作 文件描述符
鱼 可以看作是 数据
鱼咬钩 或 鱼漂动 、铃铛响 可以看作 IO事件就绪

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一个进程 在文件描述符上读取数据时，若数据没有就绪，当前进程只能挂起等待
直到有IO时间就绪，数据才可以拷贝到对应的上层

3. 阻塞IO

阻塞IO：数据没有就绪，调用的read接口不会返回

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通过使用 read 函数 从键盘中读，当代码写好时，若什么也不输入，则什么也不显示 则为阻塞IO

输入 man 2 read

从一个文件描述符 中 去读count个数据 到 buf缓冲区中
若获取成功，则返回 字节数据
若获取 为0，则表示读到文件结尾
若获取为-1，则表示失败，并设置错误码

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0表示标准输入流
从标准输入流中 读buffer数组大小的数据 发送到 buffer中

运行可执行程序后，一直不输入，则导致read在等待，直到有数据输入才进行数据拷贝

4. 非阻塞IO

非阻塞IO：检测一次若没有数据，则会立马返回 做其他事情，过一段时间可以再次检测

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通过使用 read 函数 从键盘中读，当代码写好时，就是不输入
通过这样的方式，模拟读取条件不满足的情况下，read只会等待的情况

在上述阻塞IO的代码的基础上 进行修改

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setnonblock函数

输入 man fcntl

第一个参数为 文件描述符
第二个参数 表示 你要对文件描述符干什么
获得/设置文件状态标记(cmd=F_GETFL或F_SETFL)

通过设置文件状态标记，就可以将一个文件描述符 变为 非阻塞

使用 F_GETFL，将当前文件描述符的属性取出来
使用 F_SETFL，将文件描述符 状态进行设置，并加上一个 O_NONBLOCK (非阻塞) 参数

若函数返回 -1，则表示失败

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创建一个函数 setnonblock，将文件描述符设置为非阻塞状态
先使用F_GETFL，获取对应文件描述符的属性
若获取失败，则返回错误原因和错误码
若获取成功，则使用 F_SETFL 将文件描述符状态设为非阻塞状态

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为什么非阻塞IO会读取错误？

在主函数main中，将标准输入流改为非阻塞状态
并根据read的三种返回值，分别设置 返回提示 ： 读取成功、文件结尾 和 读取错误

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当将标准输入流设置为非阻塞状态后
再次运行可执行程序，直接就会读取失败
在调用read时，发现数据没有就绪 (当前读取检测速度太快，还没有输入，就报错了)

所以一旦底层数据没有就绪，就以出错的形式返回，但是不算真正的出错

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但这样就没办法区分是真正出错还是 底层没有数据了
所以就通过出错码 进行进一步判断

对错误码的进一步判断

EAGAIN 和 EWOULDBLOCK 都是系统设置的，错误码都是11
用于判断没出错，但是以出错的形式返回 的错误码
若为真，则下次继续检测即可

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若IO被信号中断，则重新检测

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检测数据没有就绪时，返回做一些其他事情

非阻塞IO，是可以做到 当检测数据没有就绪 时，就返回做一些其他事情

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定义一个 包装器 其参数为void 返回值为void ，并将其重命名为 func_t 类型
定义一个vetcor数组 ，其类型为 func_t

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设置三个任务，分别为PrintLog OperMysql CheckNet

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在创建LoadTask函数，将任务分别插入到funcs数组中

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在主函数main中，调用 LoadTask函数 以此加载任务

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创建一个 HandlerALLTask函数，用于遍历 vector数组 ，数组元素为任务
当数据没有就绪时，就返回 处理任务

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完整代码

mytest.cc

#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
using namespace std;

//任务
void PrintLog()//打印日志
{
   cout<<"这是一个打印日志例程"<<endl;
}

void OperMysql()
{
  cout<<"这是一个操作数据库的例程"<<endl;
}

void CheckNet()
{
    cout<<"这是一个检测网络状态的例程"<<endl;
}

using func_t =function<void(void)>;
vector<func_t>  funcs;

void LoadTask()
{
    funcs.push_back(PrintLog);
    funcs.push_back( OperMysql);
    funcs.push_back(CheckNet);
}

void HandlerALLTask()
{
    //遍历vector数组
  for(auto& func:funcs)
  {
    func();
  }
}

void SetNonBlock(int fd)//将文件描述符设为非阻塞
{
   int fl=fcntl(fd,F_GETFL);//获取当前文件描述符的指定状态标志位
    if(fl<0)//获取失败
    {
          cerr<<"error string: "<<strerror(errno)<<"error code: "<<errno<<endl;
    }
    fcntl(fd,F_SETFL,fl | O_NONBLOCK);//将文件描述符状态设为非阻塞状态
}

int main()
{
    char buffer[64];
    SetNonBlock(0);//将标准输入流 改为非阻塞状态
    LoadTask();//加载任务
   while(true)
   {
    
      //0表示标准输入流
      ssize_t n=read(0,buffer,sizeof(buffer)-1);//检测条件是否就绪
      if(n>0)//读取成功
      {
        buffer[n-1]=0;    
        cout<<"echo# "<<buffer<<endl; 
      }
      else if(n==0)//读到文件结尾
      {
        cout<<"end file"<<endl;
      }
      else//读取失败 
      {
        if(errno==EAGAIN || errno ==EWOULDBLOCK)
        {
          //若为真，说明没出错，只是以出错返回
          //底层数据没有准备好，下次继续检测

          HandlerALLTask();//遍历数组 处理任务
          sleep(1);
          cout<<"data not  ready"<<endl;
          continue;
          
        }
        else if(errno == EINTR)
        {
            //IO被信号中断，需要重新检测
            continue;
        }
        else //真正的错误
        {
             cout<<"read error"<<"error string: "<<strerror(errno)<<"error code: "<<errno<<endl;
             break;
        }
      }
      sleep(1);

   }
    return 0;
}

 

makefile

mytest:mytest.cc
	g++ -o $@ $^ -std=c++11
	
.PHONY:clean
clean:
	rm -f mytest

5. select

为什么要有select？

read/recv 等 文件接口只有一个文件描述符
想要 让一个接口等待多个文件描述符，而read等接口是不具备这个能力的
操作系统就设计一个接口 select，用于多路复用

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select 作用
1.等待多个文件描述符
2.只负责等(没有数据拷贝的能力)

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select 接口

输入 man select

由于select只负责等待，不负责拷贝，所以没有缓冲区

第一个参数 nfds的理解

第一个参数 nfds，是一个输入型参数 ，表示 select等待的多个文件描述符(fd)数字层面 最大的+1
(文件描述符的本质为 数组下标，多个文件描述符中 数值最大的文件描述符值+1 即nfds )

什么是 输入 输出型参数

用户把数据交给操作系统，同样操作系统也要 通过这些输出型参数 把结果 交给用户
为了让 用户 和 操作系统之间进行信息传递，就把参数设置为 输入 输出型参数

最后一个参数 timeout 的理解

timeout 是一个 输入 输出型参数

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timeout的数据类型 为struct timeval

可以一个时间结构体，tv_sec 表示 秒， tv_usec 表示 微秒

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对于 struct timeval的对象 可设置三种值

第一种 对象被设为 NULL ，对于select来说 表示 阻塞等待
(多个文件描述符任何一个都不就绪，select就一直不返回)

第二种 struct timeval对象定义出来，并将其中变量都设为0
对于select来说 表示 非阻塞等待
(多个文件描述符任何一个都不就绪，select就会立马出错 并返回)

第三种 struct timeval对象定义出来，并将其中变量设为 5 和 0
表示 5s以内 阻塞等待，否则 就 timeout(非阻塞等待) 一次
若在第3s时 有一个文件描述符就绪，则select就会返回 其中参数 timeout 表示 剩余的时间 2s(5-3=2)

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readfds writefds exceptfds 参数的理解

readfds writefds exceptfds 这三个参数 是同质的
readfds 表示 读事件
writefds 表示 写事件
excepttfds表示 异常事件

三者类型都为 fd_set

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fd_set是一个位图结构，用其表示多个文件描述符
通过比特位的位置， 就代表文件描述符数值是谁

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位图结构想要使用 按位与、按位或 这些操作，必须使用操作系统提供的接口

FD_CLR ：将指定的文件描述符从 指定的集合中清除

FD_ISSET：判断文件描述符是否在该集合中被添加

FD_SET： 将一个文件描述符添加到对应的set集合中

FD_ZERO：将文件描述符整体清空

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以readfds 读事件为例

若放入 readfds 集合中，用户告诉内核 ，那些文件描述符对应的读事件需要由 内核 来关心
返回时，内核要告诉用户，那些文件描述符的读事件已经就绪

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假设想让操作系统去关心八个文件描述符对应的事件

用户想告诉内核时，用户需 定义 fd_set 对象 rfds ，其中八个比特位设置为1
比特位的位置表示几号文件描述符
比特位被置1，则操作系统就需要关心 对应的几号文件描述符
如：需要关心 1-8号文件描述符，即查看是否就绪

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当select返回时， 内核会告诉用户，rfds重置，并将 就绪的文件描述符 对应 的 比特位位置 置1

如： 3号和5号就绪，则对应比特位 位置 置1 ，表示3号和5号文件描述符 对应的内容就绪

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select的返回值

select的返回值 同样也有三种情况
第一种 大于0
表示有几个文件描述符 是就绪的

第二种 等于0
进入timeout状态 ，即 5s以内没有任何一个文件描述符 就绪

第三种 小于0
等待失败 返回-1
如：想要等待下标为1 和2的文件描述符，但是下标为2的文件描述符根本不存在，就会等待失败

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