I/O多路复用(I/O多路转接)

I/O 多路复用使得程序能同时监听多个文件描述符,能够提高程序的性能,Linux 下实现 I/O 多路复用的系统调用主要有 select、poll 和 epoll。

1.select

主旨思想:
1. 首先要构造一个关于文件描述符的列表,将要监听的文件描述符添加到该列表中。
2. 调用一个系统函数,监听该列表中的文件描述符,直到这些描述符中的一个或者多个进行I/O
操作时,该函数才返回。
a.这个函数是阻塞
b.函数对文件描述符的检测的操作是由内核完成的
3. 在返回时,它会告诉进程有多少(哪些)描述符要进行I/O操作。

I/O多路复用(I/O多路转接)_第1张图片

// sizeof(fd_set) = 128   1024
#include 
#include 
#include 
#include 
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,
     fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
- 参数:
   - nfds : 委托内核检测的最大文件描述符的值 + 1
      - readfds : 要检测的文件描述符的读的集合,委托内核检测哪些文件描述符的读的属性
        - 一般检测读操作
        - 对应的是对方发送过来的数据,因为读是被动的接收数据,检测的就是读缓冲
区
        - 是一个传入传出参数
      - writefds : 要检测的文件描述符的写的集合,委托内核检测哪些文件描述符的写的属性
        - 委托内核检测写缓冲区是不是还可以写数据(不满的就可以写)
- exceptfds : 检测发生异常的文件描述符的集合
      - timeout : 设置的超时时间
        struct timeval {
       long   tv_sec;     /* seconds */
       long   tv_usec;     /* microseconds */
     };
- NULL : 永久阻塞,直到检测到了文件描述符有变化
        - tv_sec = 0 tv_usec = 0, 不阻塞
        - tv_sec > 0 tv_usec > 0, 阻塞对应的时间
         
   - 返回值 :
- -1 : 失败
      - >0(n) : 检测的集合中有n个文件描述符发生了变化
// 将参数文件描述符fd对应的标志位设置为0
void FD_CLR(int fd, fd_set *set);
// 判断fd对应的标志位是0还是1, 返回值 : fd对应的标志位的值,0,返回0, 1,返回1
int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set);
// 将参数文件描述符fd 对应的标志位,设置为1
void FD_SET(int fd, fd_set *set);
// fd_set一共有1024 bit, 全部初始化为0
void FD_ZERO(fd_set *set);
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
int main() {
    //创建socket
    int lfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    struct sockaddr_in saddr;
    saddr.sin_port = htons(9999);
    saddr.sin_family = AF_INET;
    saddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    //绑定
    bind(lfd, (struct sockaddr*) &saddr, sizeof(saddr));
    //监听
    listen(lfd, 8);
    //创建一个fd_set数组,存放的是需要检测的文件描述符
    fd_set rdset, tmp;
    FD_ZERO(&rdset);
    __FD_SET(lfd, &rdset);
    int maxfd = lfd;
    while(1) {
        tmp = rdset;
        //调用select系统函数,让内核检测哪些文件描述符有数据
        int ret = select(maxfd + 1, &tmp, NULL, NULL, NULL);
        if(ret == -1) {
            perror("select");
            exit(-1);
        } else if(ret == 0) {
            continue;
        } else if(ret > 0) {
            //说明检测到了有文件描述符对应的缓冲区的数据发生了变化
            if(FD_ISSET(lfd, &tmp)) {
                //有新的客户端链接进来了
                struct sockaddr_in cliaddr;
                int len = sizeof(cliaddr);
                int cfd = accept(lfd, (struct sockaddr*)&cliaddr, &len);
                //将新的文件描述符加入到数组rdset中
                FD_SET(cfd, &rdset);
                maxfd = maxfd > cfd ? maxfd : cfd;
            }
            for(int i = lfd + 1; i <= maxfd; i++) {
                if(FD_ISSET(i, &tmp)) {
                    //说明这个文件描述符对应的客户端发来了数据
                    char buf[1024] = {0};
                    int len = read(i, buf, sizeof(buf));
                    if(len == -1) {
                        perror("read");
                        exit(-1);
                    } else if(len == 0) {
                        printf("client closed...\n"); 
                        close(i);
                        FD_CLR(i, &rdset);
                    } else if(len > 0) {
                        printf("read buf = %s\n", buf);
                        write(i, buf, strlen(buf) + 1);
                    }
                }
            }
        }
    }
    close(lfd);
    return 0;
}
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main() {

    // 创建socket
    int fd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(fd == -1) {
        perror("socket");
        return -1;
    }

    struct sockaddr_in seraddr;
    inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &seraddr.sin_addr.s_addr);
    seraddr.sin_family = AF_INET;
    seraddr.sin_port = htons(9999);

    // 连接服务器
    int ret = connect(fd, (struct sockaddr *)&seraddr, sizeof(seraddr));

    if(ret == -1){
        perror("connect");
        return -1;
    }

    int num = 0;
    while(1) {
        char sendBuf[1024] = {0};
        sprintf(sendBuf, "send data %d", num++);
        write(fd, sendBuf, strlen(sendBuf) + 1);

        // 接收
        int len = read(fd, sendBuf, sizeof(sendBuf));
        if(len == -1) {
            perror("read");
            return -1;
        }else if(len > 0) {
            printf("read buf = %s\n", sendBuf);
        } else {
            printf("服务器已经断开连接...\n");
            break;
        }
        // sleep(1);
        usleep(1000);
    }

    close(fd);

    return 0;
}

2.POLL

I/O多路复用(I/O多路转接)_第2张图片

#include 
struct pollfd {
int  fd;     /* 委托内核检测的文件描述符 */
short events;   /* 委托内核检测文件描述符的什么事件 */
short revents;   /* 文件描述符实际发生的事件 */
};
struct pollfd myfd;
myfd.fd = 5;
myfd.events = POLLIN | POLLOUT;
int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
- 参数:
    - fds : 是一个struct pollfd 结构体数组,这是一个需要检测的文件描述符的集合
    - nfds : 这个是第一个参数数组中最后一个有效元素的下标 + 1
    - timeout : 阻塞时长
      0 : 不阻塞
      -1 : 阻塞,当检测到需要检测的文件描述符有变化,解除阻塞
      >0 : 阻塞的时长
  - 返回值:
    -1 : 失败
    >0(n) : 成功,n表示检测到集合中有n个文件描述符发生变化

I/O多路复用(I/O多路转接)_第3张图片

 

#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
int main() {
    //创建socket
    int lfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    struct sockaddr_in saddr;
    saddr.sin_port = htons(9999);
    saddr.sin_family = AF_INET;
    saddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    //绑定
    bind(lfd, (struct sockaddr*) &saddr, sizeof(saddr));
    //监听
    listen(lfd, 8);
    //初始化检测的文件描述符数组
    struct pollfd fds[1024];
    for(int i = 0; i < 1024; i++) {
        fds[i].fd = -1;
        fds[i].events = POLLIN;
    }
    fds[0].fd = lfd;
    int nfds = 0;
    while(1) {
        
        //调用poll系统函数,让内核检测哪些文件描述符有数据
        int ret = poll(fds, nfds + 1, -1);
        if(ret == -1) {
            perror("poll");
            exit(-1);
        } else if(ret == 0) {
            continue;
        } else if(ret > 0) {
            //说明检测到了有文件描述符对应的缓冲区的数据发生了变化
            if(fds[0].revents & POLLIN ) {
                //有新的客户端链接进来了
                struct sockaddr_in cliaddr;
                int len = sizeof(cliaddr);
                int cfd = accept(lfd, (struct sockaddr*)&cliaddr, &len);
                //将新的文件描述符加入到数组rdset中
                for(int i = 1; i < 1024; i++) {
                    if(fds[i].fd == -1) {
                        fds[i].fd = cfd;
                        fds[i].events = POLLIN;
                        break;
                    }
                }
                nfds = nfds > cfd ? nfds : cfd;
            }
            for(int i = 1; i <= nfds; i++) {
                if(fds[i].revents & POLLIN) {
                    //说明这个文件描述符对应的客户端发来了数据
                    char buf[1024] = {0};
                    int len = read(fds[i].fd, buf, sizeof(buf));
                    if(len == -1) {
                        perror("read");
                        exit(-1);
                    } else if(len == 0) {
                        printf("client closed...\n"); 
                        close(fds[i].fd);
                        fds[i].fd = -1;
                    } else if(len > 0) {
                        printf("read buf = %s\n", buf);
                        write(fds[i].fd, buf, strlen(buf) + 1);
                    }
                }
            }
        }
    }
    close(lfd);
    return 0;
}

3.epoll

#include 
// 创建一个新的epoll实例。在内核中创建了一个数据,这个数据中有两个比较重要的数据,一个是需要检
测的文件描述符的信息(红黑树),还有一个是就绪列表,存放检测到数据发送改变的文件描述符信息(双向
链表)。
int epoll_create(int size);
- 参数:
    size : 目前没有意义了。随便写一个数,必须大于0
  - 返回值:
    -1 : 失败
    > 0 : 文件描述符,操作epoll实例的
typedef union epoll_data {
void     *ptr;
int      fd;
uint32_t   u32;
uint64_t   u64;
} epoll_data_t;
struct epoll_event {
uint32_t   events;    /* Epoll events */
epoll_data_t data;     /* User data variable */
};
常见的Epoll检测事件:
  - EPOLLIN
  - EPOLLOUT
  - EPOLLERR
// 对epoll实例进行管理:添加文件描述符信息,删除信息,修改信息
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
- 参数:
   - epfd : epoll实例对应的文件描述符
      - op : 要进行什么操作
        EPOLL_CTL_ADD:  添加
EPOLL_CTL_MOD: 修改
EPOLL_CTL_DEL: 删除
      - fd : 要检测的文件描述符
      - event : 检测文件描述符什么事情
// 检测函数        
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int
timeout);
- 参数:
    - epfd : epoll实例对应的文件描述符
    - events : 传出参数,保存了发送了变化的文件描述符的信息
    - maxevents : 第二个参数结构体数组的大小
    - timeout : 阻塞时间
      - 0 : 不阻塞
      - -1 : 阻塞,直到检测到fd数据发生变化,解除阻塞
      - > 0 : 阻塞的时长(毫秒)
       
  - 返回值:
    - 成功,返回发送变化的文件描述符的个数 > 0
    - 失败 -1

I/O多路复用(I/O多路转接)_第4张图片

Epoll 的工作模式: 

LT 模式 (水平触发)
假设委托内核检测读事件 -> 检测fd的读缓冲区
读缓冲区有数据 - > epoll检测到了会给用户通知
a.用户不读数据,数据一直在缓冲区,epoll 会一直通知
b.用户只读了一部分数据,epoll会通知
c.缓冲区的数据读完了,不通知
LT(level - triggered)是缺省的工作方式,并且同时支持 block 和 no-block socket。在这种做法中,内核告诉你一个文件描述符是否就绪了,然后你可以对这个就绪的 fd 进行 IO 操作。如果你不作任何操作,内核还是会继续通知你的。

ET 模式(边沿触发)
假设委托内核检测读事件 -> 检测fd的读缓冲区
读缓冲区有数据 - > epoll检测到了会给用户通知
a.用户不读数据,数据一致在缓冲区中,epoll下次检测的时候就不通知了
b.用户只读了一部分数据,epoll不通知
c.缓冲区的数据读完了,不通知

 ET(edge - triggered)是高速工作方式,只支持 no-block socket。在这种模式下,当描述
符从未就绪变为就绪时,内核通过epoll告诉你。然后它会假设你知道文件描述符已经就绪,
并且不会再为那个文件描述符发送更多的就绪通知,直到你做了某些操作导致那个文件描述
符不再为就绪状态了。但是请注意,如果一直不对这个 fd 作 IO 操作(从而导致它再次变成
未就绪),内核不会发送更多的通知(only once)。

ET 模式在很大程度上减少了 epoll 事件被重复触发的次数,因此效率要比 LT 模式高。epoll
工作在 ET 模式的时候,必须使用非阻塞套接口,以避免由于一个文件句柄的阻塞读/阻塞写
操作把处理多个文件描述符的任务饿死。

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