多路复用select epoll

目录

一、什么是多路复用：

二、select

1 基本原理

2 参数

3 使用例子

4 select的缺点

三、epoll

使用用例

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一、什么是多路复用：

• 多路: 指的是多个socket网络连接;
• 复用: 指的是复用一个线程、使用一个线程来检查多个文件描述符（Socket）的就绪状态
• 多路复用主要有三种技术：select，poll，epoll。epoll是最新的, 也是目前最好的多路复用技术

I/O多路复用就是通过一种机制，一个进程可以监视多个描述符，一旦某个描述符就绪（一般是读就绪或者写就绪），能够通知程序进行相应的读写操作。但select，poll，epoll本质上都是同步I/O，因为他们都需要在读写事件就绪后自己负责进行读写，也就是说这个读写过程是阻塞的，而异步I/O则无需自己负责进行读写，异步I/O的实现会负责把数据从内核拷贝到用户空间

二、select

1 基本原理

#include 
#include >sys/time.h>

int select(int maxfdp1,fd_set *readset,fd_set *writeset,fd_set *exceptset,const struct timeval *timeout);

返回值：

　　若有就绪描述符返回其数目，若超时则为0，若出错则为-1

2 参数

第一个参数——int maxfdp1

　　第一个参数maxfdp1指定待测试的描述字个数。 
　　它的值是待测试的最大描述字加1（因此把该参数命名为maxfdp1），描述字0、1、2…maxfdp1-1均将被测试。 
因为文件描述符是从0开始的。

fd_set *readset

fd_set *writeset

fd_set *exceptset

　　中间的三个参数readset、writeset和exceptset指定我们要让内核测试读、写和异常条件的描述字。　 
　　如果对某一个的条件不感兴趣，就可以把它设为空指针。struct fd_set可以理解为一个集合，这个集合中存放的是文件描述符，可通过以下四个宏进行设置：

void FD_ZERO(fd_set *fdset);          
//清空集合

void FD_SET(int fd, fd_set *fdset);  
//将一个给定的文件描述符加入集合之中

void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset);  
//将一个给定的文件描述符从集合中删除

int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset);  
// 检查集合中指定的文件描述符是否可以读写 

3 使用例子

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#define MYPORT 1234    // the port users will be connecting to
#define BACKLOG 5     // how many pending connections queue will hold
#define BUF_SIZE 1024
int fd_A[BACKLOG];    // accepted connection fd
int conn_amount;      // current connection amount
void showclient()
{
    int i;
    printf("client amount: %d/n", conn_amount);
    for (i = 0; i < BACKLOG; i++) {
        printf("[%d]:%d  ", i, fd_A[i]);
    }
    printf("/n/n");
}
int main(void)
{
    int sock_fd, new_fd;             // listen on sock_fd, new connection on new_fd
    struct sockaddr_in server_addr;  // server address information
    struct sockaddr_in client_addr;  // connector's address information
    socklen_t sin_size;
    int yes = 1;
    char buf[BUF_SIZE];
    int ret;
    int i;
    if ((sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1) {
        perror("socket");
        exit(1);
    }
    if (setsockopt(sock_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &yes, sizeof(int)) == -1) {
        perror("setsockopt");
        exit(1);
    }
    server_addr.sin_family = AF_INET;         // host byte order
    server_addr.sin_port = htons(MYPORT);     // short, network byte order
    server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // automatically fill with my IP
    memset(server_addr.sin_zero, '/0', sizeof(server_addr.sin_zero));
    if (bind(sock_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {
        perror("bind");
        exit(1);
    }
    if (listen(sock_fd, BACKLOG) == -1) {
        perror("listen");
        exit(1);
    }
    printf("listen port %d/n", MYPORT);
    fd_set fdsr;
    int maxsock;
    struct timeval tv;
    conn_amount = 0;
    sin_size = sizeof(client_addr);
    maxsock = sock_fd;
    while (1)
    {
        // initialize file descriptor set
        FD_ZERO(&fdsr);
        FD_SET(sock_fd, &fdsr);  // add fd
        // timeout setting
        tv.tv_sec = 30;
        tv.tv_usec = 0;
        // add active connection to fd set
        for (i = 0; i < BACKLOG; i++) {
            if (fd_A[i] != 0) {
                FD_SET(fd_A[i], &fdsr);
            }
        }
        ret = select(maxsock + 1, &fdsr, NULL, NULL, &tv);
        if (ret < 0) {          // error
            perror("select");
            break;
        } else if (ret == 0) {  // time out
            printf("timeout/n");
            continue;
        }
        // check every fd in the set
        for (i = 0; i < conn_amount; i++)
        {
            if (FD_ISSET(fd_A[i], &fdsr)) // check which fd is ready
            {
                ret = recv(fd_A[i], buf, sizeof(buf), 0);
                if (ret <= 0)
                {        // client close
                    printf("ret : %d and client[%d] close/n", ret, i);
                    close(fd_A[i]);
                    FD_CLR(fd_A[i], &fdsr);  // delete fd
                    fd_A[i] = 0;
                    conn_amount--;
                }
                else
                {        // receive data
                    if (ret < BUF_SIZE)
                        memset(&buf[ret], '/0', 1); // add NULL('/0')
                    printf("client[%d] send:%s/n", i, buf);
                }
            }
        }
        // check whether a new connection comes
        if (FD_ISSET(sock_fd, &fdsr))  // accept new connection
        {
            new_fd = accept(sock_fd, (struct sockaddr *)&client_addr, &sin_size);
            if (new_fd <= 0)
            {
                perror("accept");
                continue;
            }
            // add to fd queue
            if (conn_amount < BACKLOG)
            {
                fd_A[conn_amount++] = new_fd;
                printf("new connection client[%d] %s:%d/n", conn_amount,
                        inet_ntoa(client_addr.sin_addr), ntohs(client_addr.sin_port));
                if (new_fd > maxsock)  // update the maxsock fd for select function
                    maxsock = new_fd;
            }
            else
            {
                printf("max connections arrive, exit/n");
                send(new_fd, "bye", 4, 0);
                close(new_fd);
                break;   
            }
        }
        showclient();
    }
    // close other connections
    for (i = 0; i < BACKLOG; i++)
    {
        if (fd_A[i] != 0)
        {
            close(fd_A[i]);
        }
    }
    exit(0);
}

4 select的缺点

　　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

select图解

三、epoll

在linux的网络编程中，很长的时间都在使用select来做事件触发。在linux新的内核中，有了一种替换它的机制，就是epoll。相比于select，epoll最大的好处在于它不会随着监听fd数目的增长而降低效率。如前面我们所说，在内核中的select实现中，它是采用轮询来处理的，轮询的fd数目越多，自然耗时越多。并且，在linux/posix_types.h头文件有这样的声明：
#define __FD_SETSIZE 1024
表示select最多同时监听1024个fd，当然，可以通过修改头文件再重编译内核来扩大这个数目，但这似乎并不治本。

创建一个epoll的句柄，size用来告诉内核这个监听的数目一共有多大。这个参数不同于select()中的第一个参数，给出最大监听的fd+1的值。需要注意的是，当创建好epoll句柄后，它就是会占用一个fd值，在linux下如果查看/proc/进程id/fd/，是能够看到这个fd的，所以在使用完epoll后，必须调用close()关闭，否则可能导致fd被耗尽。

epoll的接口非常简单，一共就三个函数：

• epoll_create：创建一个epoll句柄
• epoll_ctl：向 epoll 对象中添加/修改/删除要管理的连接
• epoll_wait：等待其管理的连接上的 IO 事件

epoll_create 函数

int epoll_create(int size);

• 功能：该函数生成一个 epoll 专用的文件描述符。
• 参数size: 用来告诉内核这个监听的数目一共有多大，参数 size 并不是限制了 epoll 所能监听的描述符最大个数，只是对内核初始分配内部数据结构的一个建议。自从 linux 2.6.8 之后，size 参数是被忽略的，也就是说可以填只有大于 0 的任意值。
• 返回值：如果成功，返回poll 专用的文件描述符，否者失败，返回-1。

epoll_ctl 函数

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

• 功能：epoll 的事件注册函数，它不同于 select() 是在监听事件时告诉内核要监听什么类型的事件，而是在这里先注册要监听的事件类型。
• 参数epfd: epoll 专用的文件描述符，epoll_create()的返回值
• 参数op: 表示动作，用三个宏来表示：

1. EPOLL_CTL_ADD：注册新的 fd 到 epfd 中；
2. EPOLL_CTL_MOD：修改已经注册的fd的监听事件；
3. EPOLL_CTL_DEL：从 epfd 中删除一个 fd；

• 参数fd: 需要监听的文件描述符
• 参数event: 告诉内核要监听什么事件，struct epoll_event 结构如:
• 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 Trigger)模式，这是相对于水平触发(Level Trigger)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
• 返回值：0表示成功，-1表示失败。

epoll_wait函数

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

• 功能：等待事件的产生，收集在 epoll 监控的事件中已经发送的事件，类似于 select() 调用。
• 参数epfd: epoll 专用的文件描述符，epoll_create()的返回值
• 参数events: 分配好的 epoll_event 结构体数组，epoll 将会把发生的事件赋值到events 数组中（events 不可以是空指针，内核只负责把数据复制到这个 events 数组中，不会去帮助我们在用户态中分配内存）。
• 参数maxevents: maxevents 告之内核这个 events 有多少个 。
• 参数timeout: 超时时间，单位为毫秒，为 -1 时，函数为阻塞。
• 返回值：

1. 如果成功，表示返回需要处理的事件数目
2. 如果返回0，表示已超时
3. 如果返回-1，表示失败

epoll图解

使用用例

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include
const int MAX_EVENT_NUMBER = 10000; //最大事件数
// 设置句柄非阻塞
int setnonblocking(int fd)
{
    int old_option = fcntl(fd, F_GETFL);
    int new_option = old_option | O_NONBLOCK;
    fcntl(fd, F_SETFL, new_option);
    return old_option;
}

int main(){

    // 创建套接字
    int nRet=0;
    int m_listenfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(m_listenfd<0)
    {
        printf("fail to socket!");
        return -1;
    }
    // 
    struct sockaddr_in address;
    bzero(&address, sizeof(address));
    address.sin_family = AF_INET;
    address.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    address.sin_port = htons(6666);

    int flag = 1;
    // 设置ip可重用
    setsockopt(m_listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &flag, sizeof(flag));
    // 绑定端口号
    int ret = bind(m_listenfd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address));
    if(ret<0)
    {
        printf("fail to bind!,errno :%d",errno);
        return ret;
    }

    // 监听连接fd
    ret = listen(m_listenfd, 200);
    if(ret<0)
    {
        printf("fail to listen!,errno :%d",errno);
        return ret;
    }

    // 初始化红黑树和事件链表结构rdlist结构
    epoll_event events[MAX_EVENT_NUMBER];
    // 创建epoll实例
    int m_epollfd = epoll_create(5);
    if(m_epollfd==-1)
    {
        printf("fail to epoll create!");
        return m_epollfd;
    }



    // 创建节点结构体将监听连接句柄
    epoll_event event;
    event.data.fd = m_listenfd;
    //设置该句柄为边缘触发（数据没处理完后续不会再触发事件，水平触发是不管数据有没有触发都返回事件），
    event.events = EPOLLIN | EPOLLET | EPOLLRDHUP;
    // 添加监听连接句柄作为初始节点进入红黑树结构中，该节点后续处理连接的句柄
    epoll_ctl(m_epollfd, EPOLL_CTL_ADD, m_listenfd, &event);

    //进入服务器循环
    while(1)
    {
        int number = epoll_wait(m_epollfd, events, MAX_EVENT_NUMBER, -1);
        if (number < 0 && errno != EINTR)
        {
            printf( "epoll failure");
            break;
        }
        for (int i = 0; i < number; i++)
        {
            int sockfd = events[i].data.fd;
            // 属于处理新到的客户连接
            if (sockfd == m_listenfd)
            {
                struct sockaddr_in client_address;
                socklen_t client_addrlength = sizeof(client_address);
                int connfd = accept(m_listenfd, (struct sockaddr *)&client_address, &client_addrlength);
                if (connfd < 0)
                {
                    printf("errno is:%d accept error", errno);
                    return false;
                }
                epoll_event event;
                event.data.fd = connfd;
                //设置该句柄为边缘触发（数据没处理完后续不会再触发事件，水平触发是不管数据有没有触发都返回事件），
                event.events = EPOLLIN | EPOLLRDHUP;
                // 添加监听连接句柄作为初始节点进入红黑树结构中，该节点后续处理连接的句柄
                epoll_ctl(m_epollfd, EPOLL_CTL_ADD, connfd, &event);
                setnonblocking(connfd);
            }
            else if (events[i].events & (EPOLLRDHUP | EPOLLHUP | EPOLLERR))
            {
                //服务器端关闭连接，
                epoll_ctl(m_epollfd, EPOLL_CTL_DEL, sockfd, 0);
                close(sockfd);
            }
            //处理客户连接上接收到的数据
            else if (events[i].events & EPOLLIN)
            {
                char buf[1024]={0};
                read(sockfd,buf,1024);
                printf("from client :%s");

                // 将事件设置为写事件返回数据给客户端
                events[i].data.fd = sockfd;
                events[i].events = EPOLLOUT | EPOLLET | EPOLLONESHOT | EPOLLRDHUP;
                epoll_ctl(m_epollfd, EPOLL_CTL_MOD, sockfd, &events[i]);
            }
            else if (events[i].events & EPOLLOUT)
            {
                std::string response = "server response \n";
                write(sockfd,response.c_str(),response.length());

                // 将事件设置为读事件，继续监听客户端
                events[i].data.fd = sockfd;
                events[i].events = EPOLLIN | EPOLLRDHUP;
                epoll_ctl(m_epollfd, EPOLL_CTL_MOD, sockfd, &events[i]);
            }
            //else if 可以加管道，unix套接字等等数据
        }
    }


}