《UNIX环境高级编程》笔记--IO多路转换

如何才能read多个描述符呢，有下面这些方法。

a.使用多个进程，每个进程执行阻塞read，但是这也产生了问题，操作什么时候停止？如果子进程接收到文件结束符，那么

子进程终止，然后父进程接收到SIGCHLD信号，但是，若父进程终止，那么父进程应该通知子进程停止，为此可以使用一个

信号（例如SIGUSR1），但这是程序变得更加复杂。

b.使用多线程，这避免了终止的复杂性，但是要求处理线程之间的同步同样是程序复杂。

c.使用非阻塞IO。将多个描述符设置成非阻塞。对第一个描述符进行read，如果该输入上有数据，则读数据并处理，如果

无数据可读，则read立即返回。然后对下一个描述符进行相同的处理，这种方法的不足之处是浪费cpu时间，如果大多数

时间实际上是无数据可读，但是仍花费时间不断反复执行read系统调用。

d.使用异步IO。其基本思想是进程告诉内核，当一个描述符已准备好可以进行IO时，用一个信号通知它。这种技术有两个

问题。第一，并非所有系统都支持这种机制。system V为此技术提供了SIGPOLL信号，但是仅当描述符引用STREAMS设备

时，此信号才能工作。BSD有一个类似的信号SIGO，但也有类似的限制，仅当描述符引用终端设备或网络时才能工作，其次，

这种信号对每个进程而言只有1个，如果使该信号对两个描述符都其作用，那么在接到信号时进程无法判别是哪一个描述符

已经准备好。

e.使用IO多路转换（IO multiplexing）。先构造一张有关描述符的列表，然后调用一个函数，直到这些描述符中一个已准备

好进行IO，该函数才返回，在返回时，它告诉进程哪些描述符已准备好。

poll，pselect和select函数使我们能够执行IO多路转换。

1.select函数

#include<sys/select.h>
int select(int maxfdp1, fd_set *restrict readfds, fd_set *restrict writefds, fd_set *restrict exceptfds, struct timeval *restrict tvptr);

//返回准备就绪的描述符，若超时则返回0，出错返回-1.

下面对每个参数进行说明：

tvptr：愿意等待的时间。

struct timeval{

long tv_sec; //second

long tv_usec; //microseconds

}

有三种情况：

tvptr == NULL ：

 永远等待。如果捕捉到一个信号则中断此无限等待，select返回-1，errno设置为EINTR。

tvptr->tv_sec == 0 && tvptr->usec == 0：

完全不等待。测试所指定的描述符并立即返回。

tvptr->tv_sec != 0 || tvptr->tv_usec != 0：

等待指定的秒数和微秒数。当指定的描述符之一已经准备好，或当指定的时间值已经超过时立即返回。如果在超时是还没有

一个描述符准备好，则返回0.与第一种情况一样，这种等待可被捕捉到的信号中断。

readfds，writefds和execptfds：指向描述符集的指针。这三个描述符集说明了我们关心的可读，可写或处于异常条件的各个

描述符。每个描述符集存放在一个fd_set数据类型中。这种数据类型为每个可能的描述符保持了一位。

可以使用下面的函数处理fd_set数据类型。

#include<sys/select.h>
int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset); //若fd在描述符集中则返回非0值，否则返回0
void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset); //清除fd在fdset中的位。
void FD_SET(int fd, fd_set *fdset); //设置fd在fdset中的位。
void FD_ZERO(fd_set *fdset); //清除整个fdset。

maxfdp1：意思是“最大描述符加1”。在三个描述符集中找到最大描述符编号值，然后加1，这就是第一个参数值。也可将这个

参数设置为FD_SETSIZE，这是<sys/select.h>中的一个常量，它说明了最大的描述符数（通常是1024）。

select函数有三个可能的返回值：

1.返回值-1表示出错。这种情况下，将不修改其中任何描述符集。

2.返回值0表示没有描述符准备好。若指定的描述符都没有准备好，而且指定的时间已经超过，则发生这种情况。此时描述符

集都被清0.

3.正返回值表示已经准备好的描述符数，该值是三个描述符集中已准备好的描述符之和。三个描述符集中仍旧打开的位对应

与已准备好的描述符。

对于准备好的意思要做一些更具体的说明：

a.若对读集readfds中的一个描述符的read操作将不会阻塞，则此描述符是准备好的。

b.若对写集writefds中的一个描述符的write操作将不会阻塞，则此描述符是准备好的。

c.若异常状态集exceptfds中的一个描述符有一个未决异常状态，则此描述符时准备好的。现在，异常状态包括（a）在网络

连接上到达的带外数据，或者（b）在处于数据包模式的伪终端上发生了某些状态。

实践：

#include <stdio.h>
#include <sys/time.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

int main(void){
        char rbuf[10];
        fd_set rd_fds;
        int ret,len;
        struct timeval tv;
        tv.tv_sec = 3;
        tv.tv_usec = 0;

        while(1){
                FD_ZERO(&rd_fds);
                FD_SET(STDIN_FILENO,&rd_fds);
                tv.tv_sec = 3;
                tv.tv_usec = 0;
                ret = select(1,&rd_fds,NULL,NULL,&tv);
                if(ret < 0){
                        perror("select");
                        break;
                }else if(ret  == 0){
                        printf("timeout,goto next loop\n");
                }else{
                        printf("ret = %d\n",ret);
                        if(FD_ISSET(STDIN_FILENO,&rd_fds)){
                                len =read(STDIN_FILENO,rbuf,9);
                                rbuf[len] = '\0';
                                printf("%s",rbuf);
                        }
                }
        }
}

运行结果：

root@gmdz-virtual-machine:~# ./a.out
timeout,goto next loop
123
ret = 1
123
321
ret = 1
321

当三秒不输入，select函数返回。输入字符后，select提示有1个描述符准备好，然后读出刚才输入的字符。

程序中需要注意的是，在select返回后，tv中保存的是等待剩余的时间，也就是说如果你在select函数后，等待1秒再输入字符串，

那么select返回后，tv中的时间为2秒。所以在下次select之前，还需要重新设置下时间。

2.pselect函数

POSIX.1也定义了一个select的变体，它被称为pselect。

#include<sys/select.h>
int pselect(int maxfdp1, fd_set *restrict readfds, fd_set *restrict writefds, fd_set *restrict execptfds, 
const struct timespec *restrict tsptr, const sigset_t *restrict sigmask);
//返回值是准备就绪的描述符，若超时返回0，出错返回-1

pselect与select有以下几个不同：

a.select的超时用timeval结构指定，pselect使用timespec结构。

b.pselect的超时值被申明为const，这保证了调用pselect不会改变此值。

c.对于pselect可使用一个可选择的信号屏蔽字。若sigmask为空，那么在于信号有关的方面，pselect的运行状况和select

相同。否则，sigmask指向一个信号屏蔽字，在调用pselect时，以原子操作的方式安装该信号屏蔽字，在返回时回复以前

的信号屏蔽字。

3.poll函数

poll函数类似于select，但是其接口有所不同。

#include <poll.h>
int poll(struct pollfd fdarray[], nfds_t nfds, int timeout);
//返回就绪的描述符数，超时则返回0，出错则返回-1.

poll不是为每个状态（可读，可写，异常状态）构造一个描述符集，而是构造一个pollfd结构数组。每个数组元素指定一个

描述符编号以及对其所关心的状态。

struct pollfd{

int fd; //file descriptor to check,or <0 to ignore

short events; //events of interest on fd;

short revents;  //events that occurred on fd

}

fdarray数组中的元素数由nfds说明。

每个数组元素的events成员设置为下表中所示的值，通过这些值告诉内核我们对描述符关心的是什么。返回时，内核设置

revents程序，以说明对于该描述符已经发生了什么事件。（poll没有更改events成员）

当一个描述符被POLLHUP后，就不能再写向该描述符了，但是仍可能从该描述符读取数据。

timeout参数说明我们愿意等待多少时间。

timeout == -1：永远等待。

timeout == 0：不等待，测试所有的描述符并立即返回。

timeout>0：等待timeout毫秒，当指定的描述符之一已经准备好，或指定的时间值已经超过时立即返回。

实践：

#include <stdio.h>
#include <sys/poll.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

int main(void){
        char rbuf[10];
        struct pollfd event;
        event.fd = STDIN_FILENO;
        event.events = POLLIN;
        int ret,len;

        while(1){
                ret = poll(&event,1,3000);
                if(ret < 0){
                        perror("poll");
                        break;
                }else if(ret  == 0){
                        printf("timeout,goto next loop\n");
                }else{
                        printf("ret = %d\n",ret);
                        if(event.revents == POLLIN){
                                len =read(STDIN_FILENO,rbuf,9);
                                rbuf[len] = '\0';
                                printf("%s",rbuf);
                        }
                }
        }
}

运行结果：

root@gmdz-virtual-machine:~# ./a.out
timeout,goto next loop
123
ret = 1
123
321
ret = 1
321

当三秒不输入，poll函数返回。输入字符后，poll提示有1个描述符准备好，然后读出刚才输入的字符。