Linux系统文件I/O编程(三)---I/O多路复用

多路复用

函数说明

    我们都知道fcntl()函数解决了文件共享的问题，如果不知道请看：http://blog.csdn.net/mybelief321/article/details/8993138。接下来该处理I/O复用的情况了。那么，什么是I/O复用呢？这个咱得先弄清楚，所谓的I/O复用无非就是多个进程共同使用一个I/O输入输出流。

   在经典的《Unix网络编程第1卷》Chapter 6中作者详细介绍了五种I/O模型，分别为：
   ① blocking I/O
   ② nonblocking I/O
   ③ I/O multiplexing (select and poll)
   ④ signal driven I/O (SIGIO)
   ⑤ asynchronous I/O (the POSIX aio_functions)

   我英语水平一般，还是换成中文的来说吧。I/O处理的模型有5种：

   ① 阻塞I/O型：在这种模式下，若所调用的I/O函数没有完成相关的功能，则会使进程挂起，直到相关数据到达才会返回。如常见对管道设备、终端设备和网络设备进行读写时经常会出现这种情况。

   ② 非阻塞I/O型：在这种模式下，当请求的I/O操作不能完成时，则不让进程睡眠，而且立即返回。非阻塞I/O使用户可以调用不会阻塞的I/O操作，如open()、write()和read()。如果该操作不能完成，则会立即返回出错（如打不开文件）或者返回0（比如在缓冲区中没有数据可以读取或者没有空间可以写入数据）。

   ③ I/O多路转接模型：在这种模式下，如果请求的I/O操作阻塞，且它不是真正的阻塞I/O，而是让其中的一个函数等待，在此期间，I/O还能进行其他操作。咱们接下来要说的select()函数和poll()函数，就是属于这种类型。

   ④ 信号驱动I/O模型：在这种模式下，进程要定义一个信号处理程序，系统可以自动捕获特定信号的到来，从而启动I/O。这是由内核通知用户何时可以启动一个I/O操作决定的。这种模型是非阻塞的，当有就绪的数据时，内核就向该进程发送SIGIO信号。无论我们如何处理SIGIO信号，这种模型的好处就是当等待数据到达时，可以不阻塞。主程序继续执行，只有收到SIGIO信号时，才去处理数据即可。

   ⑤ 异步I/O模型：在这种模型下，进程先让内核启动I/O操作，并在整个操作完成后通知该进程。这种模型与信号驱动模型的主要区别在于：信号驱动I/O是由内核通知我们何时可以启动一个I/O操作，而异步I/O模型是由内核通知进程I/O操作何时完成的。现在并不是所有的系统都支持这种模型。

    相比较而言，select()和poll()的I/O多路转换模型是处理I/O复用的一个高效的方法。它可以具体设置程序中每一个所关心的文件描述符的条件、希望等待的时间等，从select()函数和poll()函数返回时，内核会通知用户已准备好的文件描述符的数量、已准备好的条件（或事件）等。通过使用select()和poll()函数的返回结果(可能是检测到某个文件描述符的注册事件或是超时，或是调用出错)，就可以调用相应的I/O处理函数了。

函数格式

   下图为select()函数的介绍

  

    可以看到，select函数根据希望进行的文件操作对文件描述符进行了分类，这里对文件描述符的处理主要涉及4个宏函数，如下表2所示

   

     另外，select()函数中的 timeou 是一个 struct timeval类型的指针，该结构体如下所示：

    

    可以看到，这个时间结构体的精确度可以设置到微秒级，这对于大多数的应用而言已经足够了。

    使用select()函数的过程可概括为：先调用FD_ZERO() 将指定的fd_set清零，然后调用宏FD_SET()将需要测试的fd加入fd_set，接着调用函数select测试fd_set中的所有fd，最后用用宏FD_ISSET()检查某个fd在函数select调用后，相应位是否仍然为1。在执行完对相关文件描述符的操作后，使用FD_CLR来描述符集。

    下表为 poll()函数的介绍：

   

基础实验

实验原理

      本实验主要实现通过调用poll()函数来监听三个终端的输入（分别重定向到两个管道文件的虚拟终端及主程序所运行的虚拟终端）并分别进行相应的处理。在这里我们建立了一个poll()函数监听的读文件描述符集，其中包含三个文件描述符，分别为标准输入文件描述符和两个管道文件描述符。通过监视主程序的虚拟终端标准输入来实现程序的控制（如程序结束）；以两个管道作为数据输入，主程序将从两个管道读取的输入字符串写入到标准输出文件（屏幕）。

     为了充分表现poll()函数的功能，在运行主程序时，需要打开3个虚拟终端：首先用mknod命令创建两个管道 in1 和 in2。接下来，在两个虚拟终端上分别运行 cat > in1和cat > in2.同时在第三个虚拟终端上运行主程序。

   在程序运行后，如果在两个管道终端上输入字符串，则可以观察到同样的内容将在主程序的虚拟终端上逐行显示。

   如果想结束主程序，只要在主程序的虚拟终端下输入以“q”或“Q”字符开头的字符串即可。如果三个文件一直在无输入状态张，则主程序一直处于阻塞状态。为了防止无限期的阻塞，在程序中设置超时值（本实验汇总设置为60s），当无输入状态持续到超时值时，主程序主动结束运行并退出。

   程序的流程图如下：

 

   实验步骤：本次实验只需要一个c文件，即multiplex_poll.c，我上传到了网站，请自行下载：点此下载

   在第一个终端中，使用命令：gcc multiplex.c -o multiplex编译文件，如下

  

   使用命令建立两个管道文件：mknod  in1  p

                                                  mknod  in2  p，如下图，mknod命令不了解的请点此

     

    在终端1执行命令：./multiplex_select

    再打开两个终端，在终端2中执行命令： cat > in1 ，不了解cat命令的请点此，在终端3中执行命令：cat > in2，如下图所示，分别在终端2和3中输入字符，终端1中就会显示，在终端1中输入q或Q，则立刻结束程序运行。

   

   

  

   下图为程序的超时结果：