Linux网络编程-IO复用技术

IO复用是Linux中的IO模型之一，IO复用就是进程预先告诉内核需要监视的IO条件，使得内核一旦发现进程指定的一个或多个IO条件就绪，就通过进程进程处理，从而不会在单个IO上阻塞了。Linux中，提供了select、poll、epoll三种接口函数来实现IO复用。

1、select函数

#include <sys/select.h>

#include <sys/time.h>

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

    // 返回：若有就绪描述符则为其个数，超时为0，出错-1

nfds参数指定了被监听文件描述符的个数，通常设置为监听的所有描述符最大值加1，因为文件描述符是从0开始的。readfs、writefds和exceptfds分别对应可读、可写和异常等事件文件描述符集合，当调用select时，通过这3个参数传入自己感兴趣的文件描述符，select函数返回后，内核通过修改他们来通知应用程序那些文件描述符已经就绪。

fd_set结构体包含一个整形数组，该数组中每一个元素的每一位标记一个文件描述符，fd_set容纳的文件描述符数量由FD_SETSIZE指定，这就限制了select能同时处理的文件描述符最大个数。通过一些宏来操作fd_set结构体中的位：

#include <sys/select.h>

FD_ZERO(fd_set *fdset);     /* 清除fdset所有标志位 */

FD_SET(int fd, fd_set fdset);       /* 设置fdset标志位fd */

FD_CLR(int fd, fd_set fdset);       /* 清除fdset标志位fd */

int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset);    /* 测试fdset的位fd是否被设置 */

timeout参数用来设置select的超时时间，它是一个timeval结构类型指针，采用指针参数是应为内核将修改它以告诉应用程序select等待了多久。不过我们不能完全信任select调用返回的timeout值，比如调用失败后timeout的值是不确定的。

struct timeval

{

    long tv_sec;    //秒数

    long tv_usec;   //微秒数

};

select提供了一个微妙的定时方案，如果给timeval的成员都赋值0，则select将立即返回；如果timeout为NULL，则select将一直阻塞，直到某个文件描述符就绪。select成功时返回就绪的文件描述符的总数，如果在超时时间内没有任何描述符就绪，select返回0，select失败返回-1并设置errno。如果在select等待期间，程序收到信号，则select立即返回-1，并设置errno为EINTR。

select缺点：

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
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
select支持的文件描述符数量太小了，默认是1024

select测试用例：

#include <iostream>

#include <vector>

#include <unistd.h>

#include <sys/select.h>

#include <sys/socket.h>

#include <arpa/inet.h>

#include <string.h>

using namespace std;

int getMaxNumOfVector(vector<int> &fds);

vector<int> flipVector(vector<int> &fds);

int main(int argc, char **argv)

{

    vector<int> fds;

    int listenfd, connfd;

    struct sockaddr_in servaddr;

    listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, );

    memset(&servaddr, , sizeof(servaddr));

    servaddr.sin_family = AF_INET;

    servaddr.sin_port = htons();

    servaddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

    bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));

    listen(listenfd, );

    fd_set read_fd;

    fd_set write_fd;

    fd_set except_fd;

    char buff[];

    FD_ZERO(&read_fd);

    FD_ZERO(&write_fd);

    FD_ZERO(&except_fd);

    fds.push_back(STDIN_FILENO);

    fds.push_back(listenfd);

    bool running = true;

    while (running) {

        buff[] = '\0';

        /**

         * 每次调用select都要重新初始化read_fd和except_fd中的文件描述符集

         */

        for (int i = ; i < fds.size(); i++) {

            FD_SET(fds[i], &read_fd);

            if ((fds[i] != STDIN_FILENO) && (fds[i] != listenfd)) {

                //FD_SET(fds[i], &write_fd);

                FD_SET(fds[i], &except_fd);

            }

        }

        int event_num = select(getMaxNumOfVector(fds) + , &read_fd, &write_fd, &except_fd, NULL);

        if (event_num < ) {

            cerr << "select error" << endl;

            break;

        }

        for (int i = ; i < fds.size(); i++) {

            if (fds[i] == STDIN_FILENO) {

                // 从STDIN_FILENO中读取数据

                if (FD_ISSET(STDIN_FILENO, &read_fd)) {

                    cin >> buff;

                    if (strcmp(buff, "quit") == ) {

                        running = false;

                        break;

                    }

                    else {

                        cout << buff << endl;

                    }

                }

            }

            else if (fds[i] == listenfd) {

                if (FD_ISSET(listenfd, &read_fd)) {

                    connfd = accept(listenfd, NULL, NULL);

                    if (connfd < ) {

                        running = false;

                        break;

                    }

                    fds.push_back(connfd);

                    cout << "往fds添加 " << connfd << ", fds.size: " << fds.size() << endl;

                }

            }

            else {

                if (FD_ISSET(fds[i], &read_fd)) {

                    int len = recv(fds[i], buff, sizeof(buff) - , );

                    if (len < ) {

                        cerr << "recv error" << endl;

                    }

                    else if (len == ) {

                        cout << "从fds删除 " << fds[i] << endl;

                        // 客户端断开了连接

                        fds[i] = -;

                    }

                    else {

                        buff[len] = '\0';

                        cout << fds[i] << " recv: " << buff << endl;

                    }

                }

                else if (FD_ISSET(fds[i], &write_fd)) {

                }

                else if (FD_ISSET(fds[i], &except_fd)) {

                }

            }

        }

        fds = flipVector(fds);

    }

    // 关闭文件描述符

    for (int i = ; i < fds.size(); i++) {

        close(fds[i]);

    }

    close(listenfd);

    return ;

}

int getMaxNumOfVector(vector<int> &fds)

{

    int result = ;

    for (int i = ; i < fds.size(); i++) {

        if (fds[i] > result) {

            result = fds[i];

        }

    }

    return result;

}

vector<int> flipVector(vector<int> &fds) {

    vector<int> fdsnew;

    for (int i = ; i < fds.size(); i++) {

        if (fds[i] != -) {

            fdsnew.push_back(fds[i]);

        }

    }

    return fdsnew;

}

poll函数

#include <poll.h>

int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);

    // 返回：若有就绪描述符则为其数目，超时为0，出错-1

poll系统调用和select类似，也是在一定时间内轮询一定数量的文件描述符，测试是否有就绪者。nfds参数指定被监听事件集合fds的大小，timeout指定poll的超时值，单位为毫秒，当timeout为-1时，poll调用将一直阻塞，直到某个事件发生；当timeout为0时，poll调用马上返回。

pollfd结构体：

struct pollfd

{

    int fd;         /* 文件描述符 */

    short events;       /* 注册的事件 */

    short revents;      /* 实际发生的事件，有内核填充 */

};

poll支持的事件类型：

poll函数测试用例，监听多个socket连接和终端输入，当在终端中输入quit时退出程序：

#include <iostream>

#include <vector>

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <unistd.h>

#include <sys/poll.h>

#include <sys/socket.h>

#include <arpa/inet.h>

#include <string.h>

using namespace std;

vector<pollfd> flipVector(vector<pollfd> &fds);

struct pollfd *getPollfd(vector<pollfd> &fds, int *ppoll_size);

int main(int argc, char **argv)

{

    int listenfd, connfd;

    struct sockaddr_in servaddr;

    listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, );

    memset(&servaddr, , sizeof(servaddr));

    servaddr.sin_family = AF_INET;

    servaddr.sin_port = htons();

    servaddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

    bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));

    listen(listenfd, );

    struct pollfd poll_fd;

    vector<struct pollfd> fds;

    poll_fd.fd = STDIN_FILENO;

    poll_fd.events = POLLIN;

    fds.push_back(poll_fd);

    poll_fd.fd = listenfd;

    poll_fd.events = POLLIN;

    fds.push_back(poll_fd);

    char buff[];

    struct pollfd *ppoll = NULL;

    int poll_size = ;

    ppoll = getPollfd(fds, &poll_size);

    bool running = true;

    while (running) {

        int oldSize = fds.size();

        buff[] = '\0';

        int event_num = poll(ppoll, poll_size, -);

        if (event_num < ) {

            cerr << "select error" << endl;

            break;

        }

        int fds_size = fds.size();

        for (int i = ; i < fds_size; i++) {

            if (ppoll[i].fd == STDIN_FILENO) {

                // 从STDIN_FILENO中读取数据

                if (ppoll[i].revents & POLLIN) {

                    cin >> buff;

                    if (strcmp(buff, "quit") == ) {

                        running = false;

                        break;

                    }

                    else {

                        cout << buff << endl;

                    }

                }

            }

            else if (ppoll[i].fd == listenfd) {

                if (ppoll[i].revents & POLLIN) {

                    connfd = accept(listenfd, NULL, NULL);

                    if (connfd < ) {

                        running = false;

                        break;

                    }

                    poll_fd.fd = connfd;

                    poll_fd.events = POLLIN;

                    fds.push_back(poll_fd);

                    cout << "往fds添加 " << connfd << ", fds.size: " << fds.size() << endl;

                }

            }

            else {

                if (ppoll[i].revents & POLLIN) {

                    int len = recv(ppoll[i].fd, buff, sizeof(buff) - , );

                    if (len < ) {

                        cerr << "recv error" << endl;

                    }

                    else if (len == ) {

                        cout << "从fds删除 " << fds[i].fd << endl;

                        // 客户端断开了连接

                        fds[i].events = ;

                        fds[i].fd = -;

                    }

                    else {

                        buff[len] = '\0';

                        cout << fds[i].fd << " recv: " << buff << endl;

                    }

                }

            }

        }

        fds = flipVector(fds);

        if (oldSize != fds.size()) {

            free(ppoll);

            ppoll = getPollfd(fds, &poll_size);

        }

    }

    // 关闭文件描述符

    for (int i = ; i < fds.size(); i++) {

        if (fds[i].fd != -) {

            close(fds[i].fd);

        }

    }

    close(listenfd);

    return ;

}

struct pollfd *getPollfd(vector<pollfd> &fds, int *ppoll_size)

{

    struct pollfd *poll = (struct pollfd *) malloc(fds.size() * sizeof(struct pollfd));

    for (int i = ; i < fds.size(); i++) {

        poll[i].fd = fds[i].fd;

        poll[i].events = fds[i].events;

    }

    *ppoll_size = fds.size();

    return poll;

}

vector<pollfd> flipVector(vector<pollfd> &fds) {

    vector<pollfd> fdsnew;

    for (int i = ; i < fds.size(); i++) {

        if (fds[i].fd != -) {

            fdsnew.push_back(fds[i]);

        }

    }

    return fdsnew;

}

epoll系列函数

epoll是Linux特有的IO复用函数，它在实现和使用上与select和poll有很大差异，首先，epoll使用一组函数来完成操作，而不是单个函数。其次，epoll把用户关心的文件描述符上的事件放在内核上的一个事件表中，从而无须像select和poll那样每次调用都要重复传入文件描述符集合事件表。但epoll需要使用一个额外的文件描述符，来唯一标识内核中这个事件表，这个文件描述符使用如下epoll_create函数创建：

#include <sys/epoll.h>

int epoll_create(int size);

    // 返回：成功返回创建的内核事件表对应的描述符，出错-1

size参数现在并不起作用，只是给内核一个提示，告诉它内核表需要多大，该函数返回的文件描述符将用作其他所有epoll函数的第一个参数，以指定要访问的内核事件表。用epoll_ctl函数操作内核事件表

#include <sys/epoll.h>

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

返回：成功返回0，出错-1

fd参数是要操作的文件描述符，op指定操作类型，操作类型有3种

EPOLL_CTL_ADD：往事件表中注册fd上的事件
EPOLL_CTL_MOD：修改fd上的注册事件
EPOLL_CTL_DEL：删除fd上的注册时间

event指定事件类型，它是epoll_event结构指针类型

struct epoll_event

{

    __uint32_t events;  /* epoll事件 */

    epoll_data_t data;  /* 用户数据 */

};

其中events描述事件类型，epoll支持的事件类型和poll基本相同，表示epoll事件类型的宏是在poll对应的宏加上”E”，比如epoll的数据可读事件是EPOLLIN，但epoll有两个额外的事件类型-EPOLLET和EPOLLONESHOT，它们对于高效运作非常关键，data用于存储用户数据，其类型epoll_data_t定义如下：

typedef union epoll_data

{

    void *ptr;

    int fd;

    uint32_t u32;

    uint64_t u64;

}epoll_data_t;

epoll_data_t是一个联合体，其4个成员最多使用的是fd，它指定事件所从属的目标文件描述符，ptr成员可用来指定fd相关的用户数据，但由于opoll_data_t是一个联合体，我们不能同时使用fd和ptr，如果要将文件描述符嗯哼用户数据关联起来，以实现快速的数据访问，则只能使用其他手段，比如放弃使用fd成员，而在ptr指针指向的用户数据中包含fd。

#include <sys/epoll.h>

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

    // 返回：成功返回就绪的文件描述符个数，出错-1

timeout参数的含义与poll接口的timeout参数相同，maxevents参数指定最多监听多少个事件，它必须大于0。

epoll_wait如果检测到事件，就将所有就绪的事件从内核事件表(由epfd指定)中复制到events指定的数组中，这个数组只用来输epoll_wait检测到的就绪事件，而不像select和poll的参数数组既传递用于用户注册的事件，有用于输出内核检测到就绪事件，这样极大提高了应用程序索引就绪文件描述符的效率。

epoll函数测试用例，监听多个socket连接和终端输入，当在终端中输入quit时退出程序：

#include <iostream>

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <unistd.h>

#include <sys/types.h>

#include <sys/socket.h>

#include <sys/epoll.h>

#include <netinet/in.h>

#include <arpa/inet.h>

#include <fcntl.h>

#include <string.h> 

using namespace std;

void addfd(int epollfd, int fd)

{

    epoll_event event;

    event.data.fd = fd;

    event.events = EPOLLIN;

    epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &event);

}

void delfd(int epollfd, int fd)

{

    epoll_event event;

    event.data.fd = fd;

    event.events = EPOLLIN;

    epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_DEL, fd, &event);

}

int main(int argc, char **argv)

{

    int listenfd, connfd;

    struct sockaddr_in servaddr;

    listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, );

    memset(&servaddr, , sizeof(servaddr));

    servaddr.sin_family = AF_INET;

    servaddr.sin_port = htons();

    servaddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

    bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));

    listen(listenfd, );

    int epollfd = epoll_create();

    if (epollfd < ) {

        cerr << "epoll_create error" << endl;

        exit(-);

    }

    addfd(epollfd, STDIN_FILENO);

    addfd(epollfd, listenfd);

    epoll_event events[];

    char buff[];

    bool running = true;

    while (running) {

        buff[] = '\0';

        int event_num = epoll_wait(epollfd, events, , -);

        if (event_num < ) {

            cerr << "epoll_wait error" << endl;

            break;

        }

        for (int i = ; i < event_num; i++) {

            int fd = events[i].data.fd;

            int event = events[i].events;

            if (fd == STDIN_FILENO) {

                // 从STDIN_FILENO中读取数据

                if (event & EPOLLIN) {

                    cin >> buff;

                    if (strcmp(buff, "quit") == ) {

                        running = false;

                        break;

                    }

                    else {

                        cout << buff << endl;

                    }

                }

            }

            else if (fd == listenfd) {

                if (event & EPOLLIN) {

                    connfd = accept(listenfd, NULL, NULL);

                    if (connfd < ) {

                        running = false;

                        break;

                    }

                    addfd(epollfd, connfd);

                    cout << "往epoll添加 " << connfd << endl;

                }

            }

            else {

                if (event & EPOLLIN) {

                    int len = recv(fd, buff, sizeof(buff) - , );

                    if (len < ) {

                        cerr << "recv error" << endl;

                    }

                    else if (len == ) {

                        cout << "从epoll删除 " << fd << endl;

                        // 客户端断开了连接

                        delfd(epollfd, fd);

                    }

                    else {

                        buff[len] = '\0';

                        cout << fd << " recv: " << buff << endl;

                    }

                }

            }

        }

    }

    // 关闭文件描述符

    close(listenfd);

    return ;

}

参考：

　　1、《UNIX网络编程》IO复用章节

　　2、网络编程API-下 (I/O复用函数)

巴特西

Linux网络编程-IO复用技术

1、select函数

poll函数

epoll系列函数

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