Linux的I/O多路複用機制之--select&poll
1. Linux下的五種I/O模型
數組
1)阻塞I/O（blocking I/O）
2)非阻塞I/O （nonblocking I/O）
3) I/O複用(select 和poll) （I/O multiplexing）
4)信號驅動I/O （signal driven I/O (SIGIO)）
5)異步I/O （asynchronous I/O (the POSIX aio_functions)）瀏覽器
（前四種都是同步，只有最後一種纔是異步IO。）服務器
五種I/O模型的比較：
2.多路複用--select網絡
系統提供select函數來實現多路複用輸入/輸出模型。select系統調用是用來讓咱們的程序監視多個文件句柄的狀態變化的。程序會停在select這裏等待，直到被監視的文件句柄有一個或多個發生了狀態改變。關於文件句柄，其實就是一個整數，咱們最熟悉的句柄是0、一、2三個，0是標準輸入，1是標準輸出，2是標準錯誤輸出。0、一、2是整數表示的，對應的FILE *結構的表示就是stdin、stdout、stderr。數據結構
select函數異步
int select(int maxfd,fd_set *rdset,fd_set *wrset, \ fd_set *exset,struct timeval *timeout);
參數說明：socket
參數maxfd是須要監視的最大的文件描述符值+1；rdset,wrset,exset分別對應於須要檢測的可讀文件描述符的集合，可寫文件描述符的集合及異常文件描述符的集合。struct timeval結構用於描述一段時間長度，若是在這個時間內，須要監視的描述符沒有事件發生則函數返回，返回值爲0。async
下面的宏提供了處理這三種描述詞組的方式:
FD_CLR(inr fd,fd_set* set)；用來清除描述詞組set中相關fd 的位
FD_ISSET(int fd,fd_set *set)；用來測試描述詞組set中相關fd 的位是否爲真
FD_SET（int fd,fd_set*set）；用來設置描述詞組set中相關fd的位
FD_ZERO（fd_set *set）；用來清除描述詞組set的所有位ide
參數timeout爲結構timeval，用來設置select()的等待時間，其結構定義以下：函數
struct timeval
{
time_t tv_sec;//second
time_t tv_usec;//minisecond
};
若是參數timeout設爲：
NULL，則表示select（）沒有timeout，select將一直被阻塞，直到某個文件描述符上發生了事件。
0：僅檢測描述符集合的狀態，而後當即返回，並不等待外部事件的發生。
特定的時間值：若是在指定的時間段裏沒有事件發生，select將超時返回。
函數返回值：
執行成功則返回文件描述詞狀態已改變的個數，若是返回0表明在描述詞狀態改變前已超過timeout時間，沒有返回；當有錯誤發生時則返回-1，錯誤緣由存於errno，此時參數readfds，writefds，exceptfds和timeout的值變成不可預測。
理解select模型：
理解select模型的關鍵在於理解fd_set,爲說明方便，取fd_set長度爲1字節，fd_set中的每一bit能夠對應一個文件描述符fd。則1字節長的fd_set最大能夠對應8個fd。
（1）執行fd_set set; FD_ZERO(&set);則set用位表示是0000,0000。
（2）若fd＝5,執行FD_SET(fd,&set);後set變爲0001,0000(第5位置爲1)
（3）若再加入fd＝2，fd=1,則set變爲0001,0011
（4）執行select(6,&set,0,0,0)阻塞等待
（5）若fd=1,fd=2上都發生可讀事件，則select返回，此時set變爲0000,0011。注意：沒有事件發生的fd=5被清空。
基於上面的討論，能夠輕鬆得出select模型的特色：
可監控的文件描述符個數取決與sizeof(fd_set)的值。
將fd加入select監控集的同時，還要再使用一個數據結構array保存放到select監控集中的fd，一是用於再select 返回後，array做爲源數據和fd_set進行FD_ISSET判斷。二是select返回後會把之前加入的但並沒有事件發生的fd清空，則每次開始 select前都要從新從array取得fd逐一加入（FD_ZERO最早），掃描array的同時取得fd最大值maxfd，用於select的第一個 參數。
可見select模型必須在select前循環array（加fd，取maxfd），select返回後循環array（FD_ISSET判斷是否有時間發生）。
select缺點：
（1）每次調用select，都須要把fd集合從用戶態拷貝到內核態，這個開銷在fd不少時會很大
（2）同時每次調用select都須要在內核遍歷傳遞進來的全部fd，這個開銷在fd不少時也很大
（3）select支持的文件描述符數量過小，默認是1024
3.多路複用--poll
poll與select很是類似，不一樣之處在於，select使用三個位圖來表示三種不一樣的事件，而poll使用一個 pollfd的指針實現。
poll函數
#include <poll.h> int poll (struct pollfd *fds, unsigned int nfds, int timeout);
參數說明:
fds：是一個struct pollfd結構類型的數組，其結構以下：
struct pollfd { int fd; /* file descriptor */
short events; /* requested events to watch */
short revents; /* returned events witnessed */
};
該結構用於存放須要檢測其狀態的Socket描述符；每當調用這個函數以後，系統不會清空這個數組，操做起來比較方便；特別是對於 socket鏈接比較多的狀況下，在必定程度上能夠提升處理的效率；這一點與select()函數不一樣，調用select()函數以後，select() 函數會清空它所檢測的socket描述符集合，致使每次調用select()以前都必須把socket描述符從新加入到待檢測的集合中；因 此，select()函數適合於只檢測一個socket描述符的狀況，而poll()函數適合於大量socket描述符的狀況；
nfds：nfds_t類型的參數，用於標記數組fds中的結構體元素的總數量；
timeout：是poll函數調用阻塞的時間，單位：毫秒；若是timeout>0那麼poll()函數會阻塞timeout所指定的毫秒時間長度以後返回。若是timeout==0，那麼 poll() 函數當即返回而不阻塞，若是timeout==INFTIM，那麼poll() 函數會一直阻塞下去，直到所檢測的socket描述符上的感興趣的事件發 生是才返回，若是感興趣的事件永遠不發生，那麼poll()就會永遠阻塞下去；
返回值:
>0：數組fds中準備好讀、寫或出錯狀態的那些socket描述符的總數量；
==0：數組fds中沒有任何socket描述符準備好讀、寫，或出錯；此時poll超時，超時時間是timeout毫秒；換句話說，若是所檢測的 socket描述符上沒有任何事件發生的話，
-1： poll函數調用失敗，同時會自動設置全局變量errno；
poll() 函數的功能和返回值的含義與 select() 函數的功能和返回值的含義是徹底同樣的，二者之間的差異就是內部實現方式不同。
4.select實例之網絡服務器（poll實現相似）
服務器端
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/select.h>
#include <string.h>
#define _MAX_LISTEN_ 5
#define _MAX_SIZE_ 10
#define _BUF_SIZE_ 1024
int fd_arr[_MAX_SIZE_];
int max_fd = -1;
static void init_fd_arr()
{
int i = 0;
for(; i < _MAX_SIZE_; ++i)
{
fd_arr[i] = -1;
}
}
static int add_fd_arr(int fd)
{
int i = 0;
for(; i < _MAX_SIZE_; ++i)
{
if(fd_arr[i] == -1)
{
fd_arr[i] = fd;
return 0;
}
}
return 1;
}
static void remove_fd_arr(int fd)
{
int i = 0;
for(; i < _MAX_SIZE_; ++i)
{
if(fd_arr[i] == fd)
{
fd_arr[i] = -1;
break;
}
}
}
static void reload_fd_arr(fd_set* pset)
{
int i = 0;
max_fd = -1;
for(; i < _MAX_SIZE_; ++i)
{
if(fd_arr[i] != -1)
{
FD_SET(fd_arr[i], pset);
if(fd_arr[i] > max_fd)
max_fd = fd_arr[i];
}
}
}
static printf_msg(int i, const char* msg)
{
printf("client %d # %s\n", fd_arr[i], msg);
}
void Usage(const char* proc)
{
printf("%s usage: [ip] [port]\n", proc);
}
int startup(const char* _ip, const char* _port)
{
int sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if(sock < 0)
{
perror("socket");
exit(1);
}
int opt = 1;
if (setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt)) < 0)
{
perror("setsockopt");
exit(2);
}
struct sockaddr_in local;
local.sin_family = AF_INET;
local.sin_port = htons(atoi(_port));
local.sin_addr.s_addr = inet_addr(_ip);
if(bind(sock, (struct sockaddr*)&local, sizeof(local)) < 0)
{
perror("bind");
exit(3);
}
if(listen(sock, _MAX_LISTEN_) < 0)
{
perror("listen");
exit(4);
}
return sock;
}
int main(int argc, char* argv[])
{
if(argc != 3)
{
Usage(argv[0]);
return 1;
}
int listen_sock = startup(argv[1], argv[2]);
init_fd_arr();
add_fd_arr(listen_sock);
fd_set rfds;
FD_ZERO(&rfds);
struct timeval tv = {5, 0};
while(1)
{
reload_fd_arr(&rfds);
int fds = select(max_fd+1, &rfds, NULL, NULL, NULL);
switch(fds)
{
case -1:
perror("select");
exit(5);
break;
case 0:
printf("time out\n");
break;
default:
{
int index = 0;
for(; index < _MAX_SIZE_; ++index)
{
if(fd_arr[index] == listen_sock && FD_ISSET(fd_arr[index], &rfds)) //new accept
{
struct sockaddr_in peer;
socklen_t len = sizeof(peer);
int new_fd = accept(listen_sock, (struct sockaddr* )&peer, &len);
if(new_fd < 0)
{
perror("accept");
exit(6);
}
printf("get a new client %d -> ip: %s port: %d\n", new_fd, inet_ntoa(peer.sin_addr), ntohs(peer.sin_port));
if(1 == add_fd_arr(new_fd))
{
perror("fd_arr is full\n");
close(new_fd);
exit(7);
}
continue;
}
if(fd_arr[index] != -1 && FD_ISSET(fd_arr[index], &rfds)) //new read fd
{
char buf[_BUF_SIZE_];
memset(buf, '\0', sizeof(buf));
ssize_t _s = read(fd_arr[index], buf, sizeof(buf)-1);
if(_s > 0)
{
buf[_s] = '\0';
printf_msg(index, buf);
}
else if(_s == 0) //client closed
{
printf("client %d is closed...\n", fd_arr[index]);
FD_CLR(fd_arr[index], &rfds);
close(fd_arr[index]); // must before remove!!!
remove_fd_arr(fd_arr[index]);
}
else
{}
}
}
}
break;
}
}
return 0;
}
客戶端
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
void Usage(const char* proc)
{
printf("usage: %s [ip] [port]\n", proc);
}
int main(int argc, char* argv[])
{
if(argc != 3)
{
Usage(argv[0]);
exit(1);
}
int conn_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
struct sockaddr_in conn;
conn.sin_family = AF_INET;
conn.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
conn.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
if(connect(conn_sock, (const struct sockaddr*)&conn, sizeof(conn)) < 0)
{
perror("connect");
exit(2);
}
char buf[1024];
memset(buf, '\0', sizeof(buf));
while(1)
{
printf("please enter # ");
fflush(stdout);
ssize_t _s = read(0, buf, sizeof(buf)-1);
if(_s > 0)
{
buf[_s-1] = '\0';
write(conn_sock, buf, strlen(buf));
}
}
return 0;
}
程序演示
使用Telnet測試
使用客戶端測試
使用瀏覽器測試
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