Linux网络编程—— IO多路复用

1. I/O 多路复用（I/O多路转接）

   I/O 多路复用 使得程序能 同时监听 多个文件描述符，能够提高程序的性能，Linux 下实现 I/O 多路复用 的 系统调用主要有 select、poll 和 epoll。

传统 I/O 输入/输出 是相对于 内存 而言的：

• 输入：文件 --> 内存
• 输出：内存 --> 文件
   

socket通信 中，每个 socket 的 文件描述符fd 对应于内核中的一块缓冲区（读缓冲区+写缓冲区）。这里的I/O则是对 缓冲区 的操作。

1.1 常见的几种I/O模型

（1）阻塞等待

• BIO 模型 (Block IO)
  

（2）非阻塞，忙轮询

• NIO 模型 (No-Block IO)
  

（3）IO多路转接技术

• 第一种：select / poll
  
• 第二种：epoll
  

2. select

主旨思想：

1. 首先要构造一个关于 文件描述符的 列表，将要 监听的 文件描述符 添加 到该列表中。
2. 调用一个 系统函数，监听 该列表中的文件描述符，直到这些描述符中的一个或者多个进行 I/O操作 时，该函数才返回。
   a. 这个函数是 阻塞
   b. 函数对文件描述符的检测的操作是 由 内核 完成的
3. 在返回时，它会告诉进程有 多少（哪些）描述符 要进行 I/O操作。

// sizeof(fd_set) = 128(字节) 	(1024位 标志位)
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/select.h>// 只需一次调用
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);- 参数：- nfds : 委托内核检测的最大文件描述符的值 + 1- readfds : 要检测的文件描述符的读的集合，委托内核检测哪些文件描述符的读的属性- 一般检测读操作- 对应的是对方发送过来的数据，因为读是被动的接收数据，检测的就是读缓冲区- 是一个传入传出参数- writefds : 要检测的文件描述符的写的集合，委托内核检测哪些文件描述符的写的属性- 委托内核检测写缓冲区是不是还可以写数据（不满的就可以写）- exceptfds : 检测发生异常的文件描述符的集合（一般不会用到）- timeout : 设置的超时时间struct timeval {long tv_sec; /* seconds */long tv_usec; /* microseconds */};- NULL : 永久阻塞，直到检测到了文件描述符有变化- tv_sec = 0 tv_usec = 0， 不阻塞- tv_sec > 0 tv_usec > 0， 阻塞对应的时间- 返回值 :- -1 : 失败- >0 (n) : 检测的集合中有n个文件描述符发生了变化// 将参数文件描述符fd 对应的标志位 设置为0
void FD_CLR(int fd, fd_set *set);// 判断fd对应的标志位是0还是1， 返回值 ： fd对应的标志位的值，0，返回0， 1，返回1
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set);// 将参数文件描述符fd 对应的标志位，设置为1
void FD_SET(int fd, fd_set *set);// fd_set一共有1024 bit, 全部初始化为0
void FD_ZERO(fd_set *set);

select() 工作过程分析

• 编写服务端程序 select.c

#include <stdio.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/select.h>int main() {// 1. 创建socketint lfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);struct sockaddr_in saddr;saddr.sin_port = htons(9999);saddr.sin_family = AF_INET;saddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;// 2. 绑定bind(lfd, (struct sockaddr *)&saddr, sizeof(saddr));// 3. 监听listen(lfd, 8);// 创建一个fd_set的集合，存放的是需要检测的文件描述符fd_set rdset, tmp;FD_ZERO(&rdset);FD_SET(lfd, &rdset);int maxfd = lfd;while(1) {tmp = rdset;// 调用select系统函数，让内核帮检测哪些文件描述符有数据int ret = select(maxfd + 1, &tmp, NULL, NULL, NULL);if(ret == -1) {perror("select");exit(-1);} else if(ret == 0) {continue;} else if(ret > 0) {// 说明检测到了有文件描述符的对应的缓冲区的数据发生了改变if(FD_ISSET(lfd, &tmp)) {// 表示有新的客户端连接进来了struct sockaddr_in cliaddr;int len = sizeof(cliaddr);int cfd = accept(lfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &len);// 将新的文件描述符加入到集合中FD_SET(cfd, &rdset);// 更新最大的文件描述符maxfd = maxfd > cfd ? maxfd : cfd;}for(int i = lfd + 1; i <= maxfd; i++) {if(FD_ISSET(i, &tmp)) {// 说明这个文件描述符对应的客户端发来了数据char buf[1024] = {0};int len = read(i, buf, sizeof(buf));if(len == -1) {perror("read");exit(-1);} else if(len == 0) {printf("client closed...\n");close(i);FD_CLR(i, &rdset);} else if(len > 0) {printf("read buf = %s\n", buf);write(i, buf, strlen(buf) + 1);}}}}}close(lfd);return 0;
}

• 客户端 client.c

#include <stdio.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>int main() {// 创建socketint fd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);if(fd == -1) {perror("socket");return -1;}struct sockaddr_in seraddr;inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &seraddr.sin_addr.s_addr);seraddr.sin_family = AF_INET;seraddr.sin_port = htons(9999);// 连接服务器int ret = connect(fd, (struct sockaddr *)&seraddr, sizeof(seraddr));if(ret == -1){perror("connect");return -1;}int num = 0;while(1) {char sendBuf[1024] = {0};sprintf(sendBuf, "send data %d", num++); // 格式化write(fd, sendBuf, strlen(sendBuf) + 1);// 接收int len = read(fd, sendBuf, sizeof(sendBuf));if(len == -1) {perror("read");return -1;}else if(len > 0) {printf("read buf = %s\n", sendBuf);} else {printf("服务器已经断开连接...\n");break;}sleep(1);// usleep(1000);}close(fd);return 0;
}

• 运行结果：
  • 不使用多进程或多线程，实现了多客户端的连接。

select() 多路复用

select() 的缺点

3. poll

#include <poll.h>struct pollfd {int fd; /* 委托内核检测的文件描述符 */short events; /* 委托内核检测文件描述符的什么事件 */short revents; /* 文件描述符实际发生的事件 */
};struct pollfd myfd;
myfd.fd = 5;
myfd.events = POLLIN | POLLOUT;int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);- 参数：- fds : 是一个struct pollfd 结构体数组，这是一个需要检测的文件描述符的集合- nfds : 这个是第一个参数数组中最后一个有效元素的下标 + 1- timeout : 阻塞时长0 : 不阻塞-1 : 阻塞，当检测到需要检测的文件描述符有变化，解除阻塞>0 : 阻塞的时长- 返回值：-1 : 失败>0（n） : 成功,n表示检测到集合中有n个文件描述符发生变化

4. epoll ⭐️

面试90%会问！

#include <sys/epoll.h>// 创建一个新的epoll实例。在内核中创建了一个数据，这个数据中有两个比较重要的数据，一个是需要检
// 测的文件描述符的信息（红黑树），还有一个是就绪列表，存放检测到数据发送改变的文件描述符信息（双向链表）。
int epoll_create(int size);- 参数：size : 目前没有意义了。随便写一个数，必须大于0- 返回值：-1 : 失败> 0 : 文件描述符，操作epoll实例的typedef union epoll_data {void 		*ptr;int 		fd;uint32_t 	u32;uint64_t 	u64;
} epoll_data_t;struct epoll_event {uint32_t events; 		/* Epoll events */epoll_data_t data; 		/* User data variable */
};常见的Epoll检测事件：- EPOLLIN- EPOLLOUT- EPOLLERR// 对epoll实例进行管理：添加文件描述符信息，删除信息，修改信息
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);- 参数：- epfd : epoll实例对应的文件描述符- op : 要进行什么操作EPOLL_CTL_ADD: 添加EPOLL_CTL_MOD: 修改EPOLL_CTL_DEL: 删除- fd : 要检测的文件描述符- event : 检测文件描述符什么事情// 检测函数
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int
timeout);- 参数：- epfd : epoll实例对应的文件描述符- events : 传出参数，保存了发送了变化的文件描述符的信息- maxevents : 第二个参数结构体数组的大小- timeout : 阻塞时间- 0 : 不阻塞- -1 : 阻塞，直到检测到fd数据发生变化，解除阻塞- > 0 : 阻塞的时长（毫秒）- 返回值：- 成功，返回发送变化的文件描述符的个数 > 0- 失败 -1

epoll() 多路复用

Epoll 的工作模式：

• LT 模式 （水平触发）
  假设委托 内核 检测读事件 -> 检测 fd 的读缓冲区
  • 读缓冲区有数据 - > epoll 检测到了会给用户通知
    a. 用户不读数据，数据一直在缓冲区，epoll 会 一直通知
    b. 用户只读了一部分数据，epoll 会通知
    c. 缓冲区的数据读完了，不通知

    LT（level - triggered）是 缺省的工作方式，并且同时支持 block 和 no-block socket。在这种做法中，内核 告诉你一个文件描述符 是否就绪 了，然后你可以对这个 就绪的 fd 进行 IO 操作。如果你不作任何操作，内核还是会继续通知你的。

• ET 模式（边沿触发）
  假设委托 内核 检测读事件 -> 检测 fd 的读缓冲区
  • 读缓冲区有数据 - > epoll 检测到了会给用户通知
    a. 用户不读数据，数据一致在缓冲区中，epoll 下次检测的时候就不通知了
    b. 用户只读了一部分数据，epoll 不通知
    c. 缓冲区的数据读完了，不通知

    ET（edge - triggered）是 高速工作方式，只支持 no-block socket。在这种模式下，当描述符从 未就绪 变为 就绪 时，内核通过 epoll 告诉你。

• 然后它会假设你知道文件描述符已经就绪，并且不会再为那个文件描述符发送更多的就绪通知，直到你 做了某些操作 导致 那个文件描述符 不再为就绪状态 了。
• 但是请注意，如果一直不对这个 fd 作 IO 操作（从而导致它再次变成未就绪），内核不会发送更多的通知（only once）。
   

     ET 模式在很大程度上减少了 epoll 事件被重复触发的次数，因此 效率要比 LT 模式高。epoll 工作在 ET 模式的时候，必须使用非阻塞套接口，以 避免 由于一个文件句柄的 阻塞读 / 阻塞写 操作把处理多个文件描述符的任务 饿死。

struct epoll_event {uint32_t 	events; 		/* Epoll events */epoll_data_t data; 			/* User data variable */
};常见的Epoll检测事件：- EPOLLIN- EPOLLOUT- EPOLLERR- EPOLLET

注：仅供学习参考，如有不足，欢迎指正！