首页 > 代码库 > Linux网络编程-IO复用技术
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, 0); memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr)); servaddr.sin_family = AF_INET; servaddr.sin_port = htons(8080); servaddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)); listen(listenfd, 5); fd_set read_fd; fd_set write_fd; fd_set except_fd; char buff[1024]; 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] = ‘\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 = 0; 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) + 1, &read_fd, &write_fd, &except_fd, NULL); if (event_num < 0) { cerr << "select error" << endl; break; } for (int i = 0; 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") == 0) { 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 < 0) { 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) - 1, 0); if (len < 0) { cerr << "recv error" << endl; } else if (len == 0) { cout << "从fds删除 " << fds[i] << endl; // 客户端断开了连接 fds[i] = -1; } 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 = 0; i < fds.size(); i++) { close(fds[i]); } close(listenfd); return 0;}int getMaxNumOfVector(vector<int> &fds){ int result = 0; for (int i = 0; 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 = 0; i < fds.size(); i++) { if (fds[i] != -1) { 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, 0); memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr)); servaddr.sin_family = AF_INET; servaddr.sin_port = htons(8080); servaddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)); listen(listenfd, 5); 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[1024]; struct pollfd *ppoll = NULL; int poll_size = 0; ppoll = getPollfd(fds, &poll_size); bool running = true; while (running) { int oldSize = fds.size(); buff[0] = ‘\0‘; int event_num = poll(ppoll, poll_size, -1); if (event_num < 0) { cerr << "select error" << endl; break; } int fds_size = fds.size(); for (int i = 0; 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") == 0) { 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 < 0) { 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) - 1, 0); if (len < 0) { cerr << "recv error" << endl; } else if (len == 0) { cout << "从fds删除 " << fds[i].fd << endl; // 客户端断开了连接 fds[i].events = 0; fds[i].fd = -1; } 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 = 0; i < fds.size(); i++) { if (fds[i].fd != -1) { close(fds[i].fd); } } close(listenfd); return 0;}struct pollfd *getPollfd(vector<pollfd> &fds, int *ppoll_size){ struct pollfd *poll = (struct pollfd *) malloc(fds.size() * sizeof(struct pollfd)); for (int i = 0; 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 = 0; i < fds.size(); i++) { if (fds[i].fd != -1) { 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, 0); memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr)); servaddr.sin_family = AF_INET; servaddr.sin_port = htons(8080); servaddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)); listen(listenfd, 5); int epollfd = epoll_create(32); if (epollfd < 0) { cerr << "epoll_create error" << endl; exit(-1); } addfd(epollfd, STDIN_FILENO); addfd(epollfd, listenfd); epoll_event events[32]; char buff[1024]; bool running = true; while (running) { buff[0] = ‘\0‘; int event_num = epoll_wait(epollfd, events, 32, -1); if (event_num < 0) { cerr << "epoll_wait error" << endl; break; } for (int i = 0; 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") == 0) { running = false; break; } else { cout << buff << endl; } } } else if (fd == listenfd) { if (event & EPOLLIN) { connfd = accept(listenfd, NULL, NULL); if (connfd < 0) { running = false; break; } addfd(epollfd, connfd); cout << "往epoll添加 " << connfd << endl; } } else { if (event & EPOLLIN) { int len = recv(fd, buff, sizeof(buff) - 1, 0); if (len < 0) { cerr << "recv error" << endl; } else if (len == 0) { 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 0;}
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)
Linux网络编程-IO复用技术
声明：以上内容来自用户投稿及互联网公开渠道收集整理发布，本网站不拥有所有权，未作人工编辑处理，也不承担相关法律责任，若内容有误或涉及侵权可进行投诉： 投诉/举报 工作人员会在5个工作日内联系你，一经查实，本站将立刻删除涉嫌侵权内容。