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socket编程之 select、poll、kqueue、epoll
原生API
select
int select(int numfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
函数参数
numfds：文件描述符的最大值＋1（为了限制检测文件描述符的范围）
readfds：包含所有因为状态变为可读而触发select函数返回文件描述符
writefds：包含所有因为状态变为可写而触发select函数返回文件描述符
exceptfds：包含所有因为状态发生特殊异常而触发select函数返回文件描述符
timeout：表示阻塞超时时限
返回值
当为-1的时候表示出错
当为0的时候表示超时
当大于0则成功
// 新增fd到set中FD_SET(int fd, fd_set *set); // 从set中移除fdFD_CLR(int fd, fd_set *set);// 判断fd是否在set中FD_ISSET(int fd, fd_set *set);// 将set整个清0FD_ZERO(fd_set *set);
基本思路，把要检测的文件描述符加载到 fd_set 类型的集合中，然后调用 select 函数检测加载到集合中的文件描述符；
select 函数监视的文件描述符分为3类，分别是 writefds, readfds, exceptfds，调用之后select函数就会阻塞，直到有文件描述符就绪（有数据可读，可写或者except），或者超时（timeout指定等待时间，如果立即返回设为null即可），函数返回；当select函数返回之后，可以通过遍历 fdset来找到就绪的描述符。
#include <iostream>#include <sys/select.h>#include <unistd.h>#include <netinet/in.h>#include <unistd.h>#include <assert.h>const int MAXSIZE = 1024;int main() { int sockfd = ::socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP); //sockfd为服务器的套接字
sockaddr_in sin; sin.sin_family = AF_INET; sin.sin_port = htons(4567); //1024 ~ 49151：普通用户注册的端口号
sin.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
sockaddr_in client_addr; // ...bind 和 listen操作
socklen_t clen = sizeof(sockaddr_in); struct timeval tv; int fds[MAXSIZE]; memset(fds,-1,sizeof(fds));
fd_set fdset;
fds[0] = sockfd; while( 1 ) {
FD_ZERO(&fdset); int i = 0; int fdmax = fds[0]; for (; i < MAXSIZE; i++) { if (fds[i] != -1) {
FD_SET(fds[i], &fdset); if (fdmax < fds[i]) {
fdmax = fds[i];
}
}
}
tv.tv_sec = 2;
tv.tv_usec = 0; int res = select(fdmax + 1, &fdset, NULL, NULL, &tv);
assert(res != -1); if (res == 0) { printf("timeout\n");
} else { int i = 0; for (; i < MAXSIZE; i++) { if (fds[i] == -1) { continue;
} if (FD_ISSET(fds[i], &fdset)) { if (fds[i] == sockfd) { int c = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&client_addr, &clen); if (c >= 0) { // 找到一个空的设置成新的套接字
for (int k = 0; k < MAXSIZE; k++) { if (fds[i] == 0) {
fds[i] = c; break;
}
}
}
} else { char buff[256] = {0}; int n = read(fds[i], buff, 255); if (n > 0) { printf("read:%s\n", buff);
write(fds[i], "OK", 2);
} else if (n == 0) { // 删除套接字
fds[i] = 0;
}
}
}
}
}
}
}这个代码中有不完善的地方：使用数组保存套接字，建议以链表的形式保存链表会更好一些；
优点：跨平台
缺点：
单个进程能够监视的文件描述符的数量存在最大限制，在Linux上一般为1024，可以通过修改宏定义甚至重新编译内核的方式提升这个限制，但是这样也会造成效率的降低；
每次都要调用 select ，都需要把
fd集合从用户态拷贝到内核态，在fd很多时开销会很大；每次调用 select 都需要在内核遍历传递进来的所有fd，在fd很多时开销也很大；
注意，每次调用select之前都要对fdset集合进行 FD_ZERO(&fdset) 操作，即清空。
参考文章
linux的I/O复用技术
poll
int poll(struct pollfd *fds, unsigned int nfds, int timesout);
函数参数：
表示一个
pollfd结构的数组。用来保存想要监听的文件描述符及其注册（绑定）的相应事件表示监听事件集合的大小
指定poll的超时值。当timeout为-1时，就会一直阻塞，直到某个事件发生；当timeout为0时，表示立即返回。
返回值：
当为-1的时候表示失败，当为0的时候表示超时，当为大于0的整数的时候表示执行成功，表示文件描述符的个数。
不同与select使用三个位图来表示三个fdset的方式，poll使用一个 pollfd的指针实现。
struct pollfd { int fd; /* file descriptor */
short events; /* requested events to watch */
short revents; /* returned events witnessed */};该结构里包含了要监视等待的event和实际发生的event；
经常检测的事件标记：
POLLIN/POLLRDNORM：可读
POLLOUT/POLLWRNORM：可写
POLLERR：出错
合法的事件标记如下：
POLLIN： 有数据可读
POLLRDNORM： 有普通数据可读
POLLRDBAND： 有优先数据可读
POLLPRI： 有紧迫数据可读
POLLOUT： 写数据不会导致阻塞
POLLWRNORM： 写普通数据不会导致阻塞
POLLWRBAND： 写优先数据不会导致阻塞
POLLMSG SIGPOLL： 消息可用
POLLIN | POLLPRI等价于select()的读事件，POLLOUT |POLLWRBAND等价于select()的写事件。POLLIN等价于POLLRDNORM |POLLRDBAND，而POLLOUT则等价于POLLWRNORM。
从原理上看，select 和 poll 都需要在返回以后，通过遍历文件描述符来获取已经就绪的socket。但是和select不同的是，调用这个函数后，系统不用清空它所检测的socket描述符集合；
因此select函数适合于只检测少量socket描述符的情况，而poll函数适合于大量socket描述符的情况；
#include <unistd.h>#include <sys/poll.h>#include <sys/time.h>#include <sys/socket.h>#include <netinet/in.h>#include <arpa/inet.h>#include <poll.h>#define OPEN_MAX 100int main(int argc, char *argv[]){ //1.创建tcp监听套接字
int sockfd = ::socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); //2.绑定sockfd
struct sockaddr_in my_addr;
bzero(&my_addr, sizeof(my_addr));
my_addr.sin_family = AF_INET;
my_addr.sin_port = htons(8000);
my_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
bind(sockfd, (struct sockaddr *)&my_addr, sizeof(my_addr)); //3.监听listen
listen(sockfd, 10); //4.poll相应参数准备
struct pollfd client[OPEN_MAX]; int i = 0, maxi = 0; for(;i<OPEN_MAX; i++)
client[i].fd = -1;//初始化poll结构中的文件描述符fd
client[0].fd = sockfd;//需要监测的描述符
client[0].events = POLLIN;//普通或优先级带数据可读
//5.对已连接的客户端的数据处理
while(1)
{ int ret = ::poll(client, maxi+1, -1);//对加入poll结构体数组所有元素进行监测
if (ret == -1) { cout << "poll failed" << endl; continue;
} //5.1监测sockfd(监听套接字)是否存在连接
if((client[0].revents & POLLIN) == POLLIN )
{ struct sockaddr_in cli_addr; int clilen = sizeof(cli_addr); int connfd = 0; //5.1.1 从tcp完成连接中提取客户端
connfd = ::accept(sockfd, (struct sockaddr *)&cli_addr, &clilen); //5.1.2 将提取到的connfd放入poll结构体数组中，以便于poll函数监测
for(i=1; i<OPEN_MAX; i++)
{ if(client[i].fd < 0)
{
client[i].fd = connfd;
client[i].events = POLLIN; break;
}
} //5.1.3 maxi更新
if(i > maxi)
maxi = i;
} //5.2继续响应就绪的描述符
for(i=1; i<=maxi; i++)
{ if(client[i].fd < 0) continue; if(client[i].revents & (POLLIN | POLLERR))
{ int len = 0; char buf[128] = ""; //5.2.1接受客户端数据
if((len = recv(client[i].fd, buf, sizeof(buf), 0)) < 0)
{ if(errno == ECONNRESET)//tcp连接超时、RST
{
close(client[i].fd);
client[i].fd = -1;
} else
cout << "read error:" << endl;
} else if(len == 0)//客户端关闭连接
{
close(client[i].fd);
client[i].fd = -1;
} else {//正常接收到服务器的数据
::send(client[i].fd, buf, len, 0);
} //5.2.2所有的就绪描述符处理完了，就退出当前的for循环，继续poll监测
if(--ret <= 0) break;
}
}
}
}kqueue
int kqueue(void);
生成一个内核事件队列，返回该队列的文件描述符，其它API通过这个描述符操作这个 kqueue，结构如下：
struct kevent { uintptr_t ident; //事件ID，一般为文件描述符
short filter; //事件过滤器
u_short flags; //行为标示
u_int fflags; //过滤器标识值
intptr_t data; //过滤器数据
void *udata; //应用透传数据};int kevent(int kq, const struct kevent *changelist, int nchanges, struct kevent *eventlist, int nevents, const struct timespec *timeout);提供向内核注册／反注册事件和返回就绪事件或错误事件；在一个kqueue中，｛ident，filter｝确定一个唯一的事件；
函数参数：
kq：kqueue的文件描述符
changelist：注册／反注册的事件数组
nchanges：changelist的元素个数
eventlist：满足条件的通知事件数组
nevents：eventlist的元素个数
timeout：等待事件到来时的超时时间
返回值为可用事件的个数
kqueue不光能够处理socket的事件，同时还能处理异步io，信号，文件变化等等；
kqueue有两个部分，分别是kqueue和kevent；kqueue主要是用来描述event的队列，而kevent则是监听的事件；
通过kevent提供三个主要的行为功能，分别是
注册／反注册
注意
kevent中的neventlist这个输入参数，当其设为0，且传入合法的changelist和nchanges，就会将changelist中的事件注册到 kqueue 中；允许／禁止过滤器事件
通过
flags EV_ENABLE 和 EV_DISABLE使过滤器事件有效或者无效，这个功能在使用EVFILT_WRITE发送数据时非常有用；等待事件通知
将
nchangelist 和 nchanges设置成null和0，当kevent非错误和超时返回时，在eventlist和nevents中保存可用事件集合。
实现
#include <sys/types.h>#include <sys/socket.h>#include <sys/event.h>#include <sys/time.h>#include <netinet/in.h>#include <arpa/inet.h>#include <errno.h>#define PORT 5001#define MAX_EVENT_COUNT 64int createSocket(){ int sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0); if (sock == -1)
{ printf("socket() failed:%d\n",errno); return -1;
}
struct sockaddr_in addr;
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons(PORT);
addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_LOOPBACK);
int optval = 1;
setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &optval, sizeof(optval));
optval = 1;
setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_NOSIGPIPE, &optval, sizeof(optval));
if (bind(sock, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(struct sockaddr)) == -1)
{ printf("bind() failed:%d\n",errno); return -1;
}
if (listen(sock, 5) == -1)
{ printf("listen() failed:%d\n",errno); return -1;
}
return sock;
}int main(int argc, const char * argv[]){
int listenfd = createSocket(); if (listenfd == -1) return -1;
int kq = kqueue(); if (kq == -1)
{ printf("kqueue failed:%d",errno); return -1;
}
struct kevent event = {listenfd,EVFILT_READ,EV_ADD,0,0,NULL}; int ret = kevent(kq, &event, 1, NULL, 0, NULL); if (ret == -1)
{ printf("kevent failed:%d",errno); return -1;
}
while (true)
{ struct kevent eventlist[MAX_EVENT_COUNT]; struct timespec timeout = {5,0}; int ret = kevent(kq, NULL, 0, eventlist, MAX_EVENT_COUNT, &timeout); if (ret <= 0) continue;
for (int i=0; i<ret; i++)
{ struct kevent event = eventlist[i]; int sock = (int)event.ident; int16_t filter = event.filter; uint32_t flags = event.flags; intptr_t data = event.data;
//有新的客户端链接
if (sock == listenfd)
{ socklen_t client_addrlen = 4; struct sockaddr client_addrlist[client_addrlen]; int clientfd = accept(listenfd, client_addrlist, &client_addrlen); if (clientfd > 0)
{ struct kevent changelist[2];
EV_SET(&changelist[0], clientfd, EVFILT_READ, EV_ADD, 0, 0, NULL);
EV_SET(&changelist[1], clientfd, EVFILT_WRITE, EV_ADD, 0, 0, NULL);
kevent(kq, changelist, 1, NULL, 0, NULL);
} continue;
}
//异常事件
if (flags & EV_ERROR)
{
close(sock); struct kevent event = {sock,EVFILT_READ,EV_DELETE,0,0,NULL};
kevent(kq, &event, 1, NULL, 0, NULL); printf("socket broken,error:%ld\n",data); continue;
}
//数据可读
if (filter == EVFILT_READ)
{ char buffer[data]; memset(buffer, ‘\0‘, data); ssize_t recvlen = recv(sock, buffer, data, 0); if (recvlen <= 0)
{ //链接断开
close(sock); struct kevent event = {sock,EVFILT_READ,EV_DELETE,0,0,NULL};
kevent(kq, &event, 1, NULL, 0, NULL); printf("socket broken!\n"); continue;
}
printf("%s\n",buffer);
}
//数据可写
if (filter == EVFILT_WRITE)
{ char buffer[data]; memset(buffer, ‘a‘, data); ssize_t sendlen = send(sock, buffer, data, 0); if (sendlen <= 0)
{ //链接断开
close(sock); struct kevent event = {sock,EVFILT_READ,EV_DELETE,0,0,NULL};
kevent(kq, &event, 1, NULL, 0, NULL); printf("socket broken!\n"); continue;
}
}
}
}
return 0;
}不同
和前面不同的是，kqueue不会像select或者poll一样每隔一段事件就去轮询所有的socket，当socket数量很多，但是很多socket都不活跃的时候，性能是有影响的，而kqueue只会关注事件发生的socket；
epoll
函数
创建事件表
int epoll_create(int size);
创建一个epoll的句柄，参数 size 并不是限制了epoll所能监听的描述符最大个数，只是对内核初始分配内部数据结构的建议，不同于select中的给出最大监听的fd+1。
操作事件表
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event* event);
函数参数
epfd：事件表的文件描述符
op：何种操作，包括
EPOLL_CTL_ADD，EPOLL_CTL_DEL，EPOLL_CTL_MOD，分别实现对fd的监听事件进行添加、删除、修改fd：需要监听的文件描述符
event：告诉内核需要监听什么事
epoll_event 结构如下：
struct epoll_event { __uint32_t events; /* Epoll events */ epoll_data_t data; /* User data variable */};//events可以是以下几个宏的集合：EPOLLIN ：表示对应的文件描述符可以读（包括对端SOCKET正常关闭）； EPOLLOUT：表示对应的文件描述符可以写； EPOLLPRI：表示对应的文件描述符有紧急的数据可读（这里应该表示有带外数据到来）； EPOLLERR：表示对应的文件描述符发生错误； EPOLLHUP：表示对应的文件描述符被挂断； EPOLLET： 将EPOLL设为边缘触发(Edge Triggered)模式，这是相对于水平触发(Level Triggered)来说的。 EPOLLONESHOT：只监听一次事件，当监听完这次事件之后，如果还需要继续监听这个socket的话，需要再次把这个socket加入到EPOLL队列里
监听相应事件
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout)
函数参数：
epfd：事件表的文件描述符
events：从内核得到事件的集合
maxevents：事件集合的大小（不能大于创建时的
size）timeout：超时时间
工作模式
epoll对文件描述符的操作有两种模式：LT（level trigger）和ET（edge trigger）。LT模式是默认模式，LT模式与ET模式的区别如下：
LT模式：当epoll_wait检测到描述符事件发生并将此事件通知应用程序，应用程序可以不立即处理该事件。下次调用epoll_wait时，会再次响应应用程序并通知此事件。
ET模式：当epoll_wait检测到描述符事件发生并将此事件通知应用程序，应用程序必须立即处理该事件。如果不处理，下次调用epoll_wait时，不会再次响应应用程序并通知此事件。
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。
当使用epoll的ET模型来工作时，当产生了一个EPOLLIN事件后， 读数据的时候需要考虑的是当recv()返回的大小如果等于请求的大小，那么很有可能是缓冲区还有数据未读完，也意味着该次事件还没有处理完，所以还需要再次读取：
void handle_rev() { while(rs){
buflen = ::recv(activeevents[i].data.fd, buf, sizeof(buf), 0); if(buflen < 0){ // 由于是非阻塞的模式,所以当errno为EAGAIN时,表示当前缓冲区已无数据可读
// 在这里就当作是该次事件已处理处.
if(errno == EAGAIN){ //EAGAIN经常出现在当应用程序进行一些非阻塞(non-blocking)操作(对文件或socket)的时候
break;
} else{ return;
}
} else if(buflen == 0){ // 这里表示对端的socket已正常关闭.
} if(buflen == sizeof(buf){
rs = 1; // 需要再次读取
} else{
rs = 0;
}
}
}有时候epoll不一定比select和poll的效率高，比如这样的场景下：当活动连接数比较高的时候此时epoll会经常触发回调函数 ，此时在性能上还是有一定的损失．epoll适用于连接数量多，但是活跃的连接少．
实现
epollserver::epollserver(int af, int type, int protocol) : norserver(af, type, protocol) { this->_epollfd = ::epoll_create(MAX_SIZE); if (this->_epollfd == INVALID_SOCKTE) { cout << "epoll create failed" << endl;
}
}
epollserver::~epollserver() { this->close(this->socket());
}void epollserver::wait_events() { struct epoll_event _events[EPOLL_EVENTS_NUM]; this->add_event(this->socket(), EPOLLIN); while (true) { int ret = ::epoll_wait(this->_epollfd, _events, EPOLLEVENTS, -1); this->handle_events(_events, ret);
}
}void epollserver::handle_events(struct epoll_event* events, int num) { for (int i = 0; i < num; i++) { int socket = events[i].data.fd; // 服务器本身
if (socket == this->socket()) { this->handle_accept();
} else if (events[i].events & EPOLLIN) { this->handle_read(socket);
} else if (events[i].events & EPOLLOUT) { this->handle_write(socket);
}
}
}void epollserver::handle_accept() { this->accept();
}void epollserver::handle_read(int socket) { int nread; char buf[MAX_SIZE];
nread = ::read(socket, buf, MAX_SIZE); if (nread == SOCKET_ERROR) { cout << "read error:" << endl; this->close(socket); //记住close fd
delete_event(socket, EPOLLIN); //删除监听
} else if (nread == 0) { fprintf(stderr,"client close.\n"); this->close(socket); //记住close fd
delete_event(socket, EPOLLIN); //删除监听
} else { cout << "read message is :" << buf; //修改描述符对应的事件，由读改为写
modify_event(socket, EPOLLOUT);
}
}void epollserver::handle_write(int socket) { int nwrite; char buf[MAX_SIZE];
nwrite = ::write(socket, buf, strlen(buf)); if (nwrite == -1){ cout << "write error:" << endl; this->close(socket); //记住close fd
delete_event(socket, EPOLLOUT); //删除监听
}else{
modify_event(socket, EPOLLIN);
} memset(buf,0, MAX_SIZE);
}bool epollserver::add_event(int socket, int state) { struct epoll_event ev;
ev.events = state;
ev.data.fd = socket; if (!epoll_ctl(this->_epollfd, EPOLL_CTL_ADD, socket, fd, &ev)) { cout << "epoll add event failed" << endl; return false;
} return true;
}bool epollserver::delete_event(int socket, int state) { struct epoll_event ev;
ev.events = state;
ev.data.fd = socket; if (!epoll_ctl(this->_epollfd, EPOLL_CTL_DEL, socket, fd, &ev)) { cout << "epoll delete event failed" << endl; return false;
} return true;
}bool epollserver::modify_event(int socket, int state) { struct epoll_event ev;
ev.events = state;
ev.data.fd = socket; if (!epoll_ctl(this->_epollfd, EPOLL_CTL_MOD, socket, fd, &ev)) { cout << "epoll modify event failed" << endl; return false;
} return true;
}socket编程之 select、poll、kqueue、epoll