Linux多路转接select,poll

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一、五种IO模型

1.阻塞IO:

2.非阻塞IO

3.信号驱动IO

4.IO多路转接

5.异步IO

二、高级IO的一些重要概念

1.同步通信和异步通信

2.阻塞和非阻塞

三、其他高级IO

四、非阻塞IO

1.fctl函数

2.实现setNoBlock函数，将文件描述符设置为非阻塞

3.轮询方式读取标准输入

五、IO多路转接之select

1.初始select

2.select函数原型

3.理解select执行过程

4.select的特点

5.select的缺点

6.select使用示例：检测标准输入输出

7.select使用实例

六、IO多路转接之poll

1.poll函数接口

2.参数说明

3.返回结果

4.poll的优点

5.poll的缺点

6.poll使用实例：使用poll监控标准输入

总结

一、五种IO模型

1.阻塞IO:

在内核将数据准备好之前，系统调用会一直等待。所有的套接字，默认都是阻塞方式。阻塞是最常见的IO模型。

2.非阻塞IO

如果内核还未将数据准备好，系统调用仍然会直接返回，并返回EWOULDBLOCK错误码。非阻塞IO往往需要程序员循环的方式反复尝试读写文件描述符，这个过程称为轮询。这对cpu来说是较大的浪费，一般只有特定的场景下才使用。

3.信号驱动IO

内核将数据准备好的时候，使用SIGIO信号通知应用程序进行IO操作

4.IO多路转接

虽然从图上看和阻塞IO类似，实际上最核心在于IO多路转接能够同时等待多个文件描述符的就绪状态。

5.异步IO

由内核在数据拷贝完成时，通知应用程序（而信号驱动是告诉应用程序何时可以开始拷贝数据）

在任何IO过程中，都包含两个步骤，第一是等待，第二是拷贝。而且在实际的应用场景中，等待消耗的时间往往都高于拷贝的时间，让IO高效，最核心的办法就是让等待的时间尽量减少。

二、高级IO的一些重要概念

1.同步通信和异步通信

同步和异步关注的是消息通信机制

  • 同步，就是在发出一个调用的时候，在没有得到结果之前，该调用就不返回。但是一旦调用返回，就得到了返回值。换句话说，就是由调用者主动等待这个调用的结果。
  • 异步则相反，调用在发出后，这个调用结果就直接返回，所以没有返回结果。换句话说，当一个异步调用发出后，调用者不会立刻得到返回结果；而是在调用发出后，被调用者通过状态、通知来通知调用者，或者通过回调函数处理这个调用。

在多进程多线程的时候，也有提到同步和互斥。这里的是完全不同的概念。

进程/线程同步也是进程/线程之间直接的制约关系，是为完成某种任务而建立的两个或多个线程，这个线程需要在某些位置上协调他们的工作次序而等待、传递信息所产生的制约关系，尤其是在访问临界资源的时候。

2.阻塞和非阻塞

阻塞和非阻塞关注的是等待调用结果（消息，返回值）时的状态

  • 阻塞调用的指调用结果返回之前，当前线程会被挂起，调用线程只有在得到结果之后才会返回。
  • 非阻塞调用是指在不能立刻得到结果之前，该调用者不会阻塞当前线程。

三、其他高级IO

非阻塞io,纪录锁，系统V流机制，io多路转接（io多路复用），readv和writev函数以及存储映射IO（MMAP)，这些统称为高级IO

本文重点讨论IO多路转接

四、非阻塞IO

1.fctl函数

fcntl 一个文件描述符，默认都是阻塞IO

#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>int fcntl(int fd,int cmd, .../*args */);

传入的cmd不同，后面追加的参数也不同

fcntl函数有5种功能：

  • 复制一个现有的描述符(cmd = F_DUPFD)
  • 获得/设置文件描述符标记（cmd = F_GETFD或F_SETFD)
  • 获得/设置文件状态标记（cmd = F_GETFL或F_SETFL)
  • 获得/设置异步io所有权（cmd = F_GETOWN或F_SETOWN)
  • 获得/设置记录锁（cmd = F_GETLK,F_SETLK或F_SETLKW)

此处使用第三个功能，获取/设置文件状态标记，就可以将一个文件描述符设置为非阻塞

2.实现setNoBlock函数，将文件描述符设置为非阻塞

基于fcntl实现一个SetNoBlock函数

void SetNoBlock(int fd)
{int fl = fcntl(fd,F_GETFL);if(fl <0){perror("fcntl");return;}fcntl(fd,F_SETFL,fl|O_NONBLOCK);
}

使用F_GETFL将当前的文件描述符的属性取出来(这是一个位图).

然后再使用F_SETFL将文件描述符设置回去. 设置回去的同时, 加上一个O_NONBLOCK参数.

3.轮询方式读取标准输入

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>void SetNoBlock(int fd)
{int fl = fcntl(fd,F_GETFL);if(fl <0){perror("fcntl");return;}fcntl(fd,F_SETFL,fl|O_NONBLOCK);
}int main()
{SetNoBlock(0);while(1){char buf[1024] = {0};ssize_t read_size = read(0,buf,sizeof(buf)-1);if(read_size <0){sleep(1);continue;}printf("input:%s\n",buf);return 0;
}

五、IO多路转接之select

1.初始select

系统提供select函数来实现多路复用输入/输出模型

  • select系统调用是用来让我们的程序监视多个fd的状态变化的
  • 程序会停在select这里等待，直到被监视的fd有一个或者多个发生了状态改变

2.select函数原型

#include<sys/select.h>int select(int nfds,fd_set * readfds,fd_set * writefds,fd_set * exceptfds,struct timeval * timeout);//nfd 是需要监视的最大文件描述符值+1
//rdset,wrset,exset分别对应需要检测的可读文件描述符的集合，可写文件描述符的集合，以及异常文件描述符的集合
//timeout为结构timeval,用来设置select的等待时间

参数timeout取值：

  • NULL:则表示select()没有timeout,select将一直被阻塞，直到某个文件描述符上发生了事件
  • 0：仅检测描述符集合的状态，然后立即返回，并不等待外部事件的发生
  • 特定的结构值：如果在指定的时间段内没有事件发生，select将超时返回。

fd_set结构

这个结构就是一个整数数组，更严格的说，是一个位图，使用位图中对应的位来表示要监视的文件描述符，有一组fd_set接口，来比较方便操作位图

void FD_CLR(int fd, fd_set *set); // 用来清除描述词组set中相关fd 的位
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set); // 用来测试描述词组set中相关fd 的位是否为真
void FD_SET(int fd, fd_set *set); // 用来设置描述词组set中相关fd的位
void FD_ZERO(fd_set *set); // 用来清除描述词组set的全部位

关于timeval结构

timeval结构用于描述一段时间长度，如果在这个时间内，需要监视的描述符没有事件发生则函数返回，返回值为0

strcut timeval
{__time_t tv_sec;   //seconds__suseconds_t tv_usec;   //microseconds
};

函数返回值：

  • 执行成功则返回文件描述词状态已改变的个数
  • 如果返回0代表在描述词状态改变前已经超过timeout时间，没有返回
  • 当有错误发生时则返回-1，错误原因存于errno,此时参数readfds,writefds,exceptfds和timeout的值变成不可预测

错误值可能为：

  • EBADF 文件描述词为无效的或者该文件已关闭
  • EINTR 此调用被信号中断
  • EINVAL 参数n为负值
  • ENOMEN 核心内存不足

常见使用场景：

fs_set readset;
FD_SET(fd,&readset);
select(fd+1,&readset,NULL,NULL,NULL);
if(FD_ISSET(fd,readset)){...}

3.理解select执行过程

理解select模型的关键在于理解ds_set，这里取fd_set长度为1字节，fd_set中的每一个bit可以对应一个文件描述符fd,则1字节长的fd_set最大可以对应8个fd

  1. 执行fd_set set; FD_ZERO(&set); 则set用位表示是0000 0000
  2. 若fd = 5 执行FD_SET(fd,&set);后变为0001 0000
  3. 若再加入fd = 2,fd = 1,则set变成 0001 0011
  4. 执行select(6,&set,0,0,0); 阻塞等待
  5. 若fd = 1,fd = 2 上都发生可读事件，则select返回，此时set变为0000 0011
  6. 注意，没有事件发生的fd = 5被清空

4.select的特点

  • 可监控的文件描述符个数取决与sizeof(fd_set)的值，比如sizeof(fd_set)=512,每bit表示一个文件描述符，则服务器上支持的最大文件描述符是512*8 = 4096
  • 将fd加入select监控集的同时，还要再使用一个数据结构array进行FD_ISSET判断
  • select返回后会把以前加入但是没有发生事件的fd清空，则每次开始select前都要重新从array取得fd逐一加入，扫描array的同时取得fd的最大maxfd,用于select的第一个参数

5.select的缺点

  • 每次调用select，都需要手动设置fd集合，从接口使用角度也非常不便
  • 每次调用select,都需要把fd从用户态拷贝到内核态，这个开销在fd很多时会很大
  • 同时每次调用select都需要在内核遍历传入的所有fd，fd很多的时候开销很大
  • select支持的文件描述符数量太少

6.select使用示例：检测标准输入输出

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/select.h>int main()
{fd_set read_fds;FD_ZERO(&read_fds);FD_SET(0，&read_fds);for(;;){printf("> ");fflush(stdout);int ret = select(1,&read_fds,NULL,NULL,NULL);if(ret <0){perror("select");continue;}if(FD_ISSET(0,&read_fds)){char buf[1024] = {0};read(0,buf,sizeof(buf)-1);printf("input:%s",buf);}else{printf("invalid fd");continue;}FD_ZERO(&read_fds);FD_SET(0,&read_fds);}return 0;
}

7.select使用实例

参照gitee，实现select字典服务器

六、IO多路转接之poll

1.poll函数接口

#include<poll.h>int poll(struct pollfd * fds,nfds_t nfds, int timeout);//pollfd结构
struct pollfd{int fd;short events;  //requested eventsshort revents; // returned events
};

2.参数说明

  • fds是一个poll函数监听的结构列表，每一个元素中包含3部分内容：fd,监听的事件集合，返回的事件集合
  • nfds表示fds数组的长度
  • timeout表示poll函数的超时时间，单位是ms

3.返回结果

返回值小于0，表示出错

返回值等于0，表示poll函数等待超时

返回值大于0，表示poll由于监听的fd就绪而返回

4.poll的优点

不同与select使用三个位图来表示fdset的方式，poll使用一个pollfd指针实现

  • pollfd结构包含了要监视的event和发生的event，不再使用select“参数-值”传递的方式，接口使用比select更方便
  • poll没有max数量限制（但是数量过大后性能也是会下降）

5.poll的缺点

poll中监听的文件fd增多时

  • 和select函数一样，poll返回后，需要轮询pollfd来获取就绪的fd
  • 每次调用poll都需要把大量的pollfd结构从用户态拷贝到内核中
  • 同时连接的大量客户端在一时刻可能只有很少的处于就绪状态，因此随着监视的fd数量增加，效率也会线性下降

6.poll使用实例：使用poll监控标准输入

#include <poll.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
int main() {struct pollfd poll_fd;poll_fd.fd = 0;poll_fd.events = POLLIN;for (;;) {int ret = poll(&poll_fd, 1, 1000);if (ret < 0) {perror("poll");continue;}if (ret == 0) {printf("poll timeout\n");continue;}if (poll_fd.revents == POLLIN) {char buf[1024] = {0};read(0, buf, sizeof(buf) - 1);printf("stdin:%s", buf);}}
}

总结

本文主要介绍了select和poll，下一篇文章详解epoll

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