此為牛客Linux C++課程和黑馬Linux系統編程筆記。

0. I/O多路復用

所謂I/O就是對socket提供的內存緩沖區的寫入和讀出。
多路復用就是指程序能同時監聽多個文件描述符。

之前的學習中寫了多進程和多線程版的簡單服務器模型，但是有個問題：每次新來一個客戶端TCP連接請求，就需要新建一個進程或線程來與之進行信息傳輸，但是如果連接的客戶端太多，就會出現所謂C10K問題：

當創建的進程或線程多了，數據拷貝頻繁（緩存I/O、內核將數據拷貝到用戶進程空間、阻塞，進程/線程上下文切換消耗大，導致操作系統崩潰，這就是C10K問題的本質。

所以為每個請求分配一個進程/線程的方式不合適，進程或線程本身會消耗資源，且線程或進程調度也會消耗CPU資源。所以I/O 多路復用技術應運而生，讓一個進程或線程處理多個請求。

Linux 下實現 I/O 多路復用的系統調用主要有 select、poll 和 epoll，本篇介紹select和poll。

1. select

主旨思想：

首先要構造一個關于文件描述符的列表，將要監聽的文件描述符添加到該列表中。

調用一個系統函數，監聽該列表中的文件描述符，直到這些描述符中的一個或者多個進行I/O
操作時，該函數才返回。
a.這個函數是阻塞
b.函數對文件描述符的檢測的操作是由內核完成的

在返回時，它會告訴進程有多少（哪些）描述符要進行I/O操作。

1.1 select API介紹

#include <sys/time.h> #include <sys/types.h> #include <unistd.h> #include <sys/select.h> int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

參數：

• nfds : 委托內核檢測的最大文件描述符的值 + 1
• readfds : 要檢測的文件描述符的讀的集合，即委托內核檢測哪些文件描述符的讀的屬性，對應的是對方發送過來的數據，因為讀是被動的接收數據，檢測的就是讀緩沖區
• writefds : 要檢測的文件描述符的寫的集合，即委托內核檢測哪些文件描述符的寫的屬性，委托內核檢測寫緩沖區是不是還可以寫數據（不滿的就可以寫）
• exceptfds : 檢測發生異常的文件描述符的集合

注意：以上三個是傳入傳出參數，以readfds為例，傳入的時候將需要監聽讀事件的文件描述符對應fd_set位置為1傳入，執行select后，select將把readfds中真正監聽到讀事件的文件描述符的對應位保持為1，而把沒有到讀事件的文件描述符的對應位修改為0，這樣我們再遍歷這個傳出的fd_set，哪個文件描述符對應位為1就說明監聽到了哪個文件描述符的讀事件。

• timeout : 設置的超時時間

struct timeval {long tv_sec; /* seconds */long tv_usec; /* microseconds */ };

NULL : 永久阻塞，直到檢測到了文件描述符有變化
tv_sec = 0 tv_usec = 0， 不阻塞
tv_sec > 0 tv_usec > 0， 阻塞對應的時間

返回值 :

• -1 : 失敗
• >0(n) : 檢測的集合中有n個文件描述符發生了變化

對于第2、3、4個參數涉及到的fd_set，它是一個文件描述符的位圖，默認為1024位，可以理解成一個一維數組，可把數組的下標看作文件描述符的值，數組的值為1表示需要監聽該下標所對應的文件描述符。關于fd_set的設置可使用以下宏：

// 將參數文件描述符fd對應的標志位設置為0 void FD_CLR(int fd, fd_set *set); // 判斷fd對應的標志位是0還是1， 返回值 ： fd對應的標志位的值，0，返回0， 1，返回1 int FD_ISSET(int fd, fd_set *set); // 將參數文件描述符fd 對應的標志位，設置為1 void FD_SET(int fd, fd_set *set); // fd_set一共有1024 bit, 全部初始化為0 void FD_ZERO(fd_set *set);

1.2 select使用過程示例

比如說現在客戶端A，B，C，D已經連接了服務器，其socket文件描述符分別是3、4、100、101。我們想要使用select監聽這四個客戶端的讀事件，該如何做？

如圖，首先建立一個fd_set，調用FD_ZERO初始化其每一位都是0，我們現在需要調用FD_SET把想要監聽的文件描述符的對應位置1：

這樣fd_set就設置好了，我們調用select，第一個參數是想監聽的最大文件描述符+1，所以傳入101+1；第二個參數傳入reads的地址。此后，內核便負責監聽這四個socket文件的讀緩沖區。

假如說，A和B發送了數據，調用select后，3、4對應的位不變，而沒有檢測到讀事件的100和101就被賦為0，然后傳出。我們通過FD_ISSET遍歷reads就可以判斷哪些客戶端發送了數據。

1.3 select示例程序

#include <stdio.h> #include <arpa/inet.h> #include <unistd.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <sys/select.h>int main() {// 創建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;// 綁定bind(lfd, (struct sockaddr *)&saddr, sizeof(saddr));// 監聽listen(lfd, 8);// 創建一個fd_set的集合，存放的是需要檢測的文件描述符fd_set rdset, tmp;FD_ZERO(&rdset);FD_SET(lfd, &rdset);int maxfd = lfd;while(1) {tmp = rdset;// 調用select系統函數，讓內核幫檢測哪些文件描述符有數據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) {// 說明檢測到了有文件描述符的對應的緩沖區的數據發生了改變if(FD_ISSET(lfd, &tmp)) {// 表示有新的客戶端連接進來了struct sockaddr_in cliaddr;int len = sizeof(cliaddr);int cfd = accept(lfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &len);// 將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;}// 我們需要遍歷來確定哪個文件描述符發送來了數據// 這是select的缺點之一for(int i = lfd + 1; i <= maxfd; i++) {if(FD_ISSET(i, &tmp)) {// 說明這個文件描述符對應的客戶端發來了數據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; }

1.4 select的缺點

2. poll

poll是對select的改進。poll和select的使用方法很像，但對select有以下改進：

突破了1024的打開文件上限數，原因是它是基于鏈表來存儲的。

select中fd_set是被內核和用戶共同修改的，而poll分離了監聽事件集合和返回事件集合，可以使編程更簡潔。

2.1 poll API介紹

#include <poll.h> int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);

參數：

• fds : 是一個struct pollfd 結構體數組，這是一個需要檢測的文件描述符的集合

struct pollfd {int fd; /* 委托內核檢測的文件描述符 */short events; /* 委托內核檢測文件描述符的什么事件 */short revents; /* 文件描述符實際發生的事件 */ };

其中events和revents有以下可選項，選擇多個可用|進行連接

以下是創建該結構體的示例：

struct pollfd myfd; myfd.fd = 5; myfd.events = POLLIN | POLLOUT;

• nfds : 這個是第一個參數數組中最后一個有效元素的下標 + 1
• timeout : 阻塞時長
  0 : 不阻塞
  -1 : 阻塞，當檢測到需要檢測的文件描述符有變化，解除阻塞
  >0 : 阻塞的時長

2.2 poll 示例程序

#include <stdio.h> #include <arpa/inet.h> #include <unistd.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <poll.h>int main() {// 創建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;// 綁定bind(lfd, (struct sockaddr *)&saddr, sizeof(saddr));// 監聽listen(lfd, 8);// 初始化檢測的文件描述符數組struct pollfd fds[1024];for(int i = 0; i < 1024; i++) {fds[i].fd = -1;fds[i].events = POLLIN;}fds[0].fd = lfd;int nfds = 0;while(1) {// 調用poll系統函數，讓內核幫檢測哪些文件描述符有數據int ret = poll(fds, nfds + 1, -1);if(ret == -1) {perror("poll");exit(-1);} else if(ret == 0) {continue;} else if(ret > 0) {// 說明檢測到了有文件描述符的對應的緩沖區的數據發生了改變if(fds[0].revents & POLLIN) {// 表示有新的客戶端連接進來了struct sockaddr_in cliaddr;int len = sizeof(cliaddr);int cfd = accept(lfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &len);// 將新的文件描述符加入到集合中for(int i = 1; i < 1024; i++) {if(fds[i].fd == -1) {fds[i].fd = cfd;fds[i].events = POLLIN;break;}}// 更新最大的文件描述符的索引nfds = nfds > cfd ? nfds : cfd;}for(int i = 1; i <= nfds; i++) {if(fds[i].revents & POLLIN) {// 說明這個文件描述符對應的客戶端發來了數據char buf[1024] = {0};int len = read(fds[i].fd, buf, sizeof(buf));if(len == -1) {perror("read");exit(-1);} else if(len == 0) {printf("client closed...\n");close(fds[i].fd);fds[i].fd = -1;} else if(len > 0) {printf("read buf = %s\n", buf);write(fds[i].fd, buf, strlen(buf) + 1);}}}}}close(lfd);return 0; }

總結

以上是生活随笔為你收集整理的【Linux网络编程学习】I/O多路复用——select和poll的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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