Linux开发(五)：I/O多路复用_开发 多路

一、什么是I/O多路复用

多路是指网络连接，复用指的是同一个线程。

• IO 多路复用是一种同步IO模型，实现一个线程可以监视多个文件句柄；
• 一旦某个文件句柄就绪，就能够通知应用程序进行相应的读写操作；
• 没有文件句柄就绪就会阻塞应用程序，交出CPU。

二、IO多路复用的三种实现

1、select()函数

select 函数监视的文件描述符分3类，分别是writefds、readfds、和exceptfds。调用后select函数会阻塞，直到有描述符就绪（有数据可读、可写、或者有异常），或者超时（timeout指定等待时间，如果想要立即返回，设为NULL即可）。当select函数返回后，可以通过遍历fdset，来找到就绪的描述符。但有以下几点需要注意：

1. 一个描述符阻塞与否不影响select是否阻塞。
2. 如果在一个描述符上遇到了文件末尾，select认为它是可读的。也就是说，到达文件末尾时，select并不会给一个异常提示
3. 如果调用成功，此时select()的所有参数都会被重置为0，所以需要重新赋值

select()有个很好的优点，那就是实现简单，良好的跨平台支持。但缺点也很明显：

• 单个进程所打开的FD是有限制的，默认1024 ，具体可查看 /proc/sys/fs/file-max 中的FD_SETSIZE值

• 对socket进行的是线性扫描，即采用轮询的方法，效率较低。 

• 每次调用 select，都需要把 fd 集合从用户态拷贝到内核态，复制开销大。 

#include <sys/select.h>   
int select(int maxfdp, fd_set *readset, fd_set *writeset, fd_set *exceptset,struct timeval *timeout);

函数参数：

maxfdp：一个整数值，用以指示集合中所有文件描述符的范围，即所有文件描述符的最大值加1

readset：fd_set结构的指针，指示要监视这些文件描述符的是否可读，可以传入NULL值，表示不关心任何文件的读变化。 

writeset：fd_set结构的指针，指示要监视这些文件描述符的是否可写，可以传入NULL值，表示不关心任何文件的写变化。 

exceptset：fd_set结构的指针，指示要监视这些文件描述符的是否有异常，可以传入NULL值，表示不关心任何文件是否有异常。 

timeout：指定select的超时时间，它有三种选择：

• 若将NULL以形参传入，select将一直处于阻塞状态，直到监视文件描述符集合中某个文件描述符发生变化为止
• 若将时间值设为0秒0毫秒，就变成一个纯粹的非阻塞函数，不管文件描述符是否有变化，都立刻返回继续执行，文件无变化返回0，有变化返回一个正值；
• timeout值大于0，这就是等待的超时时间

struct timeval{      
    long tv_sec;   /*秒 */
    long tv_usec;  /*微秒 */   
 
}

返回值：

正常则返回就绪的文件描述符的个数，超时返回0，出错则返回-1

fd_set类型的参数可以通过以下函数进行操作：

// 将指定的文件描述符集清空，在对文件描述符集合进行设置前，必须对其进行初始化，如果不清空，由于在系统分配内存空间后，通常并不作清空处理，所以结果是不可知的。
FD_ZERO(fd_set *fdset);
 
// 用于在文件描述符集合中增加一个新的文件描述符。
FD_SET(fd_set *fdset);
 
// 用于在文件描述符集合中删除一个文件描述符。
FD_CLR(fd_set *fdset);
 
// 用于测试指定的文件描述符是否在该集合中
FD_ISSET(int fd,fd_set *fdset);

2、poll()函数

poll的机制与select类似，与select在本质上没有多大差别，管理多个描述符也是进行轮询，根据描述符的状态进行处理，但是poll没有最大文件描述符数量的限制，因为它是基于链表来存储的。和 select 一样，文件描述符是否阻塞对 poll 是否阻塞没有任何影响。

 poll还有一个特点是“水平触发”，如果报告了fd后，没有被处理，那么下次poll时会再次报告该fd。 

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

函数参数：

fds：存放需要检测其状态的socket描述符，且每次调用该函数后，系统不会清空这个数组，这点和select不同。

struct pollfd {
    int fd;        // 需要监视的文件描述符,用户指定
    short events;  // 需要内核监视的事件，用户指定
    short revents; // 实际发生的事件，内核设置
};

有效的事件有：

•        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。
• 　　POLLMSGSIGPOLL 　　      消息可用。

此外，revents域中还可能返回下列事件，这些事件在events域中无意义，因为它们在合适的时候总是会从revents中返回：

•        POLLER　　   指定的文件描述符发生错误。
• 　　POLLHUP　　 指定的文件描述符挂起事件。
• 　　POLLNVAL　　指定的文件描述符非法。

nfds：标记数组fds中的结构体元素的总数量

timeou：poll函数调用阻塞的时间，单位：毫秒，这里有三种情况：

1. timeout < 0 :这会造成 poll 永远等待。poll() 只有在一个描述符就绪时返回

2. timeout == 0：这种情况下，测试所有的描述符，并且 poll() 立刻返回。这允许在 poll 中没有阻塞的情况下找出多个文件描述符的状态。

3. time > 0：这将以毫秒为单位指定 timeout 的超时周期。poll() 只有在超时到期时返回0，除非一个描述符变为就绪

返回值：

成功时，poll()返回就绪的的文件描述符个数，如果超时，则返回0，失败返回-1

3、epoll()函数 

epoll()是为解决Linux内核处理大量文件描述符而提出的方案,属于select()/poll()的增强版本。其常应用于Linux下高并发服务型程序，特别是在大量并发连接中只有少部分连接处于活跃下的情况 下，能显著的提高程序的CPU利用率。
epoll采用的是事件驱动，在用户空间获取事件时，不需要去遍历被监听描述符集合中所有的文件描述符，而是遍历那些被内核I/O事件异步唤醒之后加入到就绪队列并返回到用户空间的描述符集合。
epoll提供了两种触发模式，水平触发(LT)和边沿触发(ET)。当然，涉及到I/O操作也必然会有阻塞和非阻塞两种方案。