I/O多路复用

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所属分类:linux技术
摘要

Linux下实现I/O复用的系统调用方式主要:select、poll、epoll。select系统调用可在一段指定时间内,监听文件描述符上的可读、可写和异常等事件,判断发生的事件需要轮询。


I/O多路复用

Linux下实现I/O复用的系统调用方式主要:select、poll、epoll。

select

select系统调用可在一段指定时间内,监听文件描述符上的可读、可写和异常等事件,判断发生的事件需要轮询。

注:网络程序中,select能处理的异常情况只有一种:socket上接收到带外数据。

#include <sys/select.h>  //select监听文件描述符事件 //nfds:		被监听文件描述符中最大值+1	 //readfds:	可读事件对应的文件描述符集,对应位置1;会被内核修改,返回时无事件的置0。 //writefds:	可写事件对应的文件描述符集,对应位置1;会被内核修改,返回时无事件的置0。 //exceptfds:异常事件对应的文件描述符集,对应位置1;会被内核修改,返回时无事件的置0。 //timeout //return:	返回就绪文件描述符中最大值+1 int select(int nfds, fd_set* readfds, fd_set* writefds, fd_set* exceptfds, struct timeval* timeout);  //fd_set比特向量操作 FD_ZERO(fd_set *fdset);				//清楚fdset中所有比特位 FD_SET(int fd, fd_set *fdset);		//设置fdset中比特位fd FD_CLR(int fd, fd_set *fdset);		//清除fdset中比特位fd FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset);	//测试fdset中比特位fd是否被设置,用于判断是否有事件发生 

文件描述符就绪条件

  • socket可读
    • 可读:socket内核接收缓存区字节数大于或等于低水位标记SO_RCVLOWAT。读操作返回读取字节数。
    • 读关闭:socket通信的对方关闭连接。读操作返回0。
    • 错误:socket上有未处理的错误。可以使用getsockopt读取和清楚错误。
    • 连接请求:监听socket上有新的连接请求。
  • socket可写
    • 可写:socket内核发送缓存区中的可用字节数大于或等于低水位标记SO_SNDLOWAT。写操作返回实际写字节数。
    • 写关闭:写操作被关闭,对写关闭的socket执行写操作将触发一个SIGPIPE信号。
    • 错误:socket上有未处理的错误。可以使用getsockopt读取和清楚错误。
    • 连接结果:socket使用非阻塞的connect连接成功或者失败(超时)之后。

poll

poll系统调用与select类似,需要轮询判断监听文件描述符集上的事件,但没有监听文件描述符数量限制。

#include <poll.h>  //poll监听文件描述符上指定的事件 //fds:		pollfd结构类型的数组 //nfds:		pollfd数组长度 //return:	返回就绪文件描述符中最大值+1 int poll(struct pollfd* fds, nfds_t nfds, int timeout);   //pollfd结构体,描述文件描述符上的可读、可写、异常等事件 struct pollfd{     int fd;			//文件描述符     short events;	//注册的事件,一系列事件的按位或     short revents;	//实际发生的事件,由内核填充,一些列事件的按位或 } 

epoll

epoll相比select更加高效,主要体现在:

  • epoll使用内核事件表维护监听的文件描述符集,避免频繁的用户空间与内核空间频繁的拷贝开销。
  • epoll直接返回发生事件的文件描述符即,避免了用户程序轮询的开销。
  • epoll内部通过注册回调函数的方式,监听特定文件描述符上的时间,避免了内核轮询开销。
  • epoll提供了高效的边沿触发模式,边沿触发带来编程上的复杂性。

LT与ET模式

使用epoll监听文件描述符时,有两种事件触发模式:

  • 水平触发(LT):epoll默认使用水平触发。
  • 边沿触发(ET):往epoll内核事件表这种注册一个文件描述符上的EPOLLET时,将进行边沿触发。相比较水平触发,边沿触发更加高效。

内核事件表

epoll在内核中使用事件表(红黑树)维护监听的文件描述符,并支持对事件表的增删改。

  • 创建事件表:epoll_create,返回一个内核事件表的文件描述符。
  • 操作事件表:epoll_ctl,对事件表进行增、删、改。
  • 监听事件表:epoll_wait,监听事件表上的事件。
#include <sys/epoll.h>  //epoll事件结构体 strcut epoll_event{		     _uint32_t events;	//epoll事件     epoll_data_t data;	//用户数据,包含监听的文件描述符信息 } //用户数据联合体 typedef union epoll_data{     void* ptr;		//指定与fd相关的用户数据,用户数据包含监听的文件描述符     int fd;			//监听的文件描述符fd(常用)     uint32_t u32;     uint64_t u64; } epoll_data_t;   //创建epoll内核事件表 //size:	提示内核需要的事件表多大 int epoll_create(int size);   //操作epoll内核事件表 //epfd:	epoll内核事件表 //op:	参数指定操作,包括增(EPOLL_CTL_ADD)、删(EPOLL_CTL_DEL)、改(EPOLL_CTL_MOD) //fd:	被操作的文件描述符 //event:事件  int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);   //监听事件表上文件描述符的事件 //epfd: 	epoll内核事件表 //events:	就绪事件数组,由内核修改 //maxevents:最多监听事件数 //timeout:	 //return:	就绪文件描述符个数 int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event* events, int maxevents, int timeout); 

示例

服务端

服务端代码功能:

  1. 创建socket
  2. 为socket绑定固定地址和端口
  3. 监听套接字等待客户端连接
  4. 接收客户端连接,获取连接socket
  5. 使用select、poll或epoll监听连接socket的可读事件
  6. 连接socket可读事件发生时,从连接socket中读取数据

select

#include <sys/types.h> #include <sys/socket.h> #include <netinet/in.h> #include <arpa/inet.h> #include <assert.h> #include <stdio.h> #include <unistd.h> #include <errno.h> #include <string.h> #include <fcntl.h> #include <stdlib.h>  int main(int argc, char *argv[]) { 	if (argc <= 2) 	{ 		printf("usage: %s ip_address port_numbern", basename(argv[0])); 		return 1; 	} 	const char *ip = argv[1]; 	int port = atoi(argv[2]); 	printf("ip is %s and port is %dn", ip, port);  	int ret = 0; 	struct sockaddr_in address; 	bzero(&address, sizeof(address)); 	address.sin_family = AF_INET; 	inet_pton(AF_INET, ip, &address.sin_addr); 	address.sin_port = htons(port);  	int listenfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0); 	assert(listenfd >= 0);  	ret = bind(listenfd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address)); 	assert(ret != -1);  	ret = listen(listenfd, 5); 	assert(ret != -1);  	struct sockaddr_in client_address; 	socklen_t client_addrlength = sizeof(client_address); 	int connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&client_address, &client_addrlength); 	if (connfd < 0) 	{ 		printf("errno is: %dn", errno); 		close(listenfd); 	}  	char remote_addr[INET_ADDRSTRLEN]; 	printf("connected with ip: %s and port: %dn", inet_ntop(AF_INET, &client_address.sin_addr, remote_addr, INET_ADDRSTRLEN), ntohs(client_address.sin_port));  	char buf[1024]; 	fd_set read_fds; 	fd_set exception_fds;  	FD_ZERO(&read_fds); 	FD_ZERO(&exception_fds);  	int nReuseAddr = 1; 	setsockopt(connfd, SOL_SOCKET, SO_OOBINLINE, &nReuseAddr, sizeof(nReuseAddr)); 	while (1) 	{ 		memset(buf, '', sizeof(buf)); 		FD_SET(connfd, &read_fds); 		FD_SET(connfd, &exception_fds);  		ret = select(connfd + 1, &read_fds, NULL, &exception_fds, NULL); 		printf("select onen"); 		if (ret < 0) 		{ 			printf("selection failuren"); 			break; 		}  		if (FD_ISSET(connfd, &read_fds)) 		{ 			ret = recv(connfd, buf, sizeof(buf) - 1, 0); 			if (ret <= 0) 			{ 				printf("can not readn"); 				break; 			} 			printf("get %d bytes of normal data: %sn", ret, buf); 		} 		else if (FD_ISSET(connfd, &exception_fds)) 		{ 			ret = recv(connfd, buf, sizeof(buf) - 1, MSG_OOB); 			if (ret <= 0) 			{ 				printf("can not readn"); 				break; 			} 			printf("get %d bytes of oob data: %sn", ret, buf); 		} 	}  	close(connfd); 	close(listenfd); 	return 0; } 

poll

#include <sys/types.h> #include <sys/socket.h> #include <netinet/in.h> #include <arpa/inet.h> #include <assert.h> #include <stdio.h> #include <unistd.h> #include <errno.h> #include <string.h> #include <fcntl.h> #include <stdlib.h> #include <poll.h>  int main(int argc, char *argv[]) { 	if (argc <= 2) 	{ 		printf("usage: %s ip_address port_numbern", basename(argv[0])); 		return 1; 	} 	const char *ip = argv[1]; 	int port = atoi(argv[2]); 	printf("ip is %s and port is %dn", ip, port);  	int ret = 0; 	struct sockaddr_in address; 	bzero(&address, sizeof(address)); 	address.sin_family = AF_INET; 	inet_pton(AF_INET, ip, &address.sin_addr); 	address.sin_port = htons(port);  	int listenfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0); 	assert(listenfd >= 0);  	ret = bind(listenfd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address)); 	assert(ret != -1);  	ret = listen(listenfd, 5); 	assert(ret != -1);  	struct sockaddr_in client_address; 	socklen_t client_addrlength = sizeof(client_address); 	int connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&client_address, &client_addrlength); 	if (connfd < 0) 	{ 		printf("errno is: %dn", errno); 		close(listenfd); 	}  	char remote_addr[INET_ADDRSTRLEN]; 	printf("connected with ip: %s and port: %dn", inet_ntop(AF_INET, &client_address.sin_addr, remote_addr, INET_ADDRSTRLEN), ntohs(client_address.sin_port));  	char buf[1024];     pollfd poll_fds[1];     bzero(poll_fds, sizeof(poll_fds));     poll_fds[0].fd = connfd;     poll_fds[0].events = POLLIN;  	int nReuseAddr = 1; 	setsockopt(connfd, SOL_SOCKET, SO_OOBINLINE, &nReuseAddr, sizeof(nReuseAddr)); 	while (1) 	{ 		memset(buf, '', sizeof(buf));          ret = poll(poll_fds, 1, -1); 		printf("select onen"); 		if (ret < 0) 		{ 			printf("selection failuren"); 			break; 		}          if(poll_fds[0].events==POLLIN) 		{ 			ret = recv(connfd, buf, sizeof(buf) - 1, 0); 			if (ret <= 0) 			{ 				printf("can not readn"); 				break; 			} 			printf("get %d bytes of normal data: %sn", ret, buf); 		} 	}  	close(connfd); 	close(listenfd); 	return 0; } 

epoll

#include <sys/types.h> #include <sys/socket.h> #include <netinet/in.h> #include <arpa/inet.h> #include <assert.h> #include <stdio.h> #include <unistd.h> #include <errno.h> #include <string.h> #include <fcntl.h> #include <stdlib.h> #include <sys/epoll.h>  int main(int argc, char *argv[]) {     if (argc <= 2)     {         printf("usage: %s ip_address port_numbern", basename(argv[0]));         return 1;     }     const char *ip = argv[1];     int port = atoi(argv[2]);     printf("ip is %s and port is %dn", ip, port);      int ret = 0;     struct sockaddr_in address;     bzero(&address, sizeof(address));     address.sin_family = AF_INET;     inet_pton(AF_INET, ip, &address.sin_addr);     address.sin_port = htons(port);      int listenfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);     assert(listenfd >= 0);      ret = bind(listenfd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address));     assert(ret != -1);      ret = listen(listenfd, 5);     assert(ret != -1);      struct sockaddr_in client_address;     socklen_t client_addrlength = sizeof(client_address);     int connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&client_address, &client_addrlength);     if (connfd < 0)     {         printf("errno is: %dn", errno);         close(listenfd);     }      char remote_addr[INET_ADDRSTRLEN];     printf("connected with ip: %s and port: %dn", inet_ntop(AF_INET, &client_address.sin_addr, remote_addr, INET_ADDRSTRLEN), ntohs(client_address.sin_port));      char buf[1024];      //创建内核事件表     int epfd = epoll_create(10);      //注册事件     epoll_event event;     event.data.fd = connfd;     event.events = EPOLLIN;     epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, connfd, &event);      //就绪事件数组     epoll_event events[10];      int nReuseAddr = 1;     setsockopt(connfd, SOL_SOCKET, SO_OOBINLINE, &nReuseAddr, sizeof(nReuseAddr));     while (1)     {         memset(buf, '', sizeof(buf));          ret = epoll_wait(epfd, events, 1, -1);         printf("select onen");         if (ret < 0)         {             printf("errno: %dn", errno);             printf("selection failuren");             break;         }          if (events[0].events == EPOLLIN)         {             ret = recv(connfd, buf, sizeof(buf) - 1, 0);             if (ret <= 0)             {                 printf("can not readn");                 break;             }             printf("get %d bytes of normal data: %sn", ret, buf);         }     }      close(connfd);     close(listenfd);     return 0; } 

客户端

客户端代码功能:

  1. 创建套接字
  2. 请求连接
  3. 发送数据
  4. 关闭连接。
#include <sys/socket.h> #include <netinet/in.h> #include <arpa/inet.h> #include <assert.h> #include <stdio.h> #include <unistd.h> #include <string.h> #include <stdlib.h>  int main(int argc, char *argv[]) {     if (argc <= 2)     {         printf("usage: %s ip_address port_numbern", basename(argv[0]));         return 1;     }     const char *ip = argv[1];     int port = atoi(argv[2]);      struct sockaddr_in server_address;     bzero(&server_address, sizeof(server_address));     server_address.sin_family = AF_INET;     inet_pton(AF_INET, ip, &server_address.sin_addr);     server_address.sin_port = htons(port);      int sockfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);     assert(sockfd >= 0);     if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&server_address, sizeof(server_address)) < 0)     {         printf("connection failedn");     }     else     {         printf("send oob data outn");         const char *oob_data = "abc";         const char *normal_data = "123";         send(sockfd, normal_data, strlen(normal_data), 0);         send(sockfd, oob_data, strlen(oob_data), MSG_OOB);         send(sockfd, normal_data, strlen(normal_data), 0);     }      close(sockfd);     return 0; }