linux 网络编程 I/O复用 select，poll ,epoll
http://blog.csdn.net/zs634134578/article/details/19929449
问题聚焦：
前篇提到了I/O处理单元的四种I/O模型。
本篇详细介绍实现这些I/O模型所用到的相关技术。
核心思想：I/O复用
使用情景：
- 客户端程序要同时处理多个socket
- 客户端程序要同时处理用户输入和网络连接
- TCP服务器要同时处理监听socket和连接socket，这是使用最多的场合
- 服务器要同时可处理TCP请求和UDP请求
- 服务器要同时监听多个端口
主要技术：
- select
- poll
- epoll
select系统调用
作用：
在一段指定时间内，监听用户感兴趣的文件描述符的可读、可写和异常等事件。
select API
原型:
[cpp] view plain copy
- #include <sys/select.h>
- int select ( int nfds, fd_set* readfds, fde_set* writefds, fd_set* exceptfds, struct timeval* timeout );
函数说明：
nfds：指定被监听的文件描述符的总数，通常为所有文件描述符中的最大值+1
readfds, writefds, exceptfds：可读、可写和异常等事件对应的文件描述符集合。
fd_set结构：仅包含一个整型数组，该数组的每个元素的每一位标记了一个文件描述符。fd_set能容纳的文件描述符数量由FD_SETSIZE指定，这就限制了select能同时处理的文件描述符的总量。
fd_set相关的位操作：
[cpp] view plain copy
- #include <sys/select.h>
- FD_ZERO( fd_set *fdset );
- FD_SET( int fd, fd_set *fdset );
- FD_CLR( int fd, fd_set *fdset );
- int FD_ISSET( int fd, fd_set *fdset );
timeout：设置select函数的超时时间
返回状态：
select成功时返回就绪（可读、可写和异常）文件描述符的总数。
如果在超时时间内没有任何文件描述符就绪，select将返回0.
select失败时返回-1并设置errno
如果select 等待期间，程序接收到信号，则select立即返回-1，并设置errno为EINTR。
文件描述符就绪条件
可读：
- socket内核接收缓冲区中的字节数大于或等于其低水位标记SO_RCVLOWAT。此时我们可以无阻塞地对该socket，并且读操作返回的字节数大于0
- socket通信的对方关闭连接，此时读操作返回0
- 监听socket上有新的连接请求
- socekt上有未处理的错误，此时我们可以使用getsockopt来读取和清除该错误。
可写：
- socket内核发送缓冲区中的可用字节数大于或等于其低水位标记SO_SNDLOWAT。此时我们可以无阻塞地写该socket，并且写操作返回的字节数大于0
- socket的写操作被关闭。对写操作被关闭的socket执行写操作将出发一个SIGPIPE信号
- socket使用非阻塞connect连接成功或者失败之后
- socket上有未处理的错误，此时我们可以使用getsockopt来读取和清除该错误。
异常：
- socket上接收到带外数据
处理带外数据
socket上接收到普通数据和带外数据都将使select返回，但socket处于不同的就绪状态：前者处于可读状态，后者处于异常状态。
[cpp] view plain copy
- #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_number\n", basename( argv[0] ) );
- return 1;
- }
- const char * ip = argv[1];
- int port = atoi( argv[2] );
- printf( "ip is %s and port is %d\n", 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: %d\n", errno );
- close( listenfd );
- }
- char remote_addr[INET_ADDRSTRLEN];
- printf( "connected with ip: %s and port: %d\n",
- 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, '\0', sizeof ( buf ) );
- /* 每次调用select前都要重新在readfds和exception_fds中设置文件描述符connfd，因为事件发生之后，文件描述符集合将被内核修改 */
- FD_SET( connfd, &read_fds );
- FD_SET( connfd, &exception_fds );
- ret = select( connfd + 1, &read_fds, NULL, &exception_fds, NULL );
- printf( "select one\n" );
- if ( ret < 0 )
- {
- printf( "selection failure\n" );
- break ;
- }
- /* 对于可读事件，采用普通的recv函数读取数据 */
- if ( FD_ISSET( connfd, &read_fds ) )
- {
- ret = recv( connfd, buf, sizeof ( buf )-1, 0 );
- if ( ret <= 0 )
- {
- break ;
- }
- printf( "get %d bytes of normal data: %s\n", ret, buf );
- }
- /* 对于异常事件，采用带MSG_OOB标志的recv函数读取带外数据 */
- else if ( FD_ISSET( connfd, &exception_fds ) )
- {
- ret = recv( connfd, buf, sizeof ( buf )-1, MSG_OOB );
- if ( ret <= 0 )
- {
- break ;
- }
- printf( "get %d bytes of oob data: %s\n", ret, buf );
- }
- }
- close( connfd );
- close( listenfd );
- return 0;
- }
poll系统调用
作用：和select类型，也是在指定时间内轮询一定数量的文件描述符，以测试其中是否有就绪者。
原型：
[cpp] view plain copy
- #include <poll.h>
- int poll ( struct pollfd* fds, nfds_t nfds, int timeout );
函数说明：
fds：指定我们所感兴趣的文件描述符上发生的可读，可写和异常事件。
pllfd结构：
[cpp] view plain copy
- struct pollfd
- {
- int fd; /* 文件描述符 */
- short events; /* 注册的事件 */
- short revents; /* 实际发生的事件，由内核填充 */
- }
支持的事件类型：(自行百度)
返回值：通常，应用程序需要根据recv调用的返回值来区分socket上接收到的是有效数据还是对方关闭连接的请求，并做相应的处理。poll系统调用的返回值的含义与select相同。
nfds：指定被监听事件集合fds的大小。
类型nfds_t定义：
[cpp] view plain copy
- typedef unsigned long int nfds_t;
timeout：指定poll的超时值，单位是毫秒。当timeout为-1时，poll调用将永远阻塞，直到某个事件发生。当timeout为0时，poll调用将立即返回。
epoll系列系统调用
特点：
一组函数完成任务
epoll把用户关心的文件描述符上的事件放在内核里的一个事件表中，从而无须像select和poll那样每次调用都要重复传入文件描述符集或事件集。
需要一个额外的文件描述来唯一标识内核中的这个事件表。
文件描述符的创建：
[cpp] view plain copy
- #include <sys/epoll.h>
- int epoll_create ( int size );
该函数返回的文件描述符将用作其他所有epoll系统调用的第一个参数，以指定要访问的内核事件表。
操作内核事件表：
[cpp] view plain copy
- #include <sys/epoll.h>
- int epoll_ctl ( int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event );
函数说明：
fd：要操作的文件描述符
op：指定操作类型
操作类型：
EPOLL_CTL_ADD：往事件表中注册fd上的事件
EPOLL_CTL_MOD：修改fd上的注册事件
EPOLL_CTL_DEL：删除fd上的注册事件
event：指定事件，它是epoll_event结构指针类型
epoll_event定义：
[cpp] view plain copy
- struct epoll_event
- {
- __unit32_t events; /* epoll事件 */
- epoll_data_t data; /* 用户数据 */
- };
结构体说明：
events：描述事件类型，和poll支持的事件类型基本相同（两个额外的事件：EPOLLET和EPOLLONESHOT，高效运作的关键）
data成员：存储用户数据
[cpp] view plain copy
- typedef union epoll_data
- {
- void * ptr; /* 指定与fd相关的用户数据 */
- int fd; /* 指定事件所从属的目标文件描述符 */
- uint32_t u32;
- uint64_t u64;
- } epoll_data_t;
epoll_wait函数
主要接口
作用：在一段时间内，等待一组文件描述符上的事件
原型：
[cpp] view plain copy
- #include <sys/epoll.h>
- int epoll_wait ( int epfd, struct epoll_event* events, int maxevents, int timeout );
函数说明：
返回：成功时返回就绪的文件描述符的个数，失败时返回-1并设置errno
timeout：与poll相同
maxevents：指定最多监听多少个事件
events：检测到事件，将所有就绪的事件从内核事件表中复制到它的第二个参数events指向的数组中。与poll的区别（见下面的demo）
poll和epoll在使用上的差别：
[cpp] view plain copy
- /* 索引poll返回的就绪文件描述符 */
- /* 方式：遍历，检查标志位 */
- int ret = poll ( fds, MAX_EVENT_NUMBER, -1 );
- for ( int i = 0; i < MAX_EVENT_NUMBER; ++i )
- {
- if ( fds[i].revents & POLLIN )
- {
- int sockfd = fds[i].fd;
- /* 处理sockfd */
- }
- }
- /* 索引epoll返回的就绪文件描述符 */
- /* 方式：遍历 */
- int ret = epoll_wait ( epollfd, events, MAX_EVENT_NUMBER, -1 );
- for ( int i = 0; i < ret; i++ )
- {
- int sockfd = events[i].data.fd;
- /* sockfd必然就绪，直接处理 */
- }
LT和ET模式
对文件操作符的操作模式：
- LT：电平触发，默认的工作模式，检测到有事件发生可以不立即处理。
- ET：边沿触发，搞笑工作模式，文件描述符注册为EPOLLET事件，检测到有事件发生立即处理，后续epoll_wait不再向应用程序通知这一事件。
区别：ET模式在很大程度上降低了同一个epoll事件被重复出发的参数，因此效率要比LT模式高。
EPOLLONESHOT事件
使用场合：
一个线程在读取完某个socket上的数据后开始处理这些数据，而数据的处理过程中该socket又有新数据可读，此时另外一个线程被唤醒来读取这些新的数据。
于是，就出现了两个线程同时操作一个socket的局面。
可以使用epoll的EPOLLONESHOT事件实现一个socket连接在任一时刻都被一个线程处理。
作用：
对于注册了EPOLLONESHOT事件的文件描述符，操作系统最多出发其上注册的一个可读，可写或异常事件，且只能触发一次。
使用：
注册了EPOLLONESHOT事件的socket一旦被某个线程处理完毕，该线程就应该立即重置这个socket上的EPOLLONESHOT事件，以确保这个socket下一次可读时，其EPOLLIN事件能被触发，进而让其他工作线程有机会继续处理这个sockt。
效果：
尽管一个socket在不同事件可能被不同的线程处理，但同一时刻肯定只有一个线程在为它服务，这就保证了连接的完整性，从而避免了很多可能的竞态条件。
小结：三组I/O复用函数的比较
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系统调用 |
select |
poll |
epoll |
|---|---|---|---|
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事件集合 |
用哦过户通过3个参数分别传入感兴趣的可读，可写及异常等事件 内核通过对这些参数的在线修改来反馈其中的就绪事件 这使得用户每次调用select都要重置这3个参数 |
统一处理所有事件类型，因此只需要一个事件集参数。 用户通过pollfd.events传入感兴趣的事件，内核通过 修改pollfd.revents反馈其中就绪的事件 |
内核通过一个事件表直接管理用户感兴趣的所有事件。 |