关于I/O多路复用:
I/O多路复用(又被称为“事件驱动”),首先要理解的是,操作系统为你提供了一个功能,当你的某个socket可读或者可写的时候,它可以给你一个通知。这样当配合非阻塞的socket使用时,只有当系统通知我哪个描述符可读了,我才去执行read操作,可以保证每次read都能读到有效数据而不做纯返回-1和EAGAIN的无用功。写操作类似。操作系统的这个功能通过select/poll/epoll之类的系统调用来实现,这些函数都可以同时监视多个描述符的读写就绪状况,这样,**多个描述符的I/O操作都能在一个线程内并发交替地顺序完成,这就叫I/O多路复用,这里的“复用”指的是复用同一个线程。
1.1 介绍:
select系统调用的目的是:在一段指定时间内,监听用户感兴趣的文件描述符上的可读、可写和异常事件。poll和select应该被归类为这样的系统调用,它们可以阻塞地同时探测一组支持非阻塞的IO设备,直至某一个设备触发了事件或者超过了指定的等待时间——也就是说它们的职责不是做IO,而是帮助调用者寻找当前就绪的设备。
下面是select的原理图:
1.2 select系统调用API如下:
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
fd_set结构体是文件描述符集,该结构体实际上是一个整型数组,数组中的每个元素的每一位标记一个文件描述符。fd_set能容纳的文件描述符数量由FD_SETSIZE指定,一般情况下,FD_SETSIZE等于1024,这就限制了select能同时处理的文件描述符的总量。
1.3 下面介绍一下各个参数的含义:
1)nfds参数指定被监听的文件描述符的总数。通常被设置为select监听的所有文件描述符中最大值加1;
2)readfds、writefds、exceptfds分别指向可读、可写和异常等事件对应的文件描述符集合。这三个参数都是传入传出型参数,指的是在调用select之前,用户把关心的可读、可写、或异常的文件描述符通过FD_SET(下面介绍)函数分别添加进readfds、writefds、exceptfds文件描述符集,select将对这些文件描述符集中的文件描述符进行监听,如果有就绪文件描述符,select会重置readfds、writefds、exceptfds文件描述符集来通知应用程序哪些文件描述符就绪。这个特性将导致select函数返回后,再次调用select之前,必须重置我们关心的文件描述符,也就是三个文件描述符集已经不是我们之前传入 的了。
3)timeout参数用来指定select函数的超时时间(下面讲select返回值时还会谈及)。
struct timeval
{
long tv_sec; //秒数
long tv_usec; //微秒数
};
1.4 下面几个函数(宏实现)用来操纵文件描述符集:
void FD_SET(int fd, fd_set *set); //在set中设置文件描述符fd
void FD_CLR(int fd, fd_set *set); //清除set中的fd位
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set); //判断set中是否设置了文件描述符fd
void FD_ZERO(fd_set *set); //清空set中的所有位(在使用文件描述符集前,应该先清空一下)
//(注意FD_CLR和FD_ZERO的区别,一个是清除某一位,一个是清除所有位)
1.5 select的返回情况:
1)如果指定timeout为NULL,select会永远等待下去,直到有一个文件描述符就绪,select返回;
2)如果timeout的指定时间为0,select根本不等待,立即返回;
3)如果指定一段固定时间,则在这一段时间内,如果有指定的文件描述符就绪,select函数返回,如果超过指定时间,select同样返回。
4)返回值情况:
a)超时时间内,如果文件描述符就绪,select返回就绪的文件描述符总数(包括可读、可写和异常),如果没有文件描述符就绪,select返回0;
b)select调用失败时,返回 -1并设置errno,如果收到信号,select返回 -1并设置errno为EINTR。
1.6 文件描述符的就绪条件:
在网络编程中,
1)下列情况下socket可读:
a) socket内核接收缓冲区的字节数大于或等于其低水位标记SO_RCVLOWAT;
b) socket通信的对方关闭连接,此时该socket可读,但是一旦读该socket,会立即返回0(可以用这个方法判断client端是否断开连接);
c) 监听socket上有新的连接请求;
d) socket上有未处理的错误。
2)下列情况下socket可写:
a) socket内核发送缓冲区的可用字节数大于或等于其低水位标记SO_SNDLOWAT;
b) socket的读端关闭,此时该socket可写,一旦对该socket进行操作,该进程会收到SIGPIPE信号;
c) socket使用connect连接成功之后;
d) socket上有未处理的错误。
1、poll系统调用的原理与原型和select基本类似,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。
2、poll系统调用API如下:
#include <poll.h>
int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
3、下面介绍一下各个参数的含义:
1)第一个参数是指向一个结构数组的第一个元素的指针,每个元素都是一个pollfd结构,用于指定测试某个给定描述符的条件。
struct pollfd
{
int fd; //指定要监听的文件描述符
short events; //指定监听fd上的什么事件
short revents; //fd上事件就绪后,用于保存实际发生的时间
};
待监听的事件由events成员指定,函数在相应的revents成员中返回该描述符的状态(每个文件描述符都有两个事件,一个是传入型的events,一个是传出型的revents,从而避免使用传入传出型参数,注意与select的区别),从而告知应用程序fd上实际发生了哪些事件。events和revents都可以是多个事件的按位或。
2)第二个参数是要监听的文件描述符的个数,也就是数组fds的元素个数;
3)第三个参数意义与select相同。
4、poll的事件类型:
在使用POLLRDHUP时,要在代码开始处定义_GNU_SOURCE
5、poll的返回情况:
与select相同。
首先给大家介绍一个epoll实战视频,点击即可观看
1、介绍:
epoll 与select和poll在使用和实现上有很大区别。首先,epoll使用一组函数来完成,而不是单独的一个函数;其次,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,无须向select和poll那样每次调用都要重复传入文件描述符集合事件集。
2、创建一个文件描述符,指定内核中的事件表:
#include<sys/epoll.h>
int epoll_create(int size);
//调用成功返回一个文件描述符,失败返回-1并设置errno。
size参数并不起作用,只是给内核一个提示,告诉它事件表需要多大。该函数返回的文件描述符指定要访问的内核事件表,是其他所有epoll系统调用的句柄。
3、操作内核事件表:
#include<sys/epoll.h>
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
//调用成功返回0,调用失败返回-1并设置errno。
epfd是epoll_create返回的文件句柄,标识事件表,op指定操作类型。操作类型有以下3种:
- a)EPOLL_CTL_ADD, 往事件表中注册fd上的事件;
- b)EPOLL_CTL_MOD, 修改fd上注册的事件;
- c)EPOLL_CTL_DEL, 删除fd上注册的事件。
event参数指定事件,epoll_event的定义如下:
struct epoll_event
{
__int32_t events; //epoll事件
epoll_data_t data; //用户数据
};
typedef union epoll_data
{
void *ptr;
int fd;
uint32_t u32;
uint64_t u64;
}epoll_data;
在使用epoll_ctl时,是把fd添加、修改到内核事件表中,或从内核事件表中删除fd的事件。如果是添加事件到事件表中,可以往data中的fd上添加事件events,或者不用data中的fd,而把fd放到用户数据ptr所指的内存中(因为epoll_data是一个联合体,只能使用其中一个数据),再设置events。
3、epoll_wait函数
epoll系统调用的最关键的一个函数epoll_wait,它在一段时间内等待一个组文件描述符上的事件。
#include<sys/epoll.h>
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);
//函数调用成功返回就绪文件描述符个数,失败返回-1并设置errno。
timeout参数和select与poll相同,指定一个超时时间;maxevents指定最多监听多少个事件;events是一个传出型参数,epoll_wait函数如果检测到事件就绪,就将所有就绪的事件从内核事件表(epfd所指的文件)中复制到events指定的数组中。这个数组用来输出epoll_wait检测到的就绪事件,而不像select与poll那样,这也是epoll与前者最大的区别,下文在比较三者之间的区别时还会说到。
相同点:
1)三者都需要在fd上注册用户关心的事件;
2)三者都要一个timeout参数指定超时时间;
不同点:
1)select:
a)select指定三个文件描述符集,分别是可读、可写和异常事件,所以不能更加细致地区分所有可能发生的事件;
b)select如果检测到就绪事件,会在原来的文件描述符上改动,以告知应用程序,文件描述符上发生了什么时间,所以再次调用select时,必须先重置文件描述符;
c)select采用对所有注册的文件描述符集轮询的方式,会返回整个用户注册的事件集合,所以应用程序索引就绪文件的时间复杂度为O(n);
d)select允许监听的最大文件描述符个数通常有限制,一般是1024,如果大于1024,select的性能会急剧下降;
e)只能工作在LT模式。
2)poll:
a)poll把文件描述符和事件绑定,事件不但可以单独指定,而且可以是多个事件的按位或,这样更加细化了事件的注册,而且poll单独采用一个元素用来保存就绪返回时的结果,这样在下次调用poll时,就不用重置之前注册的事件;
b)poll采用对所有注册的文件描述符集轮询的方式,会返回整个用户注册的事件集合,所以应用程序索引就绪文件的时间复杂度为O(n)。
c)poll用nfds参数指定最多监听多少个文件描述符和事件,这个数能达到系统允许打开的最大文件描述符数目,即65535。
d)只能工作在LT模式。
3)epoll:
a)epoll把用户注册的文件描述符和事件放到内核当中的事件表中,提供了一个独立的系统调用epoll_ctl来管理用户的事件,而且epoll采用回调的方式,一旦有注册的文件描述符就绪,讲触发回调函数,该回调函数将就绪的文件描述符和事件拷贝到用户空间events所管理的内存,这样应用程序索引就绪文件的时间复杂度达到O(1)。
b)epoll_wait使用maxevents来制定最多监听多少个文件描述符和事件,这个数能达到系统允许打开的最大文件描述符数目,即65535;
c)不仅能工作在LT模式,而且还支持ET高效模式(即EPOLLONESHOT事件,读者可以自己查一下这个事件类型,对于epoll的线程安全有很好的帮助)。
select/poll/epoll总结:
原文地址:https://zhuanlan.zhihu.com/p/141447239
作者:linux