【计算机网络】高级IO之select

文章目录

[1. 什么是IO？](#1. 什么是IO？)
- [什么是高效 IO?](#什么是高效 IO?)
[2. IO的五种模型](#2. IO的五种模型)
- 五种IO模型的概念理解
- - 同步IO与异步IO
  - 整体理解
[3. 阻塞IO](#3. 阻塞IO)
[4. 非阻塞IO](#4. 非阻塞IO)
[5. select](#5. select)
- 为什么要有select？
- [select 接口](#select 接口)
- - [第一个参数 nfds的理解](#第一个参数 nfds的理解)
  - [什么是输入输出型参数](#什么是输入输出型参数)
  - [最后一个参数 timeout 的理解](#最后一个参数 timeout 的理解)
  - [readfds writefds exceptfds 参数的理解](#readfds writefds exceptfds 参数的理解)
  - select的返回值

1. 什么是IO？

IO：表示输入输出

当对方把连接建立好，但是不发数据
而我是一个线程，正在调用 read 来读，就会阻塞，一直等数据发送过来
即读取条件不满足的情况下，read或recv 只会等待

无论是有数据时的拷贝，还是没有数据时的等待
两者的时间成本，全都算到了用户头上

在用户的角度，IO= 等+数据拷贝

什么是高效 IO?

单位时间内，等的比重越低， IO效率越高

当IO条件满足时，称为 IO事件就绪

2. IO的五种模型

五种IO模型的概念理解

如：钓鱼假设分为两步，钓鱼 = 等 + 钓

在鱼竿的钩子上挂一个鱼漂，浮在水面上，用来恒定鱼竿下水的深度
当鱼漂上下摆动时，就可以知道当前有鱼上钩了

张三一般喜欢专注于一件事，所以当张三钓鱼等待时，就会一直盯着鱼漂看是否有鱼上钩
过了一段时间，鱼漂动了，张三拉动鱼竿，将鱼钓上来了，放入桶中
继续刚才钓鱼的动作
张三在钓鱼的过程中，只盯着鱼漂看，不干其他事情

李四天生好动，所以当李四钓鱼时，就不怎么看鱼漂，会左顾右看的张望
当发现鱼咬钩后，就把鱼钓上来，放入桶中
继续刚才钓鱼的动作
李四在钓鱼的过程中，除了看鱼漂，还做其他事情

王五比较特别，当王五钓鱼时，在鱼竿的顶部放上一个铃铛，等待鱼上钩
等待过程中，王五做着自己的事情
当王五听到铃铛响了时，就拉动鱼竿，将鱼钓上来了，放入桶中
继续刚才钓鱼的动作
王五在钓鱼的过程中，不看鱼漂，只听铃铛来判断是否有鱼上钩

赵六是周围的首富，开皮卡来钓鱼，皮卡上装了10根鱼竿 (首富是来体验生活的)
使用10根鱼竿一起钓鱼，赵六就从前往后依次查看是否有鱼漂在动

田七是方圆500公里的首富 (田七比赵六有钱)
田七很忙，每天都有各种会议要开，而且田七并不是想钓鱼，而是喜欢吃鱼
所以就让司机小王帮忙去钓鱼
当鱼桶满了后，给田七打电话，就会来人把鱼带走
小王在钓鱼时，田七也正在开会

张三和李四钓是一样的，差别在等待鱼上钩的方式不同
张三为鱼漂不动，他不动
李四为鱼漂不动，会立马返回去做其他事情

张三的钓鱼方式称为阻塞IO
(数据没有就绪，调用的read接口不会返回)

李四的钓鱼方式称为非阻塞IO
(检测一次若没有数据，则会立马返回，过一段时间可以再次检测)

王五在鱼还没有钓上来之前，就知道当铃铛响了，就应该拉动鱼竿
王五的钓鱼方式称为信号驱动IO

赵六一次管理多个鱼竿，赵六的钓鱼方式称为多路复用或多路转接

在这几个人中，赵六的钓鱼效率比较高
因为赵六的鱼竿比较多，所以鱼上钩的概率大即等待时间比较短
所以赵六的钓鱼效率比较高

同步IO与异步IO

前四个人都要钓鱼的过程，所以都称为同步IO

田七没有参与钓鱼的过程，没有等，也没有钓，只是发起钓鱼的过程
田七的钓鱼方式称为异步IO

整体理解

钓可以看作数据拷贝
张三李四等人可以看作进程
田七可以看作是一个进程，司机小王可以看作是操作系统
鱼竿可以看作文件描述符
鱼可以看作是数据
鱼咬钩或鱼漂动、铃铛响可以看作 IO事件就绪

一个进程在文件描述符上读取数据时，若数据没有就绪，当前进程只能挂起等待
直到有IO时间就绪，数据才可以拷贝到对应的上层

3. 阻塞IO

阻塞IO：数据没有就绪，调用的read接口不会返回

通过使用 read 函数从键盘中读，当代码写好时，若什么也不输入，则什么也不显示则为阻塞IO

输入 man 2 read

从一个文件描述符中去读count个数据到 buf缓冲区中
若获取成功，则返回字节数据
若获取为0，则表示读到文件结尾
若获取为-1，则表示失败，并设置错误码

0表示标准输入流
从标准输入流中读buffer数组大小的数据发送到 buffer中

运行可执行程序后，一直不输入，则导致read在等待，直到有数据输入才进行数据拷贝

4. 非阻塞IO

非阻塞IO：检测一次若没有数据，则会立马返回做其他事情，过一段时间可以再次检测

通过使用 read 函数从键盘中读，当代码写好时，就是不输入
通过这样的方式，模拟读取条件不满足的情况下，read只会等待的情况

在上述阻塞IO的代码的基础上进行修改

setnonblock函数

输入 man fcntl

第一个参数为文件描述符
第二个参数表示你要对文件描述符干什么
获得/设置文件状态标记(cmd=F_GETFL或F_SETFL)

通过设置文件状态标记，就可以将一个文件描述符变为非阻塞

使用 F_GETFL，将当前文件描述符的属性取出来
使用 F_SETFL，将文件描述符状态进行设置，并加上一个 O_NONBLOCK (非阻塞) 参数

若函数返回 -1，则表示失败

创建一个函数 setnonblock，将文件描述符设置为非阻塞状态
先使用F_GETFL，获取对应文件描述符的属性
若获取失败，则返回错误原因和错误码
若获取成功，则使用 F_SETFL 将文件描述符状态设为非阻塞状态

为什么非阻塞IO会读取错误？

在主函数main中，将标准输入流改为非阻塞状态
并根据read的三种返回值，分别设置返回提示：读取成功、文件结尾和读取错误

当将标准输入流设置为非阻塞状态后
再次运行可执行程序，直接就会读取失败
在调用read时，发现数据没有就绪 (当前读取检测速度太快，还没有输入，就报错了)

所以一旦底层数据没有就绪，就以出错的形式返回，但是不算真正的出错

但这样就没办法区分是真正出错还是底层没有数据了
所以就通过出错码进行进一步判断

对错误码的进一步判断

EAGAIN 和 EWOULDBLOCK 都是系统设置的，错误码都是11
用于判断没出错，但是以出错的形式返回的错误码
若为真，则下次继续检测即可

若IO被信号中断，则重新检测

检测数据没有就绪时，返回做一些其他事情

非阻塞IO，是可以做到当检测数据没有就绪时，就返回做一些其他事情

定义一个包装器其参数为void 返回值为void ，并将其重命名为 func_t 类型
定义一个vetcor数组，其类型为 func_t

设置三个任务，分别为PrintLog OperMysql CheckNet

在创建LoadTask函数，将任务分别插入到funcs数组中

在主函数main中，调用 LoadTask函数以此加载任务

创建一个 HandlerALLTask函数，用于遍历 vector数组，数组元素为任务
当数据没有就绪时，就返回处理任务

完整代码

mytest.cc

cpp 复制代码

#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
#include<cstdio>
#include<cstring>
#include<vector>
#include<functional>
using namespace std;

//任务
void PrintLog()//打印日志
{
   cout<<"这是一个打印日志例程"<<endl;
}

void OperMysql()
{
  cout<<"这是一个操作数据库的例程"<<endl;
}

void CheckNet()
{
    cout<<"这是一个检测网络状态的例程"<<endl;
}

using func_t =function<void(void)>;
vector<func_t>  funcs;

void LoadTask()
{
    funcs.push_back(PrintLog);
    funcs.push_back( OperMysql);
    funcs.push_back(CheckNet);
}

void HandlerALLTask()
{
    //遍历vector数组
  for(auto& func:funcs)
  {
    func();
  }
}

void SetNonBlock(int fd)//将文件描述符设为非阻塞
{
   int fl=fcntl(fd,F_GETFL);//获取当前文件描述符的指定状态标志位
    if(fl<0)//获取失败
    {
          cerr<<"error string: "<<strerror(errno)<<"error code: "<<errno<<endl;
    }
    fcntl(fd,F_SETFL,fl | O_NONBLOCK);//将文件描述符状态设为非阻塞状态
}

int main()
{
    char buffer[64];
    SetNonBlock(0);//将标准输入流 改为非阻塞状态
    LoadTask();//加载任务
   while(true)
   {
    
      //0表示标准输入流
      ssize_t n=read(0,buffer,sizeof(buffer)-1);//检测条件是否就绪
      if(n>0)//读取成功
      {
        buffer[n-1]=0;    
        cout<<"echo# "<<buffer<<endl; 
      }
      else if(n==0)//读到文件结尾
      {
        cout<<"end file"<<endl;
      }
      else//读取失败 
      {
        if(errno==EAGAIN || errno ==EWOULDBLOCK)
        {
          //若为真，说明没出错，只是以出错返回
          //底层数据没有准备好，下次继续检测

          HandlerALLTask();//遍历数组 处理任务
          sleep(1);
          cout<<"data not  ready"<<endl;
          continue;
          
        }
        else if(errno == EINTR)
        {
            //IO被信号中断，需要重新检测
            continue;
        }
        else //真正的错误
        {
             cout<<"read error"<<"error string: "<<strerror(errno)<<"error code: "<<errno<<endl;
             break;
        }
      }
      sleep(1);

   }
    return 0;
}

makefile

cpp 复制代码

mytest:mytest.cc
	g++ -o $@ $^ -std=c++11
	
.PHONY:clean
clean:
	rm -f mytest

5. select

为什么要有select？

read/recv 等文件接口只有一个文件描述符
想要让一个接口等待多个文件描述符，而read等接口是不具备这个能力的
操作系统就设计一个接口 select，用于多路复用

select 作用
1.等待多个文件描述符
2.只负责等(没有数据拷贝的能力)

select 接口

输入 man select

由于select只负责等待，不负责拷贝，所以没有缓冲区

第一个参数 nfds的理解

第一个参数 nfds，是一个输入型参数，表示 select等待的多个文件描述符(fd)数字层面最大的+1
(文件描述符的本质为数组下标，多个文件描述符中数值最大的文件描述符值+1 即nfds )

什么是输入输出型参数

用户把数据交给操作系统，同样操作系统也要通过这些输出型参数把结果交给用户
为了让用户和操作系统之间进行信息传递，就把参数设置为输入输出型参数

最后一个参数 timeout 的理解

timeout 是一个输入输出型参数

timeout的数据类型为struct timeval

可以一个时间结构体，tv_sec 表示秒， tv_usec 表示微秒

对于 struct timeval的对象可设置三种值

第一种对象被设为 NULL ，对于select来说表示阻塞等待
(多个文件描述符任何一个都不就绪，select就一直不返回)

第二种 struct timeval对象定义出来，并将其中变量都设为0
对于select来说表示非阻塞等待
(多个文件描述符任何一个都不就绪，select就会立马出错并返回)

第三种 struct timeval对象定义出来，并将其中变量设为 5 和 0
表示 5s以内阻塞等待，否则就 timeout(非阻塞等待) 一次
若在第3s时有一个文件描述符就绪，则select就会返回其中参数 timeout 表示剩余的时间 2s(5-3=2)

readfds writefds exceptfds 参数的理解

readfds writefds exceptfds 这三个参数是同质的
readfds 表示读事件
writefds 表示写事件
excepttfds表示异常事件

三者类型都为 fd_set

fd_set是一个位图结构，用其表示多个文件描述符
通过比特位的位置，就代表文件描述符数值是谁

位图结构想要使用按位与、按位或这些操作，必须使用操作系统提供的接口

FD_CLR ：将指定的文件描述符从指定的集合中清除

FD_ISSET：判断文件描述符是否在该集合中被添加

FD_SET：将一个文件描述符添加到对应的set集合中

FD_ZERO：将文件描述符整体清空

以readfds 读事件为例

若放入 readfds 集合中，用户告诉内核，那些文件描述符对应的读事件需要由内核来关心
返回时，内核要告诉用户，那些文件描述符的读事件已经就绪

假设想让操作系统去关心八个文件描述符对应的事件

用户想告诉内核时，用户需定义 fd_set 对象 rfds ，其中八个比特位设置为1
比特位的位置表示几号文件描述符
比特位被置1，则操作系统就需要关心对应的几号文件描述符
如：需要关心 1-8号文件描述符，即查看是否就绪

当select返回时，内核会告诉用户，rfds重置，并将就绪的文件描述符对应的比特位位置置1

如： 3号和5号就绪，则对应比特位位置置1 ，表示3号和5号文件描述符对应的内容就绪

select的返回值

select的返回值同样也有三种情况
第一种大于0
表示有几个文件描述符是就绪的

第二种等于0
进入timeout状态，即 5s以内没有任何一个文件描述符就绪

第三种小于0
等待失败返回-1
如：想要等待下标为1 和2的文件描述符，但是下标为2的文件描述符根本不存在，就会等待失败