Linux高性能服务器编程（三）

9. I/O复用

I/O复用使得程序可以同时监听多个文件描述符。通常，网络程序在下列情况下需要使用I/O复用技术。

客户端程序要同时处理多个socket。比如本章要讨论的非阻塞connect技术。

9.1 select系统调用

select系统调用的用途是：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、可写和异常等事件。

9.1.1 select API

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 #include <sys/select.h>
 int select(int nfds, fd_set* readfds, fd_set* writefds, fd_set* exceptfds, struct timeval* timeout);

nfds参数指定被监听的文件描述符的总数

readfds、writefds、exceptfds参数分别指向可读、可写和异常等事件对应的文件描述符集合。传入到内核中会被修改

这三个参数都是fd_set结构指针类型，它仅仅包含一个整型数组，每个元素的每1bit标记一个文件描述符

通常使用下列宏来访问fd_set结构体中的位：

scss 复制代码

 #include <sys/select.h>
 FD_ZERO(fd_set* fdset);                 /*清空fd_set集合*/
 FD_SET(int fd, fd_set* fdset)           /*将给定的文件描述符加入集合之中*/
 FD_CLR(int fd, fd_set* fdset)           /*将给定的文件描述符从集合中删除*/
 int FD_ISSET(int fd, fd_set* fdset)     /*检测fd在fdset集合中的状态是否发生变化*/

timeout参数用来设置select函数的超时时间。如果传递给NULL，则select将一直阻塞，直到某个文件描述符就绪

9.1.2 文件描述符就绪条件

9.1.3 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。

scss 复制代码

 #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;
 
     /*给两个fd_set置空*/
     FD_ZERO( &read_fds );
     FD_ZERO( &exception_fds );
 
     int nReuseAddr = 1;
     /*设置socket选项*/
     setsockopt( connfd, SOL_SOCKET, SO_OOBINLINE, &nReuseAddr, sizeof( nReuseAddr ) );
     while( 1 )
     {
         memset( buf, '\0', sizeof( buf ) );
         /*将fd加入到两个不同的fd_set集合中*/
         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;
         }
         /*检测对应的文件描述符是否读就绪*/
         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 );
         }
         /*检测对应的文件描述符是否发生异常事件*/
         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;
 }

服务端两次实验截图：

9.2 poll系统调用

poll系统调用和select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。

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

fds参数一个pollfd结构体类型数组，它指定所有我们感兴趣的文件描述符上发生的可读、可写和异常等事件。它定义如下：

arduino 复制代码

 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,由内核填写*/
 }

pollfd支持的事件类型如表所示：

事件	描述	是否可作为输入	是否可作为输出
POLLIN	数据（包括普通数据和优先数据）可读	是	是
POLLRDNORM	普通数据可读	是	是
POLLPRI	高优先级数据可读，比如TCP外带数据	是	是
POLLOUT	数据（包括普通数据和优先数据）可写	是	是
POLLWRNORM	普通数据可写	是	是
POLLWRBAND	优先级数据可写	是	是
POLLRDHUP	TCP连接被对方关闭，或者对方关闭了写操作	是	是
POLLERR	错误	否	是
POLLHUP	挂起	否	是
POLLNVAL	文件描述符没有打开	否	是

ndfs参数指定被监听事件集合fds的大小；
timeout参数指定poll的超时值，当timeout置为-1时，poll调用将阻塞直到某个事件发生。

9.3 epoll系列系统调用

epoll使用一组函数来完成任务，而不是单个函数。

9.3.1 内核事件表

epoll把用户关心的文件描述符放到内核的一个内核事件表，避免像select和poll那样每次使用都需要重复传入文件描述符集和事件集。但它需要使用一个额外的文件描述符，来标识内核中的这个事件表。这个文件描述符使用下列函数传递：

arduino 复制代码

 #include <sys/epoll.h>
 int epoll_create(int size)

size参数只是对内核的一个提示
该函数的返回值将用作epoll系列其他函数的第一个参数，以指定内核事件表

下面的函数用来操作内核事件表：

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 #include <sys/epoll.h>
 int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event* event);

fd参数是要操作的文件描述符
op参数则指定操作类型
- EPOLL_CTL_ADD，往事件表上注册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参数指定事件类型，它是epoll_event结构指针类型。epoll_event的定义如下：

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 struct epoll_event {
     _uint32_t events;      /*epoll事件类型*/
     epoll_data_t data;     /*用户数据*/
 }

其中的events成员描述事件类型。epoll支持的事件类和poll基本相同，在poll对应的宏前加上'E'即可。其中epoll_data_t的定义如下：

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 typedef union epoll_data {
     void* ptr;
     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;

9.3.2 epoll_wait函数

epoll系列系统调用的主要接口是epoll_wait函数。它在一段超时时间内等待一组文件描述符上的事件。

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 #include <sys/epoll.h>
 int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event* events, int maxevents, int timeout);

该函数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。

epoll_wait函数如果检测到事件，就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。

Linux高性能服务器编程（三）

9. I/O复用

9.1 select系统调用

9.1.1 select API

9.1.2 文件描述符就绪条件

9.1.3 处理带外数据

9.2 poll系统调用

9.3 epoll系列系统调用

9.3.1 内核事件表

9.3.2 epoll_wait函数

9.3.3 LT和ET模式