[Linux][网络][高级IO][IO多路转接][select][poll]详细讲解

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1.IO多路转接之select

1.初识select

  • select系统调用是用来让程序监视多个文件描述符的状态变化的
  • 程序会停在select这里等待,直到被监视的文件描述符有一个或多个发生了状态改变
  • 总结:
    • 帮用户进行一次等待多个文件描述符
    • 当哪些文件描述符就绪了,select就要通知用户,对应就绪的sock有哪些,然后用户再调用recv/read等接口进行数据读取

2.select()

  • 原型:int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

  • 参数:

    • nfds:要监视的最大的文件描述符+1
    • readfds,writefds,exceptfds :均为输入输出型参数,分别对应于需要检测的可读/可写/异常文件描述符的集合
      • 输入时 :用户告诉内核,你要帮我关心哪些fd的哪一种事件
        • bit位的位置表示文件描述符值,bit位的内容表示是否关心(1/0)
      • 输出时 :内核告诉用户,我所关心的fd中,哪些fd上的哪类事件已经就绪了
        • bit位的位置表示文件描述符值,bit位的内容表示是否就绪(1/0)
      • 用户和内核都会修改同一个位图结构,这些参数用一次之后,一定要进行重新设定
    • timeout :用来设置select()的等待时间,其取值
      • nullptr:阻塞等待
      • 0:非阻塞等待
      • 特定时间值:如果在指定的时间段里没有事件发生,select()将超时返回
      • 如果等待时间内,有fd就绪,会怎样呢?
        • 呈现输出型,存放距离下一次timeout剩余多长时间
  • 返回值

    • 执行成功则返回文件描述词状态已改变的个数
    • 如果返回0代表在描述词状态改变前已超过timeout时间,没有返回
    • 当有错误发生时则返回-1,错误原因存于errno,此时参数readfds,writefds, exceptfds和timeout的值变成不可预测
  • 错误码可能值

    • EBADF:文件描述词为无效的或该文件已关闭
    • EINTR:此调用被信号所中断
    • EINVAL:参数n为负值
    • ENOMEM:核心内存不足

3.关于fd_set结构

cpp 复制代码
/* The fd_set member is required to be an array of longs.  */
typedef long int __fd_mask;

typedef struct
  {
    /* XPG4.2 requires this member name.  Otherwise avoid the name
       from the global namespace.  */
#ifdef __USE_XOPEN
    __fd_mask fds_bits[__FD_SETSIZE / __NFDBITS];
# define __FDS_BITS(set) ((set)->fds_bits)
#else
    __fd_mask __fds_bits[__FD_SETSIZE / __NFDBITS];
# define __FDS_BITS(set) ((set)->__fds_bits)
#endif
  } fd_set;
  • 其实这个结构就是一个整数数组,更严格的说,是一个**"位图",使用位图中对应的bit位来表示要监视的文件描述符**

  • 提供了一组操作fd_set的接口, 来比较方便的操作位图

    cpp 复制代码
    void FD_CLR(int fd, fd_set *set); // 用来清除描述词组set中相关fd的bit位
    int FD_ISSET(int fd, fd_set *set); // 用来测试描述词组set中相关fd的but位是否为真
    void FD_SET(int fd, fd_set *set); // 用来设置描述词组set中相关fd的bit位
    void FD_ZERO(fd_set *set); // 用来清除描述词组set的全部bit位

4.关于timeval结构

  • timeval结构用于描述一段时间长度,如果在这个时间内,需要监视的文件描述符没有事件发生则函数返回,返回值为0

    cpp 复制代码
    struct timeval
    {
      __time_t tv_sec;    /* Seconds. */
      __suseconds_t tv_usec;  /* Microseconds. */
    };

5.理解select执行过程

  • 理解select模型的关键在于理解fd_set,为说明方便,取fd_set长度为1字节
  • fd_set中的每一bit可以对应一个文件描述符fd,则1字节长的fd_set最大可以对应8个fd.
    1. 执行fd_set set; FD_ZERO(&set);
      • 则set用位表示是0000,0000
    2. 若fd=5,执行FD_SET(fd, &set);
      • set变为0001,0000(第5个bit位置为1)
    3. 若再加入fd=2,fd=1
      • 则set变为0001,0011
    4. 执行**select(6, &set, nullptr, nullptr, nullptr)**阻塞等待
    5. 若fd=1,fd=2上都发生可读事件,则select返回
      • 此时set变为0000,0011
      • **注意:**没有事件发生的fd=5被清空

6.select就绪条件

  • 读就绪
    • socket内核中,接收缓冲区中的字节数,大于等于低水位标记SO_RCVLOWAT
      • 此时可以无阻塞的读该文件描述符,并且返回值大于0
    • socket TCP通信中,对端关闭连接,此时对该socket读,则返回0
    • 监听的socket上有新的连接请求
    • socket上有未处理的错误
  • 写就绪
    • socket内核中,发送缓冲区中的可用字节数(发送缓冲区的空闲位置大小),大于等于低水位标记SO_SNDLOWAT
      • 此时可以无阻塞的写,并且返回值大于0
    • socket的写操作被关闭(close或者shutdown),对一个写操作被关闭的socket进行写操作,会触发SIGPIPE信号
    • socket使用非阻塞connect连接成功或失败之后
    • socket上有未读取的错误

7.select特点

  • 可监控的文件描述符个数取决与sizeof(fd_set)的值
    • 我虚拟机上sizeof(fd_set)=128,每bit表示一个文件描述符,则支持的最大文件描述符是128*8=1024
  • 将fd加入select监控集的同时,还要再使用一个第三方数组用来保存所有的合法fd
    1. 用于在select返回后,array作为源数据和fd_set进行FD_ISSET判断
    2. select返回后会把以前加入的但并无事件发生的fd清空,则每次开始select前都要重新从array取得fd并逐一加入(FD_ZERO最先),扫描array的同时取得fd最大值maxfd,用于select的第一个参数

8.select优点(任何一个多路转接方案,都具备)

  • 效率高
  • 应用场景:有大量的链接,但是只有少量是活跃的,节省资源

9.select缺点

  • 为了维护第三方数组,select服务器会充满大量遍历,OS底层帮用户关心fd的时候,也要遍历
  • 每一次都要对select输出参数进行重新设定
  • 能够同时管理的fd的个数是有上限的 <-- fd_set大小是被固定了的
  • 因为几乎每一个参数都是输入输出型的,select一定会频繁地进行用户到内核,内核到用户的参数数据拷贝
  • 编码比较复杂

10.select的一般编写代码的模式

cpp 复制代码
while(true)
{
    // 1.遍历数组,更新出最大值
    // 2.遍历数组,添加所有需要关心的fd到fd_set位图中
    // 3.调用select进行事件检测
    // 4.遍历数组,找到就绪的事件,根据就绪的事件,完成对应的动作
    // a.Accepter b.recver
}

11.思考 && 问题

  • 如何看待_listensock?
    • 获取新连接,依然把它看成IO,如果没有连接到来,就阻塞
  • 参数影响编码模式
    1. nfds:随着获取的sock越来越多,添加到select的sock越来越多,注定了nfds每一次都可能要变化,需要对它动态计算
    2. readfds/writefds/exceptfds:都是输入输出型参数,输入输出不一定是一样的,所以注定每次都要对其进行重新添加
    3. timeout:输入输出型参数,每一次都要进行重置,前提是需要的话
      • 1,2 --> 注定必须自己将合法的fd单独全部保存起来,以支持:a.更新最大fd b.更新位图结构

2.IO多路转接之poll

1.poll()

  • 原型:int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
  • 参数:
    • fds:是一个poll()监听的结构的数组,每一个元素中,包含了三部分内容:文件描述符,监听的事件集合,返回的事件集合
    • nfds:表示fds数组的长度
    • **timeout:
      • 表示poll()的超时时间,单位是毫秒
      • 设置为0,表示非阻塞等待
      • 设置为-1,表示阻塞等待
  • 返回值
    • 执行成功则返回文件描述词状态已改变的个数
    • 如果返回0代表在描述词状态改变前已超过timeout时间,没有返回
    • 当有错误发生时则返回-1,错误原因存于errno

2.pollfd结构

cpp 复制代码
struct pollfd
{
   int fd;        /* File descriptor to poll.  */
   short int events;  /* Types of events poller cares about.  */
   short int revents; /* Types of events that actually occurred. */
};
  • events****和revents的取值
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
POLLRDNORM 普通数据可读
POLLRDBAND 优先级带数据可读(Linux不支持)
POLLPRI 高优先级数据可读,比如TCP带外数据
POLLOUT 数据(包括普通数据和优先数据)可写
POLLWRNORM 普通数据可写
POLLRDHUP TCP****连接被对方关闭,或者对方关闭了写操作,它由GNU引入
POLLERR 错误
POLLHUP 挂起,比如管道的写端被关闭后,读端描述符上将收到POLLHUP事件
POLLNVAL 文件描述符没有打开

3.poll就绪条件

  • 同select

4.poll的优点

  • 效率高
  • 应用场景:有大量的链接,但是只有少量是活跃的,节省资源
  • 输入输出参数是分离的,不需要进行大量的重置
  • 没有可以管理的fd最大数量限制

5.poll缺点

  • poll依旧需要不少的遍历,在用户层检测事件就绪、内核检测fd就绪,都需要大量遍历
    • 且用户还是需要自己维护第三方数组
  • poll需要内核到用户的拷贝 -- 少不了的
  • poll的代码结构依然比较复杂 -- 比select容易
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