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IO多路复用就是复用一个线程,从原先一个客户端需要一个线程去调用recv询问内核数据是否已经就绪,那么多个客户端就需要多个线程,转变成现在多个客户端都用一个线程使用select/poll去统一管理,主动通知用户哪些数据已经就绪(read,write,accept等事件),所以复用了这个线程,减少了系统开销。
在客户端增加时,线程不会呈O(n)增加。
关于recv和accept工作流程
accpet
通过服务端文件描述符监听socket事件,当监听到READ_EVENT
事件时,说明有其他网络端向此socket发送数据,触发socket读事件(三次握手中客户端会发送数据),建立TCP连接。
recv
通过客户端文件描述符监听socket事件,当监听到READ_EVENT事件,处理事件,将数据读取到用户缓冲区buffer
通过IO复用,实现监听到socket事件就绪后,直接调用accpet或recv即可,直接完成TCP连接或者数据读取,两个函数不会阻塞。
可以实现单进程一对多效果,但是没有使用并发技术
处理的业务复杂度不能过高,要在极短的时间内处理若干任务,投入二次监听
IO多路复用第一版select
实现原理
select 实现多路复用的方式是,将已连接的 Socket 都放到一个监听集合 ,然后调用 select 函数将文件描述符集合拷贝 到内核里,让内核来检查是否有网络事件产生,就是通过遍历监听集合的方式进行检查。
当检查到有事件产生后,将此 Socket 标记为可读或可写, 接着再把整个文件描述符集合拷贝 回用户态里,然后用户态还需要再通过遍历的方法找到可读或可写的 Socket,然后再对其处理。
所以,对于 select 这种方式,需要进行 2 次「遍历」文件描述符集合 ,一次是在内核态里,一个次是在用户态里 ,而且还会发生 2 次「拷贝」文件描述符集合,先从用户空间传入内核空间,由内核修改后,再传出到用户空间中。
select 使用固定长度的 BitsMap,表示文监听集合,而且所支持的文件描述符的个数是有限制的,在 Linux 系统中,由内核中的 FD_SETSIZE 限制, 默认最大值为 1024,最多只能监听1021个用户socket,因为0、1、2是标准文件描述符。
监听集合中对应的socket位码是1,表示监听次socket,为0表示不监听
在select这种I/O多路复用机制下,我们需要把想监控的文件描述集合通过函数参数的形式告诉select,然后select会将这些文件描述符集合拷贝到内核中,我们知道数据拷贝是有性能损耗的,因此为了减少这种数据拷贝带来的性能损耗,Linux内核对集合的大小做了限制,并规定用户监控的文件描述集合不能超过1024个,同时当select返回后我们仅仅能知道有些文件描述符可以读写了,但是我们不知道是哪一个,因此必须再遍历一边找到具体是哪个文件描述符可以读写了。
实现流程
核心接口
void FD_ZERO(fd_set *
fdset)
初始化监听集合为0
void FD_SET(int
fd,fd_set *
fdset)
对set集合中fd对应位码设置为1
void FD_CLR(int
fd,fd_set *
fdset)
对set集合中fd对应位码设置为0
int bitcode=void FD_ISSET(int
fd,fd_set *
fdset)
查看fd在监听集合中是1还是0,并直接返回
int ready=select(int nfds, fd_set* readset, fd_set* writeset, fd_set* exeptset,struct timeval* timeout);
nfds
表示被select管理的描述符个数。值为最大描述符+1.不是描述符最大值
readset
、writeset
、exeptset
可读事件集合、可写事件集合、异常事件集合。这三者都可以填null
timeout
超时时间有三种含义: 阻塞(null)、正常超时、非阻塞(0)
使用服务器测试业务:
客户端向标准输入发送小写字符串,服务端响应回复对应大写字符,"abcAS"->"ABCAS"
客户端向服务端发送关键字localtime,服务端响应回复系统时间、
代码实现
MySock.h
cpp
#ifndef _MYSOCK_H_
#define _MYSOCK_H_
#include <arpa/inet.h>
#include <ctype.h>
#include <errno.h>
#include <netinet/in.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/select.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <time.h>
#include <unistd.h>
int SOCKET(int domain, int type, int protocol);
int BIND(int sockfd, struct sockaddr* addr, socklen_t addrlen);
ssize_t RECV(int sockfd, void* buf, size_t len, int flags);
ssize_t SEND(int sockfd, void* buf, size_t len, int flags);
int CONNECT(int sockfd, struct sockaddr* addr, socklen_t addrlen);
int ACCEPT(int sockfd, struct sockaddr* addr, socklen_t* addrlen);
int LISTEN(int sockfd, int backlog);
char* FGETS(char* s, int size, FILE* stream);
int SELECT(int nfds, fd_set* readfds, fd_set* writefds, fd_set* exceptfds,
struct timeval* timeout);
int socket_init();
int return_response(int clientfd, const char* clientip);
//void strDeal(int *client_fd);
// 全局变量声明
char recv_buf[1024];
char time_buf[64];
int serverFd, clientFd;
struct sockaddr_in clientAddr;
fd_set set, oset;
int client_array[1020];
int maxfd, ready;
socklen_t addrlen;
char clientip[16];
time_t tp;
ssize_t recvlen;
int toupper_flag;
#define SHUTDOWN 1
#endif
MySock.c
cpp
#include "MySock.h"
int SOCKET(int domain, int type, int protocol) {
int reval = socket(domain, type, protocol);
if (reval == -1) {
perror("socket call failed");
exit(0);
}
return reval;
}
int BIND(int sockfd, struct sockaddr* addr, socklen_t addrlen) {
int reval = bind(sockfd, addr, addrlen);
if (reval == -1) {
perror("bind call failed");
exit(0);
}
return reval;
}
ssize_t RECV(int sockfd, void* buf, size_t len, int flags) {
ssize_t reval;
reval = recv(sockfd, buf, len, flags);
return reval;
}
ssize_t SEND(int sockfd, void* buf, size_t len, int flags) {
ssize_t reval;
reval = send(sockfd, buf, len, flags);
if (reval == -1)
perror("send call failed");
return reval;
}
int CONNECT(int sockfd, struct sockaddr* addr, socklen_t addrlen) {
int reval = connect(sockfd, addr, addrlen);
if (reval == -1) {
perror("connect call failed");
exit(0);
}
return reval;
}
int ACCEPT(int sockfd, struct sockaddr* addr, socklen_t* addrlen) {
int reval = accept(sockfd, addr, addrlen);
if (reval == -1) {
perror("accept call failed");
exit(0);
}
return reval;
}
int LISTEN(int sockfd, int backlog) {
int reval = listen(sockfd, backlog);
if (reval == -1) {
perror("listen call failed");
exit(0);
}
return reval;
}
char* FGETS(char* s, int size, FILE* stream) {
char* str;
if ((str = fgets(s, size, stream)) != NULL) {
return str;
} else {
perror("fgets call failed");
exit(0);
}
}
int SELECT(int nfds, fd_set* readfds, fd_set* writefds, fd_set* exceptfds,
struct timeval* timeout) {
int reval = select(nfds, readfds, writefds, exceptfds, timeout);
if (reval == -1) {
perror("select call failed");
exit(0);
}
return reval;
}
int socket_init() {
struct sockaddr_in sockAddr;
sockAddr.sin_family = AF_INET;
sockAddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
sockAddr.sin_port = htons(8080);
int sock_fd = SOCKET(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
BIND(sock_fd, (struct sockaddr*)&sockAddr, sizeof(sockAddr));
LISTEN(sock_fd, 5);
return sock_fd;
}
int return_response(int clientfd, const char* clientip) {
char response[1024];
bzero(response, sizeof(response));
sprintf(response, "Hi [%s],This is TCP Server Working...\n", clientip);
SEND(clientfd, response, sizeof(response), 0);
}
SelectServer.c
cpp
#include "MySock.h"
int main() {
bzero(recv_buf, sizeof(recv_buf));
bzero(time_buf, sizeof(time_buf));
bzero(clientip,sizeof(clientip));
serverFd = socket_init();
FD_SET(serverFd, &set); // 设置监听
int i;
for (i = 0; i < 1020; ++i) {
client_array[i] = -1;
}
maxfd = serverFd;
printf("Test Select Server is Running...\n");
while (SHUTDOWN) {
oset = set;
ready = SELECT(maxfd+1, &oset, NULL, NULL, NULL);
while (ready) { // 辨别就绪
if (FD_ISSET(serverFd, &oset)) {
addrlen = sizeof(clientAddr);
clientFd =ACCEPT(serverFd, (struct sockaddr*)&clientAddr, &addrlen);
inet_ntop(AF_INET, &clientAddr.sin_addr.s_addr, clientip, 16);
printf("Listen Server Socket Successfully Call Accept, Client IP [%s], PORT[%d]\n",clientip, ntohs(clientAddr.sin_port));
return_response(clientFd, clientip);
if (maxfd < clientFd)
maxfd = clientFd;
for (i = 0; i < 1020; ++i)
if (client_array[i] == -1) {
client_array[i] = clientFd;
break;
}
FD_SET(clientFd, &set);//新socket设置监听
FD_CLR(serverFd,&oset);//处理完毕,清理就绪集合
} else {
// 仅处理一次客户端请求,单进程不允许客户端持续占用
for (i = 0; i < 1020; ++i)
{if (client_array[i] != -1)
if (FD_ISSET(client_array[i], &oset))
{
if ((recvlen = RECV(client_array[i], recv_buf, sizeof(recv_buf), 0)) >0)
{ // 处理客户端业务
printf("Client Say:%s\n", recv_buf);
if (strcmp(recv_buf, "localtime") == 0) {
tp = time(NULL); // 获取时间种子
ctime_r(&tp, time_buf);
time_buf[strcspn(time_buf, "\n")] = '\0';
printf("[%s]Response SysTime Successfully!\n", clientip);
SEND(client_array[i], time_buf, strlen(time_buf) + 1, 0);
bzero(time_buf, sizeof(time_buf));
} else {
toupper_flag = 0;
while (recvlen > toupper_flag) {
recv_buf[toupper_flag] = toupper(recv_buf[toupper_flag]);
++toupper_flag;
}
printf("[%s]Response Toupper Successfully!\n", clientip);
SEND(client_array[i], recv_buf, recvlen, 0);
bzero(recv_buf, sizeof(recv_buf));
}
} else if (recvlen == 0) {
FD_CLR(client_array[i], &set); // 删除监听
close(client_array[i]);
client_array[i] = -1;
printf("Client is Exiting, Delete Listen Item.\n");
}
FD_CLR(client_array[i],&oset);//处理完毕,清理就绪集合
break;
}
}
}
ready--;
}
}
printf("Server is Over\n");
close(serverFd);
return 0;
}
Client.c
cpp
#include "MySock.c"
//客户端源码编写,连接服务器成功,服务器反馈信息
#define _IP "xxx.xxx.xxx.xxx"
#define _PORT 8080
int main()
{
struct sockaddr_in ServerAddr;
bzero(&ServerAddr,sizeof(ServerAddr));
ServerAddr.sin_family=AF_INET;
ServerAddr.sin_port=htons(_PORT);
inet_pton(AF_INET,_IP,&ServerAddr.sin_addr.s_addr);
int Myfd=SOCKET(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
//看需求决定是否要绑定
char Response[1024];//存放服务端反馈信息
ssize_t recvlen;
bzero(Response,sizeof(Response));
char sendbuf[1024];
if((CONNECT(Myfd,(struct sockaddr *)&ServerAddr,sizeof(ServerAddr)))==0)
{
while(1)
{
if((recvlen=RECV(Myfd,Response,sizeof(Response),0))>0)
{
printf("%s\n",Response);
}
printf("Please Type Some text:");//读取标准输入发送给服务端
FGETS(sendbuf,sizeof(sendbuf),stdin);
sendbuf[strcspn(sendbuf,"\n")]='\0';
SEND(Myfd,sendbuf,sizeof(sendbuf),0);
}
}
close(Myfd);
printf("Client is Over\n");
return 0;
}
运行结果
IO多路复用实现使用一个进程实现多个客户端的统一管理
select模式优缺点
优点
1.可以通过简单的代码实现一对多效果, 比较轻量
2.select模型拥有较强的兼容性,各个平台和语言都有实现
3.支持微秒级别的定时阻塞监听,如果对时间精度有需求,select可以满足
4.较为适合监听数量较小(局域网)等场景
缺点:
1.监听数量较小,最大只能监听1024,无法满足 高并发需求
2.轮询问题, 随着轮询数量的增长,IO处理性能呈线性下降
3.用户需要对传出传出监听集合进行分离设置
4.select只返回就绪的数量,没有反馈就绪的socket,需要用户自行遍历查找,开销较大
5.select可以监听的事件数量较少,select设置监听是批处理以集合为单位的无法对不同的socket 设置不同的事件监听
6.select多轮使用会出现大量重复的拷贝开销和挂载监听开销