Linux IO模型（多路复用）

敲代码的鹏鹏2024-09-10 11:44

【1】Linux IO模型：IO多路复用

场景假设二

假设妈妈有三个孩子，分别不同的房间里睡觉，需要及时获知每个孩子是否醒了，如何做？

1.一直在一个房间呆着：看不到其他两个孩子

2.每个房间不停的看：可以但是超级无敌累

3.听孩子哭不哭：不可行，因为只有一个信号，分辨不出来哪个孩子哭

4.妈妈在客厅呆着睡觉，孩子醒了之后会自己出来告诉妈妈醒了：既可以休息，也可以及时的获取还是是否醒了

应用程序中同时处理多路输入输出流，若采用阻塞模式，得不到预期的目的；

● 若采用非阻塞模式，对多个输入进行轮询，但又太浪费CPU时间；

● 若设置多个进程/线程，分别处理一条数据通路，将新产生进程/线程间的同步与通信问题，使程序变得更加复杂；

● 比较好的方法是使用I/O多路复用技术 。其（select）基本思想是：

○ 先构造一张有关描述符的表（最大1024），然后调用一个函数。

○ 当这些文件描述符中的一个或多个 已准备好进行I/O时函数才返回。

○ 函数返回时告诉进程哪个描述符已就绪，可以进行I/O操作。

select

1.特点
  1. 一个进程最多可以监听1024个文件描述符
  2. select每次被唤醒之后，要重新轮询表，效率低
  3. select每次都会清空未发生响应的文件描述符，每次都要经过用户空间拷贝内核空间，效率低，开销大
2.编程步骤
  1. 构造一张关于文件描述符的表
  2. 清空表 FD_ZERO
  3. 将关心的文件描述符添加到表中 FD_SET
  4. 调用select函数，监听 select
  5. 判断到底是哪一个或者是哪些文件描述符发生了事件 FD_ISSET
  6. 做对应的逻辑处理
3.函数接口
复制代码 
int` `select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,`
`           fd_set *exceptfds,` `struct` `timeval` `*timeout);`
`功能：`
`	实现IO的多路复用`
`参数：`
`	nfds：关注的最大的文件描述符+1`
`    readfds：关注的读表`
`	writefds：关注的写表 `
`	exceptfds：关注的异常表`
`	timeout：超时的设置`
		`NULL：一直阻塞，直到有文件描述符就绪或出错`
`		时间值为0：仅仅检测文件描述符集的状态，然后立即返回`
`		时间值不为0：在指定时间内，如果没有事件发生，则超时返回0，并清空设置的时间值`

`struct` `timeval` `{`
    `long tv_sec;`		`/* 秒 */`
    `long tv_usec;`	`/* 微秒 = 10^-6秒 */`
`};`

`返回值：`
`	成功：准备好的文件描述符的个数`
`	失败：-1` 
	`0：超时检测时间到并且没有文件描述符准备好	`

`注意：`
`	select返回后，关注列表中只存在准备好的文件描述符`
`操作表：`
`void` `FD_CLR(int fd, fd_set *set);` `//清除集合中的fd位`
`void` `FD_SET(int fd, fd_set *set);//将fd放入关注列表中`
`int`  `FD_ISSET(int fd, fd_set *set);//判断fd是否在集合中  是--》1   不是---》0`
`void` `FD_ZERO(fd_set *set);//清空关注列表`
`

练习：

练习一：输入鼠标的时候， 响应鼠标事件， 输入键盘的时候， 响应键盘事件 (两路IO)

复制代码 
#include <stdio.h>`
`#include <sys/select.h>`
`#include <sys/time.h>`
`#include <sys/types.h>`
`#include <unistd.h>`
`#include <sys/stat.h>`
`#include <fcntl.h>`
`#include <string.h>`

`int` `main(int argc,` `char` `const` `*argv[])`
`{`
    `char buf[128]` `=` `{0};`
    `int fd =` `open("/dev/input/mouse0", O_RDONLY);`
    `if` `(fd <` `0)`
    `{`
        `perror("open err");`
        `return` `-1;`
    `}`
    `// 1.构造一张关于文件描述符的表`
`    fd_set rfds;`
    `while` `(1)`
    `{`
        `// 2.清空表 FD_ZERO`
        `FD_ZERO(&rfds);`
        `// 3.将关心的文件描述符添加到表中 FD_SET`
        `FD_SET(fd,` `&rfds);` `// 鼠标`
        `FD_SET(0,` `&rfds);`  `// 键盘`

        `// 4.调用select函数，监听 select`
        `int ret =` `select(fd +` `1,` `&rfds,` `NULL,` `NULL,` `NULL);`
        `if` `(ret <` `0)`
        `{`
            `perror("select err");`
            `return` `-1;`
        `}`
        `// 5.判断到底是哪一个或者是哪些文件描述符发生了事件 FD_ISSET`
        `if` `(FD_ISSET(0,` `&rfds))`
        `{`
            `// 6.做对应的逻辑处理`
            `fgets(buf,` `sizeof(buf),` `stdin);`
            `printf("keybroad:%s\n", buf);`
        `}`
        `if` `(FD_ISSET(fd,` `&rfds))`
        `{`
            `read(fd, buf,` `sizeof(buf));`
            `printf("mouse:%s\n", buf);`
        `}`
        `memset(buf,` `0,` `sizeof(buf));`
    `}`
    `close(fd);`

    `return` `0;`
`}`

`

练习二：用select创建并发服务器，可以同时连接 多个客户端 （0，sockfd）（12min）

循环服务器：一个客户端可以连接多个客户端，但是不能同时

并发服务器：一个服务器可以同时处理多个客户端的请求

复制代码 
#include <stdio.h>`
`#include <sys/select.h>`
`#include <sys/time.h>`
`#include <sys/types.h>`
`#include <unistd.h>`
`#include <sys/stat.h>`
`#include <fcntl.h>`
`#include <string.h>`
`#include <sys/socket.h>`
`#include <netinet/in.h>`
`#include <netinet/ip.h>`
`#include <unistd.h>`
`#include <arpa/inet.h>`
`#include <stdlib.h>`

`int` `main(int argc,` `char` `const` `*argv[])`
`{`
    `char buf[128]` `=` `{0};`
    `int acceptfd, ret;`
    `int sockfd =` `socket(AF_INET, SOCK_STREAM,` `0);`
    `if` `(sockfd <` `0)`
    `{`
        `perror("socket err");`
        `return` `-1;`
    `}`
    `printf("sockfd:%d\n", sockfd);` `// 3`
    `// 2.指定网络信息---------------------------》有号码`
    `struct` `sockaddr_in saddr, caddr;`
`    saddr.sin_family = AF_INET;`            `// IPV4`
`    saddr.sin_port =` `htons(atoi(argv[1]));` `// 端口号`
    `// saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.50.13"); // 虚拟机IP`
    `// saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("0.0.0.0");`
`    saddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;`
    `int len =` `sizeof(caddr);`
    `// 3.绑定套接字（bind）------------------》绑定手机（插卡）`
    `if` `(bind(sockfd,` `(struct` `sockaddr` `*)&saddr,` `sizeof(saddr))` `<` `0)`
    `{`
        `perror("bind err");`
        `return` `-1;`
    `}`
    `printf("bind ok\n");`
    `// 4.监听套接字（listen）-----------------》待机`
    `if` `(listen(sockfd,` `6)` `<` `0)`
    `{`
        `perror("listen err");`
        `return` `-1;`
    `}`
    `printf("listen ok\n");`
    `// 1.构造一张关于文件描述符的表`
`    fd_set rfds, tempfds;`
    `int maxfd;` `// 保存最大的文件描述符`
    `// 2.清空表 FD_ZERO`
    `FD_ZERO(&rfds);`
    `FD_ZERO(&tempfds);`
    `// 3.将关心的文件描述符添加到表中 FD_SET`
    `FD_SET(sockfd,` `&rfds);` `// sockfd`
    `FD_SET(0,` `&rfds);`      `// 键盘`
    `while` `(1)`
    `{`
`        maxfd = sockfd;`
        `//将原来的表,复制给新表(备份表)`
`        tempfds = rfds;`
        `// 4.调用select函数，监听 select`
`        ret =` `select(maxfd +` `1,` `&tempfds,` `NULL,` `NULL,` `NULL);`
        `if` `(ret <` `0)`
        `{`
            `perror("select err");`
            `return` `-1;`
        `}`
        `// 5.判断到底是哪一个或者是哪些文件描述符发生了事件 FD_ISSET`
        `if` `(FD_ISSET(0,` `&tempfds))`
        `{`
            `// 6.做对应的逻辑处理`
            `fgets(buf,` `sizeof(buf),` `stdin);`
            `printf("keybroad:%s\n", buf);`
        `}`
        `if` `(FD_ISSET(sockfd,` `&tempfds))`
        `{`
`            acceptfd =` `accept(sockfd,` `(struct` `sockaddr` `*)&caddr,` `&len);`
            `if` `(acceptfd <` `0)`
            `{`
                `perror("accept err");`
                `return` `-1;`
            `}`
            `printf("port:%d ip:%s\n",` `ntohs(caddr.sin_port),` `inet_ntoa(caddr.sin_addr));`
            `printf("acceptfd:%d\n", acceptfd);`
        `}`
        `memset(buf,` `0,` `sizeof(buf));`
    `}`
    `close(sockfd);`

    `return` `0;`
`}`

`

练习三：用select创建并发服务器，可以与多个客户端进行通信 （监听键盘、socket、多个acceptfd）

复制代码 
#include <stdio.h>`
`#include <sys/select.h>`
`#include <sys/time.h>`
`#include <sys/types.h>`
`#include <unistd.h>`
`#include <sys/stat.h>`
`#include <fcntl.h>`
`#include <string.h>`
`#include <sys/socket.h>`
`#include <netinet/in.h>`
`#include <netinet/ip.h>`
`#include <unistd.h>`
`#include <arpa/inet.h>`
`#include <stdlib.h>`

`int` `main(int argc,` `char` `const` `*argv[])`
`{`
    `char buf[128]` `=` `{0};`
    `int acceptfd, ret;`
    `int sockfd =` `socket(AF_INET, SOCK_STREAM,` `0);`
    `if` `(sockfd <` `0)`
    `{`
        `perror("socket err");`
        `return` `-1;`
    `}`
    `printf("sockfd:%d\n", sockfd);` `// 3`
    `// 2.指定网络信息---------------------------》有号码`
    `struct` `sockaddr_in saddr, caddr;`
`    saddr.sin_family = AF_INET;`            `// IPV4`
`    saddr.sin_port =` `htons(atoi(argv[1]));` `// 端口号`
    `// saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.50.13"); // 虚拟机IP`
    `// saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("0.0.0.0");`
`    saddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;`
    `int len =` `sizeof(caddr);`
    `// 3.绑定套接字（bind）------------------》绑定手机（插卡）`
    `if` `(bind(sockfd,` `(struct` `sockaddr` `*)&saddr,` `sizeof(saddr))` `<` `0)`
    `{`
        `perror("bind err");`
        `return` `-1;`
    `}`
    `printf("bind ok\n");`
    `// 4.监听套接字（listen）-----------------》待机`
    `if` `(listen(sockfd,` `6)` `<` `0)`
    `{`
        `perror("listen err");`
        `return` `-1;`
    `}`
    `printf("listen ok\n");`
    `// 1.构造一张关于文件描述符的表`
`    fd_set rfds, tempfds;`
    `int maxfd;` `// 保存最大的文件描述符`
    `// 2.清空表 FD_ZERO`
    `FD_ZERO(&rfds);`
    `FD_ZERO(&tempfds);`
    `// 3.将关心的文件描述符添加到表中 FD_SET`
    `FD_SET(sockfd,` `&rfds);` `// sockfd`
    `FD_SET(0,` `&rfds);`      `// 键盘`
`    maxfd = sockfd;`
    `while` `(1)`
    `{`
        `// 将原来的表,复制给新表(备份表)`
`        tempfds = rfds;`
        `// 4.调用select函数，监听 select`
`        ret =` `select(maxfd +` `1,` `&tempfds,` `NULL,` `NULL,` `NULL);`
        `if` `(ret <` `0)`
        `{`
            `perror("select err");`
            `return` `-1;`
        `}`
        `// 5.判断到底是哪一个或者是哪些文件描述符发生了事件 FD_ISSET`
        `if` `(FD_ISSET(0,` `&tempfds))`
        `{`
            `// 6.做对应的逻辑处理`
            `fgets(buf,` `sizeof(buf),` `stdin);`
            `printf("keybroad:%s\n", buf);`
        `}`
        `if` `(FD_ISSET(sockfd,` `&tempfds))`
        `{`
`            acceptfd =` `accept(sockfd,` `(struct` `sockaddr` `*)&caddr,` `&len);`
            `if` `(acceptfd <` `0)`
            `{`
                `perror("accept err");`
                `return` `-1;`
            `}`
            `printf("port:%d ip:%s\n",` `ntohs(caddr.sin_port),` `inet_ntoa(caddr.sin_addr));`
            `printf("acceptfd:%d\n", acceptfd);`
            `// 将用于通信的文件描述符放到表中`
            `FD_SET(acceptfd,` `&rfds);`
            `if` `(acceptfd > maxfd)`
`                maxfd = acceptfd;`
            `// 4 5 6 7 8 9`
        `}`
        `for` `(int i = sockfd +` `1; i <= maxfd; i++)`
        `{`
            `if` `(FD_ISSET(i,` `&tempfds))`
            `{`
`                ret =` `recv(i, buf,` `sizeof(buf),` `0);`
                `if` `(ret <` `0)`
                `{`
                    `perror("recv err");`
                    `break;`
                `}`
                `else` `if` `(ret ==` `0)`
                `{`
                    `printf("client exit\n");`
                    `close(i);`         `// 关闭对应的用于通信的文件描述符`
                    `FD_CLR(i,` `&rfds);` `// 将文件描述符从原表中删除`
                    `//4 5 6    `
                    `while` `(!FD_ISSET(maxfd,` `&rfds))`
`                        maxfd--;`
                `}`
                `else`
                `{`
                    `printf("buf:%s\n", buf);`
                `}`
            `}`
        `}`
        `memset(buf,` `0,` `sizeof(buf));`
    `}`
    `close(sockfd);`

    `return` `0;`
`}`

`

超时检测

1.概念

什么是网络超时检测呢，比如某些设备的规定，发送请求数据后，如果多长时间后没有收到来自设备的回复，那么需要做出一些特殊的处理

比如: 链接wifi的时候，等了好长时间也没有连接上，此时系统会发送一个消息： 网络连接失败；

2.必要性
  1. 避免进程在没有数据时无限制的阻塞;

2.规定时间未完成语句应有的功能,则会执行相关功能;

poll

1.特点
  1. 优化了文件描述符的限制
  2. poll每次唤醒之后，需要重新轮询，效率低，耗费CPU
  3. poll不需要构造文件描述符的表，采用结构体数组，每次调用也要经过用户空间到内核空间的拷贝
2.编程步骤
  1. 创建结构体数组
  2. 将关心的文件描述符添加到数组中，并赋予事件
  3. 保存数组内最后一个有效元素的下标
  4. 调用poll函数，监听
  5. 判断结构体内文件描述符实际触发的事件
  6. 根据不同文件描述符触发的不同事件做对应的逻辑处理
3.函数接口
复制代码 
int` `poll(struct` `pollfd` `*fds, nfds_t nfds,` `int timeout);`
`功能: 监视并等待多个文件描述符的属性变化`
`参数：`
	  `1.struct` `pollfd` `*fds:   关心的文件描述符数组,大小自己定义`
`   若想检测的文件描述符较多,则建 立结构体数组struct` `pollfd fds[N];` 
           `struct` `pollfd{`
	                  `int fd;`	 `//文件描述符`
	             `short events;//等待的事件触发条件----POLLIN读时间触发`
	             `short revents;`	`//实际发生的事件(未产生事件: 0 ))`
                            `}`
	    `2.   nfds:    最大文件描述符个数`
	    `3.  timeout： 超时检测 (毫秒级)：1000` `==` `1s      `
`                    如果-1，阻塞          如果0,不阻塞`
`返回值：  <0 出错		>0 表示有事件产生;`
`              如果设置了超时检测时间：&tv	   ==0 表示超时时间已到;`

`

练习：

输入键盘事件，响应键盘事件，输入鼠标事件，响应鼠标事件（两路IO）

复制代码 
#include <stdio.h>`
`#include <poll.h>`
`#include <sys/time.h>`
`#include <sys/types.h>`
`#include <unistd.h>`
`#include <sys/stat.h>`
`#include <fcntl.h>`
`#include <string.h>`

`int` `main(int argc,` `char` `const` `*argv[])`
`{`
    `int ret;`
    `char buf[128]` `=` `{0};`
    `int fd =` `open("/dev/input/mouse0", O_RDONLY);`
    `if` `(fd <` `0)`
    `{`
        `perror("open err");`
        `return` `-1;`
    `}`
    `// 1.创建结构体数组`
    `struct` `pollfd fds[2];`
    `// 2.将关心的文件描述符添加到数组中，并赋予事件`
`    fds[0].fd =` `0;`          `// 键盘`
`    fds[0].events = POLLIN;` `// 想要发生的事件`
    `// fds[0].revents=;//实际发生的事件`

`    fds[1].fd = fd;`
`    fds[1].events = POLLIN;`
    `// 3.保存数组内最后一个有效元素的下标`
    `int last =` `1;`
    `// 4.调用poll函数，监听`
    `while` `(1)`
    `{`

`        ret =` `poll(fds, last +` `1,` `2000);`
        `if` `(ret <` `0)`
        `{`
            `perror("poll err");`
            `return` `-1;`
        `}`
        `else` `if` `(ret ==` `0)`
        `{`
            `printf("time out\n");`
        `}`
        `// 5.判断结构体内文件描述符实际触发的事件`
        `if` `(fds[0].revents == POLLIN)`
        `{`
            `// 6.根据不同文件描述符触发的不同事件做对应的逻辑处理`
            `fgets(buf,` `sizeof(buf),` `stdin);`
            `printf("keybroad:%s\n", buf);`
        `}`
        `if` `(fds[1].revents == POLLIN)`
        `{`
            `read(fd, buf,` `sizeof(buf));`
            `printf("mouse:%s\n", buf);`
        `}`
        `memset(buf,` `0,` `sizeof(buf));`
    `}`

    `close(fd);`

    `return` `0;`
`}`

`

练习：使用poll实现client的收发功能（下期更新答案）

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