Linux系统编程-DAY11（多路复用IO）

比奇堡在逃帅哥2025-06-10 17:43

一、定义和概念

定义：单进程或单进程同时监测若干个文件描述符是否可以执行IO操作的能力

逻辑控制流在时间上的重叠叫做 并发

多路IO结局问题的开销比进线程都小

二、IO模型

1）阻塞IO

2）非阻塞IO EAGAIN 忙等待（CPU被占用）

3）信号驱动 IO

4）并行模型， 进程，线程

5）多路IO

三、多路IO

1.select（特征：轮询）

1>创建fd集合（可以理解为数组，大小一般为1024）

2>加入文件描述符

3>调用select（），等待时间到来

4>找到对应的fd，进行读写操作

5>标志位清0

函数原型：int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *wirtefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

nfs:最大文件描述符（也可以写1024）

fd_set *readfds：监测读

fd_set *wirtefds：监测写（一般写NULL）

fd_set *exceptfds：监测异常（一般写NULL）

struct timeval *timeout：超时控制（一般写NULL）

为了配合select函数执行，有如下宏函数：

void FD_CLR(int fd, fd_set *set);

功能：将指定的set集合中编号为fd的描述符号删除。

int FD_ISSET(int fd, fd_set *set);

功能：判断值为fd的描述符是否在set集合中，

如果在则返回真，否则返回假。

void FD_SET(int fd, fd_set *set);

功能：将指定的fd描述符，添加到set集合中。

void FD_ZERO(fd_set *set);

功能：将指定的set集合中所有描述符删除。

2.epoll（方便更快的查找）

1>创建fd集合（二叉树）

2>加入关心的文件描述符

3>epoll_wait

4>epoll把准备就绪的fd，放入rev集合中（这里的集合可以理解为数组）

struct epoll_event rev[10];

epoll_ctl 有很多结构体，epoll支持边缘触发

四、select poll epoll的区别

  1. select

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

void FD_CLR(int fd, fd_set *set);

int FD_ISSET(int fd, fd_set *set);

void FD_SET(int fd, fd_set *set);

void FD_ZERO(fd_set *set)；

  1. epoll

int epoll_create(int size)；

int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event)；

int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout)

3.epoll显著提高性能的前提是：监听大量描述符，并且每次触发事件的描述符文件非常少。

epoll的另外区别是：①epoll创建了描述符，记得close；②支持水平触发和边沿触发。

五、例题和代码

1.多路复用---非阻塞型

复制代码 
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <strings.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, char **argv)
{
  int ret = mkfifo("fifo", 0666);
  if (-1 == ret)
    {
      if (EEXIST != errno)
        {
          perror("mkfifo");
          return 1;
        }
    }


  int fd = open("fifo", O_RDONLY);
  if (-1 == fd)
    {
      perror("open fifo");
      return 1;
    }

  int flag = fcntl(fd, F_GETFL);
  fcntl(fd, F_SETFL, flag|O_NONBLOCK);

  flag = fcntl(fileno(stdin), F_GETFL);
  fcntl(0, F_SETFL, flag|O_NONBLOCK);
  while (1)
    {
      char buf[128] = {0};
      if(read(fd, buf, sizeof(buf))>0) //阻塞
      {
          printf("w:%s\n", buf);
      }

      if(fgets(buf, sizeof(buf), stdin) > 0)//阻塞
      {
          printf("fifo:%s", buf);
          fflush(stdout);
      }  
      
    }

  close(fd);
  // remove("fifo");
  // system("pause");
  return 0;
}

2.select---读文件

复制代码 
#include <asm-generic/errno-base.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <strings.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

int	main(int argc, char **argv)
{
    int ret = mkfifo("fifo", 0666);
    if(-1 == ret)
    {
        if(EEXIST != errno)
        {
            perror("mkfifo");
            return 1;
        }
    }

    int fd = open("fifo", O_RDONLY);
    if(-1 == fd)
    {
        perror("open fifo");
        return 1;
    }

    fd_set rd_set, tmpset;
    FD_ZERO(&rd_set);
    FD_ZERO(&tmpset);

    FD_SET(fd, &tmpset);
    FD_SET(0, &tmpset);

    while(1)
    {
        rd_set = tmpset;
        char buf[128] = {0};
        select(fd + 1, &rd_set, NULL, NULL, NULL);
        int i = 0;
        for(i = 0; i < fd + 1; ++i)
        {
            if(FD_ISSET(i, &rd_set) && 0 == i)
            {
                fgets(buf, sizeof(buf), stdin);
                printf("terminal:%s", buf);
            }
            if(FD_ISSET(i, &rd_set) && fd == i)
            {
                read(fd, buf, sizeof(buf));
                printf("fifo:%s\n", buf);
            }
        }
    }
    close(fd);
    return 0;
}

3.epoll---读文件

复制代码 
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <strings.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/epoll.h>

int add_fd(int epfd, int fd)
{
    struct epoll_event ev;
    ev.events = EPOLLIN;
    ev.data.fd = fd;
    int ret = epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &ev);
    if(-1 == ret)
    {
      perror("add fd");
      return 1;
    }
    return 0;
}

int main(int argc, char **argv)
{
  int ret = mkfifo("fifo", 0666);
  if (-1 == ret)
    {
      if (EEXIST != errno)
        {
          perror("mkfifo");
          return 1;
        }
    }

  int fd = open("fifo", O_RDONLY);
  if (-1 == fd)
    {
      perror("open fifo");
      return 1;
    }
    
    //1.create fd set
    int epfd = epoll_create(2);
    if(-1 == epfd)
    {
      perror("epoll_create");
      return 1;
    }

    //2.add fd to set
    struct epoll_event rev[2];
    add_fd(epfd, 0);
    add_fd(epfd, fd);
    
  while (1)
    {
      char buf[128] = {0};
      //3 wait event
      int ep_ret = epoll_wait(epfd, rev, 2, -1);
      int i;
      for(i = 0; i < ep_ret; ++i)
      {
        if(0 == rev[i].data.fd)
        {
            fgets(buf, sizeof(buf), stdin);
            printf("terminal:%s", buf);
        }
        else
        {
            read(fd, buf, sizeof(buf));
            printf("fifo:%s\n", buf);
        }
      }
    }

  close(fd);
  return 0;
}

4.tcp-select 服务器端

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

typedef struct sockaddr *(SA);
int	main(int argc, char **argv)
{
    int listfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);//监听套接字
    if(-1 == listfd)
    {
        perror("socket");
        return 1;
    }

    struct sockaddr_in ser, cli;// man 7 ip
    bzero(&ser, sizeof(ser));
    bzero(&cli, sizeof(cli));
    ser.sin_family = AF_INET;
    ser.sin_port = htons(50001);
    ser.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.0.119");

    int ret = bind(listfd, (SA)&ser, sizeof(ser));
    if(-1 == ret)
    {
        perror("bind");
        return 1;
    }

    listen(listfd, 3);
    fd_set rd_set, tmp_set;
    FD_ZERO(&rd_set);
    FD_ZERO(&tmp_set);

    FD_SET(listfd, &tmp_set);
    int max_fd = listfd;
    socklen_t len = sizeof(cli);

    while(1)
    {
        rd_set = tmp_set;
        select(max_fd + 1, &rd_set, NULL, NULL, NULL);
        int i;
        for(i = listfd; i < max_fd + 1; ++i)
        {
            if(FD_ISSET(i, &rd_set) && i == listfd) //i是否准备好，装到rd_set中
            {
                int conn = accept(listfd, (SA)&cli, &len);
                if(-1 == conn)
                {
                    perror("conn");
                    continue;
                }
                FD_SET(conn, &tmp_set);
                if(conn > max_fd)
                {
                    max_fd = conn;
                }
            }
            else if (FD_ISSET(i, &rd_set) && i != listfd)
            {
                int conn = i;
                char buf[256] = {0};
                ret = recv(conn, buf, sizeof(buf), 0);
                if(ret <= 0)
                {
                    FD_CLR(conn, &tmp_set);
                    close(conn);
                    printf("cli offline\n");
                    continue;
                }
                getpeername(conn, (SA)&cli, &len);
                printf("cli ip:%s port :%d  %s\n", inet_ntoa(cli.sin_addr),
                     ntohs(cli.sin_port), buf);
                time_t tm;
                time(&tm);
                struct tm *info = localtime(&tm);
                sprintf(buf, "%s %d:%d:%d\n",buf, info->tm_hour
                , info->tm_min, info->tm_sec);
                send(conn, buf, strlen(buf), 0);
            }
        }
        
    }
    
    // close(conn);
     close(listfd);
    return 0;
}

5.tcp-epoll 服务器端

复制代码 
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h> /* See NOTES */
#include <time.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/epoll.h>

typedef struct sockaddr *(SA);
int add_fd(int epfd, int fd)
{
    struct epoll_event ev;
    ev.events = EPOLLIN;
    ev.data.fd = fd;
    int ret = epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &ev);
    if(-1 == ret)
    {
      perror("add fd");
      return 1;
    }
    return 0;
}

int del_fd(int epfd, int fd)
{
    struct epoll_event ev;
    ev.events = EPOLLIN;
    ev.data.fd = fd;
    int ret = epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, fd, &ev);
    if(-1 == ret)
    {
      perror("add fd");
      return 1;
    }
    return 0;
}

int	main(int argc, char **argv)
{
    int listfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);//监听套接字
    if(-1 == listfd)
    {
        perror("socket");
        return 1;
    }

    struct sockaddr_in ser, cli;// man 7 ip
    bzero(&ser, sizeof(ser));
    bzero(&cli, sizeof(cli));
    ser.sin_family = AF_INET;
    ser.sin_port = htons(50001);
    ser.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.0.119");

    int ret = bind(listfd, (SA)&ser, sizeof(ser));
    if(-1 == ret)
    {
        perror("bind");
        return 1;
    }

    listen(listfd, 3);
    int epfd = epoll_create(10);
    if(-1 == epfd)
    {
        perror("epoll_create");
        return 1;
    }
    struct epoll_event rev[10];
    add_fd(epfd, listfd);
    socklen_t len = sizeof(cli);

    while(1)
    {
        int ep_ret = epoll_wait(epfd, rev, 10, -1);
        int i;
        for(i = 0; i < ep_ret; ++i)
        {
            if(listfd == rev[i].data.fd) 
            {
                int conn = accept(listfd, (SA)&cli, &len);
                if(-1 == conn)
                {
                    perror("conn");
                    continue;
                }
                add_fd(epfd, conn);
            }
            else 
            {
                int conn = rev[i].data.fd;
                char buf[256] = {0};
                
                getpeername(conn, (SA)&cli, &len);
                ret = recv(conn, buf, sizeof(buf), 0);
                if(ret <= 0)
                {
                    del_fd(epfd, conn);
                    close(conn);
                    printf("cli ip:%s port:%d offline\n", inet_ntoa(cli.sin_addr),
                         ntohs(cli.sin_port));
                    continue;
                }
                
                printf("cli ip:%s port :%d  %s\n", inet_ntoa(cli.sin_addr),
                     ntohs(cli.sin_port), buf);
                time_t tm;
                time(&tm);
                struct tm *info = localtime(&tm);
                sprintf(buf, "%s %d:%d:%d\n",buf, info->tm_hour
                , info->tm_min, info->tm_sec);
                send(conn, buf, strlen(buf), 0);
            }
        }
        
    }
    
    // close(conn);
     close(listfd);
    return 0;
}
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