I/O复用 —— select

作者前言：在学习i/o复用前，我们要清楚为什么要引出I/O复用，它的的作用是什么？什么是I/O复用？I/O复用是怎么实现的? ------- 想一想噢~

下面我来解释一下这些问题

I/O复用的作用

从进程线程的学习，到多进程多线程，再到进程池线程池，我们处理事件的效率越来越高，但是却有一个问题，一直都没有解决，那就是，当服务器分配了一个线程或进程为某一个客户端服务时，该进程或线程就相当于与这个客户端绑定了，除非客户端断开连接，否则不管有没有请求事件，这个线程或进程都只能为这个客户端处理事件。我们知道，系统允许我们创建的线程或进程是有限的，那么这样就会造成资源的浪费，所以我们需要实现一套机制，在客户端没有请求事件的时候，该进程或线程就可以去处理其他客户端的事件，也就是我们需要将多个文件描述符同时监听，当有请求时，去处理发出请求的客户端的事件。由此就有了I/O复用。

什么是I/O复用

I/O复用的本质就是一个线程监听多个文件描述符，我们可以这样理解，多线程多进程编程，就是老师对学生一对一辅导，但是不是所有时候学生都有问题，这样老师就会很闲，会浪费很大的师资力量，而I/O复用，就相当于一个老师辅导多个学生，学生有问题提出问题（发出请求事件），老师处理完就可以处理别的学生的问题了。那就有人说了，I/O理解起来太麻烦，我用循环，轮询一遍就能找到该处理哪个事件了，但是你见过有老师一个一个问学生你有问题吗，如果老师知道有人有问题就挨个问一遍，他还有力气处理问题么，同样的道理，我们的CPU那么忙碌，它是来处理事件的，又不是挨个打招呼的，所以我们就直接告知CPU处理哪个问题就ok啦。

通过上面举例，我们可以理解，I/O复用的两个优点（划重点、面试官会问的呐）

1. 它减少了进程或线程的创建数量，节省了我们的内存资源，使得资源更加高效的被利用。

2. 它减少了CPU的工作压力，CPU只需要做自己最擅长的事就好。

I/O复用的应用场景

1.客户端程序要同时处理多个socket。

2.客户端程序要同时处理用户输入和网络连接。

3.TCP服务器要同时处理监听socket和连接socket。

4.服务器要同时处理TCP请求和UDP请求。

5.服务器要同时监听多个端口，或者处理多种服务。

需要指出的是，I/O复用虽然能够同时监听多个文件描述符，但它本身是阻塞的。并且当多个文件描述符同时就绪时，如果不采取额外的措施，程序就只能按顺序依次处理其中的每一个文件描述符，这使得服务器程序看起来像是串行工作的。如果要实现并发，只能使用多进程或多线程等编程手段。

I/O复用的实现

在linux下I/O复用的实现主要有三个系统调用：select，poll，epoll（epoll为linux特有）

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。

select系统调用的原型：
#include<sys/select.h>
int select(int nfds,fd_set* readfds,fd_set* writefds,fd_set* exceptfds，struct timeval * timeout);

nfds:最大文件描述符的值+1
readfds:用户感兴趣的可读事件的文件描述符集合
writefds：可写事件的文件描述符集合
exceptfds：异常事件的文件描述符集合
timeout：设置超时时间，如果timeout为NULL，则select一直阻塞

返回值： >0 返回就绪文件描述符的个数
==0 超时
== -1 出错

用户程序必须自己保存所有的文件描述符

select每次都会将所有的文件描述符返回，返回后还必须循环探测具体哪些是就绪的文件描述符。

每次调用select都必须重新设置resdfds、writefds、exceptfds

fd_set结构体的定义 ----------> int fds[32]; 按位表示关注的文件描述符

每次最多可以监听1024个文件描述符，并且其最大值1023

文件描述符就绪条件：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<assert.h>
#include<sys/select.h>
#include<sys/socket.h>
#include<sys/types.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<netinet/in.h>//初始化维护的数组，用于保存文件描述符
void init_fd(int *fds,int len)
{int i = 0;for(; i < len ;++i){fds[i] = -1;}
}
//往维护的数组里面添加文件描述符
void insert_fd(int *fds,int fd,int len)
{int i = 0;for(;i < len ;++i){if(fds[i] == -1){fds[i] = fd;break;}}
}
//删除文件描述符
void delete_fd(int *fds,int fd,int len)
{int i = 0;for(; i < len ;++i){if(fds[i] == fd){fds[i] = -1;break;}}
}int main()
{int sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);assert(sockfd != -1);struct sockaddr_in saddr,caddr;memset(&saddr,0,sizeof(saddr));saddr.sin_family = AF_INET;saddr.sin_port = htons(6000);saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");int res = bind(sockfd,(struct sockaddr*)&saddr,sizeof(saddr));assert(res != -1);listen(sockfd,5);fd_set readfds;int fds[100];init_fd(fds,100);insert_fd(fds,sockfd,100);while(1){int maxfd = -1;FD_ZERO(&readfds);//先将文件描述符清空int i = 0;for(; i < 100;++i){if(fds[i] != -1){if(fds[i] > maxfd){maxfd = fds[i];}FD_SET(fds[i],&readfds);}}int n = select(maxfd+1,&readfds,NULL,NULL,NULL);if(n <= 0){printf("select fail\n");continue;}for(i = 0;i<100;++i){if(fds[i] != -1 && FD_ISSET(fds[i],&readfds)){if(fds[i] == sockfd)//客户链接{int len = sizeof(caddr);int c = accept(sockfd,(struct sockaddr *)&caddr,&len);if(c < 0){printf("one client over\n");continue;}insert_fd(fds,c,100);}else //客户请求{int fd = fds[i];char buff[128] = {0};int n = recv(fd,buff,127,0);if(n <= 0){delete_fd(fds,fd,100);close(fd);continue;}printf("%d : %s\n",fd,buff);send(fd,"OK",2,0);  }}}}
}

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