I/O复用

I/O复用的功能就是同时监听多个文件描述符,这样的话程序性能就能得到大大提升。通常,网络程序在下列情况下需要使用I/O复用技术:

  • 服务端程序要同时处理多个socket。
  • 服务端程序要同时处理用户输入和网络连接。
  • TCP服务器要同时处理监听socket和连接socket。
  • 服务器要同时处理TCP请求和UPD请求。
  • 服务器要同时监听多个端口,或者处理多种服务。
    与多进程和多线程技术相比,I/O多路复用技术的最大优势是系统开销小,系统不必创建进程/线程,也不必维护这些进程/线程,从而大大减小了系统的开销。
    Linux下实现I/O复用的系统调用主要有select、poll和epoll现在我们来看看select。

select

作用:
用来让我们的程序监视多个文件句柄的状态变化。程序会停在select这里等待,知道被监视的文件句柄有一个或多个发生了状态变化。而文件句柄,其实就是一个整数,最熟悉的句柄是0(标准输入)、1(标准输出)、2(标准错误输出)。对应文件的stdin、stdout、stderr。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。

#include<sys/select.h>
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

参数:
1)nfds参数指定被监听的文件描述符的总数。它通常被设置为select监听的所有文件描述符中的最大值加1,因为文件描述符是从0开始计数。
2)readfds、wrutefds和exceptfds参数分别对应于需要检测的可读⽂件描述符的集合,可写⽂件描述符的集合及异常⽂件描述符的集合。select调用返回时,内核将修改它们来通知应用程序哪些文件文件描述符已就绪。三个参数都是fd_set结构指针类型。
fd_set结构定义在/usr/include/sys/select.h中,结构如下:

/* fd_set for select and pselect.  */
typedef struct{/* XPG4.2 requires this member name.  Otherwise avoid the namefrom 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;

可以看到fd_set结构就只是包含了一个数组,数组的每一个元素的每一bit位都对应一个文件描述符。另外可以看到fd_set所能容纳的文件描述符个数由FD_SETSIZE指定,这就限制了select能同时处理的文件描述符的总量。
FD_SETSIZE定义在/usr/include/bits/typesizes.h中:


/* Number of descriptors that can fit in an `fd_set'.  */
#define __FD_SETSIZE        1024

这是我自己linux下的FD_SETSIZE大小
另外位操作过于频繁,所以系统给我们提供了一系列宏来访问fd_set中的位

  • FD_ZERO(int fd,fd_set *fdset)//清零fdset所有位
  • FD_SET(int fd,fd_set *fdset) //设置fdset的位fd
  • FD_CLR(int fd,fd_set *fdset) //清除fdset的位fd
  • FD_ISSET(int fd,fd_set *fdset)//测试fdset的位fd是否被设置

3)timeout参数用来设置select函数的超时时间,也就是等待时间。timeval结构类型的指针,内核需要修改它告诉应用程序select等待了多久,所以采用指针做参数。
timeval结构体定义在/usr/include/time.h中,定义如下

 struct timeval
{  __time_t tv_sec;        /* Seconds. */  __suseconds_t tv_usec;  /* Microseconds. */
};  

首先需要知道select提供的是微秒级的定时方式。
如果给tv_sec和tv_usec都传递0,则select立即返回。
如果timeout传递NULL,则select将一直阻塞,知道某个文件描述符就绪。

返回值:若成功,返回就绪描述符总数。若失败,返回-1并设置errno。若timeout设置的时间内没有任何文件描述符就绪,则返回0。

select缺点

(1)每次调⽤select,都需要把fd集合从⽤户态拷贝到内核态,这个开销在fd很多时会很⼤
(2)同时每次调⽤select都需要在内核遍历传递进来的所有fd,这个开销在fd很多时也很⼤
(3)刚在select参数时候也看到了,select⽀持的⽂件描述符数量太⼩了,默认是1024

实例:
select_server.c

/*************************************************************************> File Name: server.c> Author: tian> function:select > Created Time: Fri 23 Jun 2017 12:45:42 AM PDT************************************************************************/
#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<netinet/in.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/time.h>
#include<string.h>
#define __SIZE__ 64
int gfds[__SIZE__];
void usage()
{printf("./server [local_ip] [local_port]\n");
}
int startup(const char *ip,int port)
{int sock=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if(sock<0){perror("socket");exit(2);}struct sockaddr_in server;server.sin_family=AF_INET;server.sin_port=htons(port);server.sin_addr.s_addr=inet_addr(ip);const int on=1;setsockopt(sock,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&on,sizeof(on));if(bind(sock,(struct sockaddr*)&server,sizeof(server))<0){perror("bind");exit(3);}return sock;
}
int main(int argc,char* argv[])
{if(argc!=3){usage();exit(1);}int listen_sock=startup(argv[1],atoi(argv[2]));if(listen(listen_sock,5)<0){perror("listen");exit(4);}int i=1;for(;i<__SIZE__;i++){gfds[i]=-1;              }gfds[0]=listen_sock;while(1){int max_fd=-1;fd_set rfds;FD_ZERO(&rfds);FD_SET(listen_sock,&rfds);int k=0;for(;k<__SIZE__;k++){if(gfds[k]>0){if(gfds[k]>max_fd)max_fd=gfds[k];FD_SET(gfds[k],&rfds);}}//forstruct timeval timeout={5,0};switch(select(max_fd+1,&rfds,0,0,&timeout)){case -1:{perror("select");break;}case 0:{printf("timeout...\n");continue;} default:{int j=0;for(;j<__SIZE__;j++){if(gfds[j]==-1)continue;else if(FD_ISSET(gfds[j],&rfds)) {if(j==0){struct sockaddr_in client;socklen_t len=sizeof(client);int new_fd=accept(listen_sock,(struct sockaddr*)&client,&len);/*pid_t id=fork();if(id==0){close(new_fd);exit(0);} */printf("get a new client,%s:%d\n",inet_ntoa(client.sin_addr),ntohs(client.sin_port));if(new_fd<0){perror("accept");continue;}int m=1;   for(;m<__SIZE__;m++){if(gfds[m]==-1)break;}if(m==__SIZE__){close(new_fd);printf("no\n");}else{gfds[m]=new_fd;}}if(j!=0){//other fd readychar buf[1024];while(1){ssize_t s=read(gfds[j],buf,sizeof(buf)-1);if(s>0){buf[s]='\0';printf("client[%d]: %s",j,buf);if(strncmp(buf,"quit",4)==0){printf("quit\n");break;}write(gfds[j],buf,strlen(buf));}else if(s==0){printf("client[%d] is quit!!!\n",j);close(gfds[j]);gfds[j]=-1;break;}elseperror("read");}}}else;}}break;}}//whileclose(listen_sock);return 0;
}

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