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Linux下的I/O多路复用(I/O多路转接)

I/O 多路复用使得程序能同时监听多个文件描述符,能够提高程序的性能,Linux 下实现 I/O 多路用的系统调用主要有 select、poll 和 epoll。

select

  • 主旨思想:

    1. 首先要构造一个关于文件描述符的列表,将要监听的文件描述符添加到该列表中。

    2. 调用一个系统函数,监听该列表中的文件描述符,直到这些描述符中的一个或者多个进行I/O操作时,该函数才返回。

      a. 这个函数阻塞的

      b. 函数对文件描述符的检测的操作是由内核完成的

    3. 在返回时,它会告诉进程有多少(哪些)描述符要进行I/O操作。

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// sizeof(fd_set) = 128 1024 
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/select.h>
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,
fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
- 参数:
- nfds : 委托内核检测的最大文件描述符的值 + 1
- readfds : 要检测的文件描述符的读的集合,委托内核检测哪些文件描述符的读的属性
- 一般检测读操作
- 对应的是对方发送过来的数据,因为读是被动的接收数据,检测的就是读缓冲区
- 是一个传入传出参数
- writefds : 要检测的文件描述符的写的集合,委托内核检测哪些文件描述符的写的属性
- 委托内核检测写缓冲区是不是还可以写数据(不满的就可以写)
- exceptfds : 检测发生异常的文件描述符的集合
- timeout : 设置的超时时间

struct timeval {
long tv_sec; /* seconds */
long tv_usec; /* microseconds */
};
- NULL : 永久阻塞,直到检测到了文件描述符有变化
- tv_sec = 0 tv_usec = 0, 不阻塞
- tv_sec > 0 tv_usec > 0, 阻塞对应的时间

- 返回值 :
- -1 : 失败
- >0(n) : 检测的集合中有n个文件描述符发生了变化

// 将参数文件描述符fd对应的标志位设置为0
void FD_CLR(int fd, fd_set *set);
// 判断fd对应的标志位是0还是1, 返回值 : fd对应的标志位的值,0,返回0, 1,返回1
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set);
// 将参数文件描述符fd 对应的标志位,设置为1
void FD_SET(int fd, fd_set *set);
// fd_set一共有1024 bit, 全部初始化为0
void FD_ZERO(fd_set *set);

poll

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#include <poll.h> 
struct pollfd {
int fd; /* 委托内核检测的文件描述符 */
short events; /* 委托内核检测文件描述符的什么事件 */
short revents; /* 文件描述符实际发生的事件 */
};

struct pollfd myfd;
myfd.fd = 5;
myfd.events = POLLIN | POLLOUT;

int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
- 参数:
- fds : 是一个struct pollfd 结构体数组,这是一个需要检测的文件描述符的集合
- nfds : 这个是第一个参数数组中最后一个有效元素的下标 + 1
- timeout : 阻塞时长
0 : 不阻塞
-1 : 阻塞,当检测到需要检测的文件描述符有变化,解除阻塞
>0 : 阻塞的时长 -

- 返回值:
-1 : 失败
>0(n) : 成功,n表示检测到集合中有n个文件描述符发生变化

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epoll

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#include <sys/epoll.h> 
// 创建一个新的epoll实例。在内核中创建了一个数据,这个数据中有两个比较重要的数据,
//一个是需要检 测的文件描述符的信息(红黑树),还有一个是就绪列表,存放检测到数据发送
//改变的文件描述符信息(双向 链表)。
int epoll_create(int size);
- 参数:
size : 目前没有意义了。随便写一个数,必须大于0
- 返回值:
-1 : 失败
> 0 : 文件描述符,操作epoll实例的
typedef union epoll_data {
void *ptr;
int fd;
uint32_t u32;
uint64_t u64;
} epoll_data_t;

struct epoll_event {
uint32_t events; /* Epoll events */
epoll_data_t data; /* User data variable */
};

常见的Epoll检测事件:
- EPOLLIN
- EPOLLOUT
- EPOLLERR

// 对epoll实例进行管理:添加文件描述符信息,删除信息,修改信息
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
- 参数:
- epfd : epoll实例对应的文件描述符
- op : 要进行什么操作
EPOLL_CTL_ADD: 添加
EPOLL_CTL_MOD: 修改
EPOLL_CTL_DEL: 删除
- fd : 要检测的文件描述符
- event : 检测文件描述符什么事情

// 检测函数
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);
- 参数:
- epfd : epoll实例对应的文件描述符
- events : 传出参数,保存了发送了变化的文件描述符的信息
- maxevents : 第二个参数结构体数组的大小
- timeout : 阻塞时间
- 0 : 不阻塞
- -1 : 阻塞,直到检测到fd数据发生变化,解除阻塞
- > 0 : 阻塞的时长(毫秒)

- 返回值:
- 成功,返回发送变化的文件描述符的个数 > 0
- 失败 -1

epoll的工作模式:

  • LT 模式 (水平触发)

    假设委托内核检测读事件 -> 检测fd的读缓冲区

    读缓冲区有数据 - > epoll检测到了会给用户通知

    a. 用户不读数据,数据一直在缓冲区,epoll 会一直通知

    b. 用户只读了一部分数据,epoll会通知

    c. 缓冲区的数据读完了,不通知

    • LT(level - triggered)是缺省的工作方式,并且同时支持 block 和 no-block socket。在这种做法中,内核告诉你一个文件描述符是否就绪了,然后你可以对这个就绪的 fd 进行 IO 操作。如果你不作任何操作,内核还是会继续通知你的。
  • ET 模式(边沿触发)

    假设委托内核检测读事件 -> 检测fd的读缓冲区

    读缓冲区有数据 - > epoll检测到了会给用户通知

    a. 用户不读数据,数据一致在缓冲区中,epoll下次检测的时候就不通知了

    b. 用户只读了一部分数据,epoll不通知

    c. 缓冲区的数据读完了,不通知

    • ET(edge - triggered)是高速工作方式,只支持 no-block socket。在这种模式下,当描述符从未就绪变为就绪时,内核通过epoll告诉你。然后它会假设你知道文件描述符已经就绪,并且不会再为那个文件描述符发送更多的就绪通知,直到你做了某些操作导致那个文件描述符不再为就绪状态了。但是请注意,如果一直不对这个 fd 作 IO 操作(从而导致它再次变成未就绪),内核不会发送更多的通知(only once)。
    • ET 模式在很大程度上减少了 epoll 事件被重复触发的次数,因此效率要比 LT 模式高。epoll工作在 ET 模式的时候,必须使用非阻塞套接口,以避免由于一个文件句柄的阻塞读/阻塞写操作把处理多个文件描述符的任务饿死。
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struct epoll_event { 
uint32_t events; /* Epoll events */
epoll_data_t data; /* User data variable */
};

常见的Epoll检测事件:
- EPOLLIN
- EPOLLOUT
- EPOLLERR
- EPOLLET