UNIX编程专题-I/O复用：select、pselect、poll和epoll解析

1.什么是I/O复用

进程需要一种预先告知内核的能力，使得内核一旦发现进程指定的一个或多个I/O条件就绪（输入已准备好被读取，或者描述符已能承接更多的输出），就会通知进程。这个能力称为I/O复用。

2.I/O复用的应用场合

• 当客户同时处理多个描述符（通常是交互式输入和网络套接字）时，必须使用I/O复用
• 一个客户同时处理多个套接字是可能的
• 如果一个TCP服务器既要处理监听套接字，又要处理已连接套接字，一般就要使用I/O复用
• 如果一个服务器既要处理TCP，又要处理UDP，一般就要使用I/O复用
• 如果一个服务器要处理多个服务或者多个协议，一般就要使用I/O复用。

3.I/O复用模型

select、poll都是系统调用

select调用后将被阻塞，等待数据报套接字变为可读。当select返回套接字可读这一条件时，调用recvfrom把所读数据复制到应用进程缓冲区

使用select的优势在于我们可以等待多个描述符就绪

相当于中间多了一层。I/O是否准备就绪管理层，进程受阻于此层的调用，一直到规定时间截止或者在管理层注册中的某个或多个事件发生。

4.在多线程中使用阻塞式I/O

与I/O复用密切相关的另一种I/O模型：多线程中使用阻塞式I/O,取代select阻塞在多个文件描述符，此模型使用多个线程（每个文件描述符一个线程），这样每个线程都可以自由地调用recvfrom之类的阻塞式I/O系统调用

5.描述符集的介绍及其相关操作

参见我的另一篇博文：点击此处

6.select函数详解

该函数允许进程指示内核等待多个事件的任何一个发生、并只在有一个或多个事件发生或经历一段指定的时间后才唤醒。

#include<sys/select.h>#include<sys/time.h>int select(int maxfdp1,fd_set *readset,fd_set *writeset,fd_set *exceptset,const struct timeval *timeout);//若有就绪描述符则为其数目，若超时则为0，若出错则为-1timeout:指定等待时间（可到微秒级，但不是很准）struct timeval{  long tv_sec; /*seconds*/  long tv_usec;/*microseconds*/}1.若把timeout设置为空指针，则select阻塞永远等待，仅在有一个描述符准备好I/O时才返回2.在有一个描述符准备好I/O时返回，但不超过该参数指定的时间3.不等待（传入timeval结构指针，指针指向的结构体变量都置为0）。检查描述符后立即返回，称为轮询readset writeset exceptset都是值-结果参数。我们每次重新调用select函数时，我们都得再次把所有描述符集内所关心的位均设置为1

7.pselect函数详解

此函数由POSIX定义。

#include<sys/select.h>#include<signal.h>#include<time.h>int pselect(int maxfdp1,fd_set *readfds,fd_set *writefds,fd_set *exceptfds,const struct timespec *tsptr,const sigset_t *sigmask);

pselect相对于select的两个变化：

1. pselect使用timespec结构，能指定到纳秒级（旧结构只能指定到微秒级）
2. pselect增加了指向信号集的指针sigmask（此时的信号集表示信号掩码）

3. pselect函数是一个 防止信号干扰的增强型 select函数（重点啊小哥们）

4. 对于pselect可使用一可选择的信号屏蔽字。若sigmask为空，那么在与信号有关的方面，pselect的运行状况和select相同。否则，sigmask指向一信号屏蔽字，在调用pselect时，以原子操作的方式安装该信号屏蔽字。在返回时恢复以前的信号屏蔽字。
   

用pselect()函数#include        <time.h>#include        <stdio.h>#include        <stdlib.h>#include        <signal.h>#include        <unistd.h>#include        <sys/select.h>#define BUFFSIZE 80
voidsig_int(int signo)  //SIGINT的信号处理函数{        char    s[] = "received";        psignal(signo, s);        return;}
 
void err_sys(const char *p_error) //错误包裹函数，内部调用exit强制退出{        perror(p_error);        exit(1);}
void sig_alrm(int signo) //SIGALRM信号处理函数{ char s[] = "receive"; psignal(signo, s); return;}intmain(int argc, char **argv){ int maxfdp1; fd_set rset; //文件描述符集 sigset_t sigmask; //信号集，用来设置信号屏蔽字 ssize_t nread; char buf[BUFFSIZE]; sigset_t sigset; struct sigaction act; // set SIGALRM signal handler act.sa_handler = sig_alrm; if (sigemptyset(&act.sa_mask) == -1) err_sys("sigemptyset"); act.sa_flags = 0; if (sigaction(SIGALRM, &act, NULL) == -1) err_sys("sigaction"); // initialize signal set and addition SIGALRM into sigset if (sigemptyset(&sigset) == -1) err_sys("sigemptyet"); if (sigaddset(&sigset, SIGALRM) == -1) err_sys("sigaddset"); alarm(1); FD_ZERO(&rset); FD_SET(STDIN_FILENO, &rset); maxfdp1 = STDIN_FILENO + 1; if (pselect(maxfdp1, &rset, NULL, NULL, NULL, &sigset) <= 0) err_sys("pselect error"); if (FD_ISSET(STDIN_FILENO, &rset)) { if ((nread = read(STDIN_FILENO, buf, BUFFSIZE)) == -1) err_sys("read error"); if (write(STDOUT_FILENO, buf, nread) != nread) err_sys("write error"); } exit(0);}上段代码如果没有CTRL+C送上一个SIGINT信号,将永远阻塞在与用户的交互上,ALARM产生的SIGALRM信号打断不了PSELECT,ALARM信号被成功屏蔽
8.poll函数详解
#include<poll.h>int poll(struct pollfd *fdarray,unisgned long nfds,int timeout);

poll功能与select类似，不过在处理流设备时，它能够提供额外的信息
struct pollfd{
int fd;              
short events;       
shot revents;
}


9.epoll函数详解（现今最常用的linux2.6及其之后内核支持）
具体参见我的另一篇博文：epoll机制详解

10.select、poll、epoll比较


notes;
当要保持很多的长连接，而且连接的开关很频繁的情况下，能够发挥epoll最大优势（高效的模型：非阻塞、异步IO模型）。不使用select/poll,这些函数机制复杂度O(N).
Linux2.6及其之后：使用epoll
BSD：使用kqueue
windows：IOCP
实际项目中我们使用libevent封装了统一接口（不同操作系统采用各个平台特有接口），这些平台特有API时间复杂度O(1)
在非阻塞、异步I/O模型下，我们需要亲自管理维护每个连接的状态，小心的对报文解析，为了充分利用CPU，还需采取线程池机制。




系统调用selectpollepoll函数原型int select(int nfds, fd_set* readfds, fd_set* writefds, fd_set* exceptfds, struct timeval* timeout)int poll(struct pollfd* fds, nfds_t nfds, int timeout)
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)
事件集合      统一处理所有事件类型，因此只需一个事件集参数。用户通过pollfd.events传入感兴趣的事件，内核通过修改pollfd.revents反馈其中就绪的事件     内核通过一个事件表直接管理用户感兴趣的所有事件。因此每次调用epoll_wait时，无须反复传入用户感兴趣的事件。epoll_wait系统调用的参数events仅用来反馈就绪的事件应用程序索引就绪文件描述符的事件复杂度O(n)O(n)O(1)最大文件描述符数一般有最大值限制（由FD_SETSIZE指定）系统允许打开的最大文件描述符数目系统允许打开的最大文件描述符数目工作模式Level TriggerLevel TriggerLevel/Edge Trigger内核实现和工作效率采用轮询方式来检测就绪事件，算法时间复杂度为O(n)采用轮询方式来检测就绪事件，算法时间复杂度为O(n)
采用回调方式来检测就绪事件，算法时间复杂度为O(1)。无论是select，poll还是epoll都需要内核把FD消息通知给用户空间，如何避免不必要的内存拷贝就很重要，在这点上，epoll是通过内核与用户空间mmap同一块内存实现的。
 epoll因为采用mmap的机制, 使得内核socket buffer和用户空间的buffer共享, 从而省去了socket data copy, 这也意味着, 当epoll回调上层的callback函数来处socket 数据时, 数据已经从内核层 "自动" 到了用户空间, 虽然和用poll 一样, 用户层的代码还必须要调用 read/write, 但这个函数内部实现所触发的深度不同了.
使用差别
fd_set read_fds;FD_ZERO(&read_fds);while(1){    FD_SET(connfd, &read_fds);    ret = select(connfd + 1, &read_fds, NULL, NULL, NULL);    if(FD_ISSET(connfd, &read_fds)){          //事件处理    } }
 
int ret = poll(fds, MAX_EVENT_NUMBER, -1）;for(int i = 0; i < MAX_EVENT_NUMBER; ++i){    if(fds[i].revents &POLLIN){        int sockfd = fds[i].fd;        //事件处理    }      }
 
int ret = epoll_wait(epollfd, events, MAX_EVENT_NUMBER, -1);for(int i = 0; i < ret; i++){    int sockfd = events[i].data.fd;    //事件处理}