I/O多路转接之select服务器

五种I/O模型

Unix共有五种I/O模型：

1. 阻塞式I/O
2. 非阻塞I/O
3. I/O复用（select和(e)poll）
4. 信号驱动I/O(SIGIO)
5. 异步I/O（Posix.1的aio_系列函数）

阻塞I/O模型

应用程序调用一个IO函数，导致应用程序阻塞，等待数据准备好。如果数据没有准备好，一直等待。数据准备好了，从内核拷贝到用户空间，表示IO结束，IO函数返回成功指示。

非阻塞I/O模型

我们把一个套接口设置为非阻塞就是告诉内核，当所请求的I/O操作无法完成时，不要将进程睡眠，而是返回一个错误。这样我们的I/O操作函数将不断的测试 数据是否已经准备好，如果没有准备好，继续测试，直到数据准备好为止。在这个不断测试的过程中，会大量的占用CPU的时间。

I/O复用模型

该种模型又被称作是多路转接，I/O复用模型会用到select或者poll函数，这两个函数也会使进程阻塞，但是和阻塞I/O所不同的的，这两个函数可以同时阻塞多个I/O操作。而且可以同时对多个读操作，多个写操作的I/O函数进行检测，直到有数据可读或可写时，才真正调用I/O操作函数。

信号驱动I/O模型

首先我们允许套接口进行信号驱动I/O,并安装一个信号处理函数，进程继续运行并不阻塞。当数据准备好时，进程会收到一个SIGIO信号，可以在信号处理函数中调用I/O操作函数处理数据。

异步I/O模型

调用aio_read函数，告诉内核描述字，缓冲区指针，缓冲区大小，文件偏移以及通知的方式，然后立即返回。当内核将数据拷贝到缓冲区后，再通知应用程序。也就是它只需要发起这个读写事件，不要等待与数据搬迁，只需要在结束之后得到成果。

I/O多路转接之select

系统提供select函数来实现多路复用输入/输出模型。select系统调用是用来让我们的程序监视多个文件句柄的状态变化的。 程序会停在select这里等待，直到被监视的文件句柄有一个或多个发生了状态改变。 关于文件句柄，其实就是一个整数，我们最熟悉的句柄是0、1、2三个，0是标准输入，1是标准输出，2是标准错误输出。0、1、2是整数示的，对应的FILE *结构的表示就是stdin、stdout、stderr。

select的优缺点

优点：
1、不需要建立多个线程、进程就可以实现一对多的通信。
2、可以同时等待多个文件描述符，效率比起多进程多线程来说要高很多

select高效的原因
首先要知道一个概念，一次I/O分两个部分（①等待数据就绪 ②进行I/O），减少等的比重，增加I/O的比重就可以达到高效服务器的目的。select工作原理就是这个，同时监控多个文件描述符（或者说文件句柄），一旦其中某一个进入就绪状态，就进行I/O操作。监控多个文件句柄可以达到提高就绪状态出现的概率，就可以使CPU在大多数时间下都处于忙碌状态，大大提高CPU的性能。达到高效服务器的目的。 可以理解为select轮询监控多个文件句柄或套接字。

缺点：
1、每次进行select都要把文件描述符集fd由用户态拷贝到内核态，这样的开销会很大。
2、实现select服务器，内部要不断对文件描述符集fd进行循环遍历，当fd很多时，开销也很大。
3、select能监控文件描述符的数量有限，一般为1024。（sizeof（fd_set） * 8 = 1024（fd_set内部是以位图表示文件描述符））

操作函数

1.重定向的dup函数

#include <unistd.h>int dup(int oldfd);int dup2(int oldfd, int newfd);

函数功能：
dup:将oldfd文件描述符进行一份拷贝，返回值为最新拷贝生成的文件描述符
dup2：使用newfd对oldfd文件描述符做一份拷贝，必要是可以先关闭newfd文件描述符
调用dup2之后，oldfd文件描述符不变，newfd和oldfd相等。
2.文件描述符集的四个函数：

#include<sys/time.h>#include<sys/types.h>#include<unistd.h>void FD_CLR(int fd,fd_set *set); ---- 将文件描述符fd从文件描述符集指针set指向的文件描述符集中清除掉int FD_ISSET（int fd，fd_set *set）; ---- 用来判断文件描述符fd是否在文件描述符集指针set指向的文件描述符集中。                                         - 存在 返回1；                                         - 不存在 返回0；void FD_SET(int fd,fd_set*set); ---- 将文件描述符fd设置进文件描述符集指针set指向的文件描述符集中。void FD_ZERO(int fd,fd_set*set); ----将文件描述符集指针set指向的文件描述符集清0。

3.select函数

#include<sys/time.h>#include<sys/types.h>#include<unistd.h>int select(int nfds,fd_set *readfds,fd_set *writefds,fd_set *execptfds,struct timeval *timeout)

函数功能：通过参数readfds,writefds,execptfds将要监控的文件描述符写入，就可以监控这些文件描述符。
参数：
(1) nfds：表示最大文件描述符+1，用来表示文件描述符的范围。
(2) readfds：表示指向读文件描述符集的指针
(3)writefds：表示指向写文件描述符集的指针.
(4)execptfds：表示指向错误输出文件描述符集的指针。
参数readfds,writefds,execptfds既是输入参数，又是输出参数。
输入：将要监控的文件描述符传给select
输出：将处于就绪状态的文件描述符返回。 （所以要在每次处理完一就绪事件后要将readfds,writefds,execptfd三个参数重置）
(4)timeout：表示超时时间限制。（有三种情况）
timeout也是一种输入输出两用参数，输入表示设定超时时间，输出表示超时时间还剩多少。

timeout是一个timeval结构体类型的指针。 结构如下：

struct timeval {    long    tv_sec;         /* seconds */  //表示秒    long    tv_usec;        /* microseconds */ //表示微秒};

我们可以通过设置上面结构体内两个元素的值来设定select的超时时间。
设置timeout的方法：

struct timeval time = {5,0}；//第一个值表示秒，第二个值表示微秒。   select（...，&time）；//超时时间为5秒

timeout的时间设定有三种情况：
① 上面示例的正常设定，设定一个正常的时间。等待一段时间，返回一次
②将时间设为0，—-表示一直轮询等待。或者说根本不等待，检查完描述符后不管有没有就绪立即返回
③传参时传为NULL，—-表示一直阻塞等待
返回值
select的返回值有三种，-1 —– 执行错误，0 —– timeout时间到达，其他 —– 正确执行，并且有就绪事件到达

代码实现

server.c

#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#include<sys/types.h>#include<sys/socket.h>#include<netinet/in.h>#include<arpa/inet.h>#include<sys/time.h>#include<unistd.h>#include<string.h>#define SIZE sizeof(fd_set)*8int readfds[SIZE];  //保存所有文件描述符的数组void Usage(const char* name){    printf("Usage:%s [IP] [port]\n",name);}int StartUp(const char* ip,int port){    int sock = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);    if(sock < 0)    {        perror("socket");        return 1;    }    struct sockaddr_in local;    local.sin_family = AF_INET;    local.sin_port = htons(port);    local.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip);    if(bind(sock,(struct sockaddr*)&local,sizeof(local)) < 0)    {        perror("bind");        return 2;    }    if(listen(sock,5) < 0)    {        perror("listen");        return 3;    }    return sock;}int main(int argc,char* argv[]){    //printf("hello\n");    if(argc != 3)    {        Usage(argv[0]);        return 4;    }    int sock = StartUp(argv[1],atoi(argv[2]));    int i = 0;    for(; i<SIZE; ++i)    {        readfds[i] = -1;//全部初始化为-1    }    readfds[0] = sock;    int max_fd = readfds[0]; //保存最大的文件描述符做select函数的参数    while(1)    {        fd_set rfds,wfds;        char buf[1024];        FD_ZERO(&rfds); //将文件描述符集指针指向的文件描述符集清零        int j = 0;        for(; j<SIZE; ++j)        {            if(readfds[j] != -1)                FD_SET(readfds[j],&rfds);//将文件描述符设置进文件描述符集指针指向的文件描述符集中            if(max_fd < readfds[j])                max_fd = readfds[j];        }        struct timeval timeout = {5,0};        switch (select(max_fd+1,&rfds,&wfds,NULL,&timeout))        {            case -1:                {                    perror("select");                    break;                }            case 0:                {                    printf("timeout...\n");                    break;                }            default:                {                    int k = 0;                    for(; k<SIZE; ++k)                    {                        if(readfds[k] == sock && FD_ISSET(readfds[k],&rfds))                        {                            struct sockaddr_in peer;                            socklen_t len = sizeof(peer);                            int newsock = accept(sock,(struct sockaddr*)&peer,&len);                            if(newsock < 0)                            {                                perror("accept");                                continue;                            }                            int l = 0;                            for(; l<SIZE; ++l)                            {                                if(readfds[l] == -1)                                {                                    readfds[l] = newsock;                                    break;                                }                            }                            if( l == SIZE)                            {                                printf("readfds is full\n");                                return 5;                            }                        }                        else if(readfds[k] > 0 && FD_ISSET(readfds[k],&rfds))                        {                            ssize_t s = read(readfds[k],buf,sizeof(buf)-1);                            if(s < 0)                            {                                perror("read");                                return 6;                            }                            else if(s == 0)                            {                                printf("client quit\n");                                readfds[k] = -1;                                close(readfds[k]);                                continue;                            }                            else                            {                                buf[s] = 0;                                printf("client # %s\n",buf);                                fflush(stdout);                                write(readfds[k],buf,strlen(buf));                            }                        }                    }                }                break;        }    }    close(sock);    return 0;}

client.c

#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#include<sys/types.h>#include<sys/socket.h>#include<netinet/in.h>#include<string.h>#include<unistd.h>void Usage(const char* name){    printf("Usage:%s [IP] [port]\n");}int main(int argc,char* argv[]){    if(argc != 3)    {        Usage(argv[0]);        return 1;    }    int sock = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);    if(sock < 0)    {        perror("socket");        return 2;    }    struct sockaddr_in local;    local.sin_family = AF_INET;    local.sin_port = htons(atoi(argv[2]));    local.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);    if(connect(sock,(struct sockaddr*)&local,sizeof(local)) < 0)    {        perror("connecct");        return 3;    }    printf("connect success\n");    char buf[1024];    while(1)    {        printf("client # ");        fflush(stdout);        ssize_t s = read(0,buf,sizeof(buf)-1);        if(s <= 0)        {            perror("read");            return 4;        }        else        {            buf[s-1] = 0;            int fd = dup(1);            dup2(sock,1);            printf("%s",buf);            fflush(stdout);            dup2(fd,1);        }        s = read(sock,buf,sizeof(buf)-1);        if(s == 0)        {            printf("server quit\n");            break;        }        else if(s < 0)        {            perror("read");            return 5;        }        else        {            buf[s] = 0;            printf("server #%s\n",buf);        }    }    close(sock);    return 0;}