Linux服务器--I/O复用（select、poll、epoll）

一、select系统调用

1.selectAPI

原型：

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

【1】nfds参数指定被监听的文件描述符的总数。

【2】readfds，writefds，exceptfds分别指向可读，可写和异常等事件对应的文件描述符集合。通过这三个参数传入自己感兴趣的文件描述符；select调用返回时，内核将修改它们来通知应用程序哪些文件描述符已经就绪。三个参数都是fd_set结构指针类型：

#include <typesizes.h>#define __FD_SETSIZE 1024#include <sys/select.h>#define FD_SETSIZE __FD_SETSIZEtypedef long int __fd_mask;#undef __NFDBITS#define __NFDBITS (8*（int）sizeof(__fd_mask))typedef struct{#ifdef__USE_XOPEN__fd_maskfds_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;

fd_set结构体仅包含一个整型数组，该数组的每个元素的每一位标记一个文件描述符。fd_set能容纳的文件描述符由FD_SETSIZE指定，这就限制了select能同时处理的文件描述符的总量。
由于位操作太繁琐，可以使用下列的宏来访问fd_set结构体中的位：

#include <sys/select.h>FD_ZERO(fd_set *fdset)                     //清除fdset的所有位FD_SET(int fd, fd_set *fdset)              //设置fdset的位fdFD_CLR(int fd, fd_set *fdset)              //清除fdset的位fdint FD_ISDET (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。内核将修改它以告诉应用程序select等待了多久。

struct timeval{    long tv_sec;     //秒数    long tv_usec;    //微秒数}；

给timeout变量的两个成员都传递0，则select将立即返回。如果给timeout传递NULL，select将一直阻塞，直到某个文件描述符就绪。

【4】select成功时返回就绪（可读、可写、异常）文件描述符的总数。如果在超时时间内没有任何文件描述符就绪，select将返回0。失败返回-1并设置errno。如果在等待期间程序接收到信号，则select立即返回-1，并设置errno为EINTR.

2.文件描述符就绪条件

【1】socket可读：

• socket内核接收缓存区中的字节数大于或等于其低水位标记SO_RECVLOWAT.
• socket通信的对方关闭连接。此时对该socket的读操作返回0.
• 监听socket上有新的连接请求.
• socket上有未处理的错误.

【2】socket可写：

• socket 内核发送缓存区中的可用字节数大于或等于其低水位标记SO_SNDLOWAT.
  socket的写操作被关闭。对写操作被关闭的socket执行写操作将触发一个SIGPIPE信号.
  socket使用非阻塞connect连接成功或失败（超时）之后.
  socket上有未处理的错误.

网络程序中，select能处理的异常情况只有一种：socket上接收到带外数据

二、poll系统调用

原型:

#include <poll.h>int poll(struct pollfd* fds, nfds_t nfds, int timeout);

【1】fds参数是一个pollfd结构类型的数组，他指定所有我们感兴趣的文件描述符上发生的可读、可写和异常等事件。

struct pollfd{    int fd;             //文件描述符    short events;       //注册的事件    short  revents;     //实际发生的事件，由内核填充}

fd成员指定文件描述符；events成员告诉poll监听fd上的哪些事件，它是一系列事件的按位或；revents成员则由内核修改，以通知应用程序fd上实际发生了哪些事件。poll支持的事件类型如下：

通常，应用程序需要根据recv调用的返回值来区分socket上接收的是有效数据还是对方关闭连接的请求，并做相应的处理。GNU为poll系统调用增加了一个POLLRDHUP事件，它在socket上接收到对方关闭连接的请求之后触发。但使用时，需在代码最开始处定义__GNU__SOUREC.

【2】nfds参数指定被监听事件集合fds的大小，其类型定义如下：

typedef unsigned long int nfds_t;

【3】timeout参数指定poll的超时值，单位是毫秒。当timeout为-1时，poll调用将永远阻塞，直到某个事件发生；当timeout为0时，poll调用将立即返回。
poll系统调用的返回值含义与select相同。

三、epoll系列系统调用

1.内核事件表

【1】epoll把用户关心的文件描述符上的事件放在内核里的一个事件表中，所以用一个额外的文件描述符来唯一标识内核中的这个时间表。这个文件描述符使用如下epoll_create函数来创建：

#include<sys/epoll.h>int epoll_create(int size)

size参数现在并不起作用，只是给内核一个提示，告诉它事件需要多大。该函数返回的文件描述符将用作其他所有epoll系统调用的第一个参数，以指定要访问的内核事件表。

【2】操作epoll的内核事件表函数

#include <sys/epoll.h>int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event)

• fd参数是要操作的文件描述符；
• op参数指定操作类型，有如下三种：

EPOLL_CTL_ADD       //往事件表中注册fd上的事件             EPOLL_CTL_MOD       //修改fd上的注册事件EPOLL_CTL_DEL       //删除fd上的注册事件

• event参数指定事件，是epoll_event结构指针类型

struct epoll_event  {    uint32_t events;        //epoll事件  epoll_data_t data;      //用户数据};  

• events成员描述事件类型。epoll支持的事件类型和poll基本相同，标识epoll 事件类型的宏是在poll对应的宏前加上“E”。epoll还有两个额外的事件类型——-EPOLLET和EPOLLONESHOT。
• data成员用于存储用户数据，其类型epoll_data_t定义：

typedef union epoll_data{    void *ptr;      int fd;      uint32_t u32;      uint64_t u64;  } epoll_data_t;  

epoll_ctl成功时返回0，失败返回-1，并设置errno。

2.epoll_wait函数

在一段超时时间内等待一组文件描述符上的时间
原型：

#include<sys/epoll.h>int epoll_wait(int epfd,struct epoll_event* events,int maxevents,int timeout);

成功时返回就绪的文件描述符的个数，失败返回-1并设置errno

• timeout与poll借口的timeout参数含义相同。
• maxevents参数指定最多监听多少个事件，必须大于0.
• epoll_wait检测到事件，就将所有就绪的事件从内核表中复制到它第二个参数events指向的数组中。这个数组只用于输出epoll_wait检测到的就绪事件。

poll和epoll在使用上的区别

poll：int ret = poll(fds, MAX_EVENT_NUMBER, -1);for (int i = 0; i < MAX_EVENT_NUMBER; ++i)   //必须遍历一遍已注册的文件描述符{    if (fds[i].revents&POLLIN)     {        int sockfd =fds[i].fd;        //处理sockfd    }}

epoll：int ret = epoll_wait(epollfd, events, MAX_EVENT_NUMBER, -1);for (int i = 0; i < ret; i++)   //只需遍历就绪的ret个文件描述符    int sockfd = events[i].data.fd;    //处理sockfd    }}

3.LT/ET模式

【1】epoll对文件描述的操作有两种模式：LT(Level Trigger, 电平触发)模式和ET(Edge Trigger, 边沿触发)模式。

【2】默认工作模式为LT模式，当往epoll内核事件表中注册一个文件描述符上的EPOLLET事件时，epoll就以ET模式来操作该文件描述符。ET模式是epoll的高效工作模式。

【3】LT模式的文件描述符，当epoll_wait检测到其上有事件发生并通知应用程序后，应用程序可以不立即处理该事件。这样，当应用程序下一次调用epoll_wait时，epoll_wait还会再次向应用程序通告此事件，直到该事件被处理。而ET模式下，当epoll_wait检测到其上有事件发生并通知应用程序后，应用程序必须立即处理该事件，后续将不再向应用程序通知。ET模式在很大程度上降低了同一个epoll事件被触发的次数

LT/ET模式区别代码

运行上面的代码，传输超过10字节大小的数据，结果如下：
LT模式

ET模式

4.EPOLLONESHOT模式

即使是ET模式下一个socket上某个事件还是可能被触发多次，比如一个线程在读取完socket上数据后去处理数据时，又有新数据可读，此时就会有另一个线程来读取这些数据，于是现在就是两个线程同时操作一个线程，这种情况就可以用EPOLLONESHOT事件处理
对于注册了EPOLLONESHOT事件的文件描述符，操作系统最多触发其上注册的一个可读、可写或异常事件，且只触发一次，除非使用epoll_ctl重置该文件描述符上注册的EPOLLONESHOT事件。

所以注册了EPOLLONESHOT事件的socket，被一个线程处理完后就要立即重置这个socket上的EPOLLONESHOT事件。