Linux下的I/O多路复用select，poll，epoll浅析

转载：http://blog.csdn.net/u011573853/article/details/52105365

一，什么是I/O多路复用 
所谓的I/O多路复用在英文中其实叫 I/O multiplexing. 就是单个线程，通过记录跟踪每个I/O流(sock)的状态，来同时管理多个I/O流 。) 
I/O multiplexing 这里面的 multiplexing 指的其实是在单个线程通过记录跟踪每一个Sock(I/O流)的状态(对应空管塔里面的Fight progress strip槽)来同时管理多个I/O流. 发明它的原因，是尽量多的提高服务器的吞吐量 
如图 
 
二，多路复用的方式很多今天说一下select原理： 
select函数会等待，直到描述符句柄中有可用资源（可读、可写、异常）时返回，返回值是可用资源（可读/可写/异常等）描述符的个数(>0),0代表超时，-1代表错误。具体到内核大致是：当应用程序调用select() 函数, 内核就会相应调用 poll_wait()， 把当前进程添加到相应设备的等待队列上，然后将该应用程序进程设置为睡眠状态。直到该设备上的数据可以获取，然后调用wake_up()唤醒该应用程序进程。select每次轮训都会遍历所有描述符句柄。 
使用select模型的路径图如下 
 
三，函数 
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, 
fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout); 
nfds: 监控的文件描述符集里最大文件描述符加1,因为此参数会告诉内核检测前多少个文件描述符的状态 
readfds:监控有读数据到达文件描述符集合,传入传出参数 
writefds:监控写数据到达文件描述符集合,传入传出参数 
exceptfds:监控异常发生达文件描述符集合,如带外数据到达异常,传入传出参数 
timeout:定时阻塞监控时间,3种情况 
1.NULL,永远等下去 
2.设置timeval,等待固定时间 
3.设置timeval里时间均为0,检查描述字后立即返回,轮询 
struct timeval { 
long tv_sec; /* seconds */ 
long tv_usec; /* microseconds */ 
}; 
void FD_CLR(int fd, fd_set *set); 把文件描述符集合里fd清0 
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set); 测试文件描述符集合里fd是否置1 
void FD_SET(int fd, fd_set *set); 把文件描述符集合里fd位置1 
void FD_ZERO(fd_set *set); 把文件描述符集合里所有位清0

select函数执行结果：执行成功则返回文件描述词状态已改变的个数，如果返回0代表在描述词状态改变前已超过timeout时间，没有返回；当有错误发生时则返回-1，错误原因存于errno，此时参数readfds，writefds，exceptfds和timeout的值变成不可预测。错误 
值可能为： 
EBADF 文件描述词为无效的或该文件已关闭 
EINTR 此调用被信号所中断 
EINVAL 参数n 为负值。 
ENOMEM 核心内存不足 
要想理解好select模型就要理解好fd_set,为说明方便，取fd_set长度为1字节，fd_set中的每一bit可以对应一个文件描述符fd。则1字节长的fd_set最大可以对应8个fd。 
（1）执行fd_set set;FD_ZERO(&set);则set用位表示是0000,0000。 
（2）若fd＝5,执行FD_SET(fd,&set);后set变为0001,0000(第5位置为1) 
（3）若再加入fd＝2，fd=1,则set变为0001,0011 
（4）执行select(6,&set,0,0,0)阻塞等待 
（5）若fd=1,fd=2上都发生可读事件，则select返回，此时set变为0000,0011。注意：没有事件发生的fd=5被清空。 
基于上面的讨论，可以轻松得出select模型的特点： 
（1)可监控的文件描述符个数取决与sizeof(fd_set)的值。我这边服务器上sizeof(fd_set)＝128，每bit表示一个文件描述符，则我服务器上支持的最大文件描述符是128*8=1024。 
（2）将fd加入select监控集的同时，还要再使用一个数据结构array保存放到select监控集中的fd，一是用于再select返回后，array作为源数据和fd_set进行FD_ISSET判断。二是select返回后会把以前加入的但并无事件发生的fd清空，则每次开始 select前都要重新从array取得fd逐一加入（FD_ZERO最先），扫描array的同时取得fd最大值maxfd，用于select的第一个参数。 
（3）可见select模型必须在select前循环array（加fd，取maxfd），select返回后循环array（FD_ISSET判断是否有时间发生）。

四，优缺点 
1，简单，可以在多种系统上使用 
2，select能监听的文件描述符个数受限于FD_SETSIZE,一般为1024,单纯改变进程打开 
的文件描述符个数并不能改变select监听文件个数 
3，解决1024以下客户端时使用select是很合适的,但如果链接客户端过多,select采用的是轮询模型,会大大降低服务器响应效率,不应在select上投入更多精力 
五 案例 
server

#include<stdio.h>#include<unistd.h>#include<stdlib.h>#include<string.h>#include<netinet/in.h>#include<arpa/inet.h>#include<ctype.h>#define MAXLINE 80#define SERV_PORT 8000int main(int atgc,char*argv[]){    int i,maxi,maxfd,listenfd,connfd,sockfd;    int nready,client[FD_SETSIZE];    ssize_t n;    fd_set rset,allset;    char buf[MAXLINE];    char str[INET_ADDRSTRLEN];    socklen_t cliaddr_len;    struct sockaddr_in  cliaddr,servaddr;    listenfd  = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);    bzero(&servaddr,sizeof(servaddr));    servaddr.sin_family = AF_INET;    servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);    servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);    bind(listenfd,(struct sockaddr*)&servaddr,sizeof(servaddr));    listen(listenfd,20);    maxfd = listenfd;    maxi = -1;    for(i =0;i<FD_SETSIZE;i++){        client[i] = -1;    }    FD_ZERO(&allset);    FD_SET(listenfd,&allset);    for(;;){        rset = allset;        nready = select(maxfd+1,&rset,NULL,NULL,NULL);        if(nready < 0){            printf("select error \n");            exit(1);        }        if(FD_ISSET(listenfd,&rset)){            cliaddr_len = sizeof(cliaddr);            connfd = accept(listenfd,(struct sockaddr*)&cliaddr,&cliaddr_len);            printf("received from %s at PORT %d \n",inet_ntop(AF_INET,&cliaddr.sin_addr,str,sizeof(str)),ntohs(cliaddr.sin_port));            for(i=0;i<FD_SETSIZE;i++)                if(client[i]<0){                    client[i]=connfd;                    break;                }            if(i==FD_SETSIZE){                printf("too many clients\n");                exit(1);            }            FD_SET(connfd,&allset);            if(connfd>maxfd)                maxfd = connfd;            if(i>maxi)                maxi = i;            if(--nready==0)                continue;        }        for(i=0;i<=maxi;i++){            if((sockfd = client[i])<0)                continue;            if(FD_ISSET(sockfd,&rset)){                if((n=read(sockfd,buf,MAXLINE))==0){                    close(sockfd);                    FD_CLR(sockfd,&allset);                    client[i]=-1;                }else{                    int j;                    for(j=0;j<n;j++)                        buf[j]=toupper(buf[j]);                    write(sockfd,buf,n);                }                if(--nready ==0)                    break;            }        }    }    close(listenfd);    return 0;}
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client

#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#include<unistd.h>#include<arpa/inet.h>#include<netinet/in.h>#include<string.h>#define MAXLINE 80#define SERV_PORT 8000int main(int argc,char *argv[]){    struct sockaddr_in servaddr;    char buf[MAXLINE];    int sockfd,n;    sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);    bzero(&servaddr,sizeof(servaddr));    servaddr.sin_family = AF_INET;    inet_pton(AF_INET,"192.168.1.103",&servaddr.sin_addr);    servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);    connect(sockfd,(struct sockaddr*)&servaddr,sizeof(servaddr));    while(fgets(buf,MAXLINE,stdin)!=NULL){        write(sockfd,buf,strlen(buf));        n = read(sockfd,buf,MAXLINE);        if (n==0){            printf("the other ha closed\n");            break;            }        else            write(STDOUT_FILENO,buf,n);    }    close(sockfd);    return 0;}
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