Linux——I/O复用

 

缅怀Stevens大师。

最好的参考资料：

1.师从互联网。

2.UNP v1第6章 。

3,man select、man pselect、man epoll、man poll

第一条：概述

复用是个伟大的概念呀！什么是I/O复用（I/O multiplexing）呢？具体点就是当你编写的程序需要同时处理多个描数字（socket或file或device），你又不知道什么时候应该（比方说有数据可以读了）去操作（读/写）哪个描数字。这时候I/O复用就需要登场了。

 

UNPv1给出了定义。I/O复用是一种让进程预先“警告”内核能力，使得内核一旦发现进程预先告知时指定的一个或多个I/O条件（就是描述符）就绪（可以读/写了），内核就通知进程。linux有4个调用可实现I/O复用:select、poll继承自Unix系统。pselect是select到Posix版。epoll是linux2.6内核特有的。

第二条：I/O模型

(0)一般输入操作通常包含如下两个阶段，请谨记：

1、等待数据准备好。

2、内核到进程的数据拷贝。

(0.1)例如对于socket上的输入操作:

1、数据从网络到达，当数据到达时，收集到内核中相应的缓冲区。

2、从内核缓冲区拷贝数据到进程端口缓冲区中。

(1)UNPv1当中总结了Unix的I/O模型：

1、阻塞I/O：进程被阻塞I/O系统调用上(read、write、sendto、recvfrom等等)直到I/O条件就绪(可读/写或异常)处理完，处理后从I/O系统调用返回进程。

2、非阻塞I/O。就是采用轮询方式调用非阻塞I/O系统调用。

 

3、I/O复用。

4、多线程阻塞I/O。把要处理的描数字分配到多个线程中，每个线程独立地调用I/O系统调用，独立处理。

 

5、信号驱动I/O。类似于I/O复用，当I/O条件就绪时使用信号通知进程去调用I/O系统调用处理。

 

6、异步I/O。通过aio_read告诉内核怎么处理，我们就不管了，内核处理完了后发个信号告诉我们，也可以用其他方式在处理完通知我们。

注：I/O系统调用是否阻塞，仅取决于他们操作的描数字是否是阻塞的。fcntl可设定。

(2)这6种I/O模型分为2类：

同步I/O模型：第1～5 I/O模型。这5种I/O模型，说到底，I/O调用还是要用户进程自己调用，被阻塞。

异步I/O模型：第6种I/O模型。I/O调用由内核执行，进程不被阻塞。

 

Posix关于同步I/O（synchronous I/O操作、异步I/O（asynchronous I/O）操作这两个术语的定义如下：

 

同步I/O操作：导致请求进程阻塞，直到I/O操作完成。

 

异步I/O操作：不导致进程阻塞。

注：鉴别是否是异步I/O操作，只要看I/O操作是谁执行。

第三条：pselect、select

#include <sys/select.h>

(0)int pselect(int nfds, fd_set *restrict readfds, fd_set *restrict writefds, fd_set *restrict errorfds,

                              const struct timespec *restrict timeout, const sigset_t *restrict sigmask);//select的Posix版。

 

 

int select(int nfds, fd_set *restrict readfds, fd_set *restrict writefds, fd_set *restrict errorfds,             

 

                              struct timeval *restrict timeout);

(0.1)参数nfds：指定待测试描述字（就是描述符）的个数（不是最大值，概念上一定要区分），因为描述符是从0开始的，所以他的值就是待测试的最大描述符加1（多一个0）。

(0.2)参数readfds、writefds、errorfds：3个参数都是fd_set类型。这3个参数在函数调用地不同时段有两种用途：

(0.2.1)作为参数传入：我们把关心的描述符按照关心事件的事件类型分别放入其中。怎么放？见下。

(0.2.2)作为函数返回时的返回值：这3个参数装载这我们关心并且I/O条件就绪的描述符，未就绪的描述被清楚了。所以每次调用select时都要重新设置这三个参数，这非常重要。

(0.3)参数timeout：select和pselect中地类型，超时间类型分别：

/* POSIX.1b structure for a time value.  This is like a `struct timeval' but  has nanoseconds instead of microseconds.  */

struct timespec  {// 使用时加上-D__need_timespec

    __time_t tv_sec;/* Seconds.  */

    long int tv_nsec;/* Nanoseconds.  */纳秒。

  };

/* A time value that is accurate to the nearest microsecond but also has a range of years.  */  

struct timeval  {

    __time_t tv_sec;/* Seconds.  */

    __suseconds_t tv_usec;/* Microseconds.  */微妙。

  };

(0.4)参数sigmask：信号屏蔽掩码。

 

 

 

 

(1)描述符fd和描述符集合fdset操作宏：

void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset);//congfdset删除fd。

int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset);//测试fd是否在fdset当中

void FD_SET(int fd, fd_set *fdset);//向fdset添加fd

void FD_ZERO(fd_set *fdset);//清零，类似bzero。

(2)select的FD_SETSIZE限制。

现在的linux所能打开的描述符个数，只受内存和管理性的限制。但由于在select函数设计之初，select的内部实现参考了FD_SETSIZE,就是select最多能处理的描述符个数是FD_SETSIZE个，一般为1024。

/* Number of descriptors that can fit in an `fd_set'.  */

#define__FD_SETSIZE1024

 

第四条：poll

#include <poll.h>

(0)int poll(struct pollfd fds[], nfds_t nfds, int timeout);//epoll是poll的增强版

(0.1)参数fds是指向struct pollfd的数组。他是poll的核心。  

struct pollfd{/* Data structure describing a polling request.  *///每个描述符对应一个struct pollfd结构。

    int fd;/* File descriptor to poll.  *///我们关心的描述符。

    short int events;/* Types of events poller cares about.  */ //描述符关心的事件

    short int revents;/* Types of events that actually occurred.  *///poll返回时，返回描述符fd发生的时间。

  };

成员events和revents的值如下：

/* Event types that can be polled for.  These bits may be set in `events' to indicate the interesting event types; they will appear in `revents' to indicate the status of the file descriptor.  */

#define POLLIN0x001/* There is data to read.  *///可读

#define POLLPRI0x002/* There is urgent data to read.  *///带外数据到达

#define POLLOUT0x004/* Writing now will not block.  */可写

 

#if defined __USE_XOPEN || defined __USE_XOPEN2K8  /* These values are defined in XPG4.2.  *///很少用

# define POLLRDNORM0x040/* Normal data may be read.  *///一般数据可读

# define POLLRDBAND0x080/* Priority data may be read.  *///优先级带数据可读

# define POLLWRNORM0x100/* Writing now will not block.  *///一般数据可读

# define POLLWRBAND0x200/* Priority data may be written.  *///优先级数据可写

#endif

 

#ifdef __USE_GNU/* These are extensions for Linux.  */

# define POLLMSG0x400

# define POLLREMOVE0x1000

# define POLLRDHUP0x2000

#endif

 

/* Event types always implicitly polled for.  These bits need not be set in `events', but they will appear in `revents' to indicate the status of the file descriptor.  */

#define POLLERR0x008/* Error condition.  */错误

#define POLLHUP0x010/* Hung up.  */挂起

#define POLLNVAL0x020/* Invalid polling request.  *///无效描述符等

(0.2)参数nfds：指名数组大小。

(0.3)参数timeout：超时时间。取值如下，单位为毫秒：

INFTIM：永远等待。linux没有定义此值，手动定义为-1即可。

0：立即返回，不阻塞进程。

>0:等待指定毫秒数。

第五条：FAQ

1、epoll是poll的加强版。

 

 

2、poll没有select 的描述符上限限制。描述符个数上限只和内存大小结构，即内存中struct pollfd 的个数。