Linux C IO复用

IO复用

  • 概述
  • IO模型
    • 阻塞式IO
    • 非阻塞式IO
    • IO复用
      • select、poll、epoll异同
    • 信号驱动式IO
    • 异步IO
  • select函数
    • select示例代码
  • poll函数
    • poll示例代码
  • epoll函数
    • 创建  epoll_create
    • 注册、修改、删除  epoll_ctl
    • 轮询 I/O 事件的发生  epoll_wait
    • epoll示例代码
  • 基于TCP和epoll在线多人聊天室服务器例子

概述

  什么是IO复用呢？I/O复用(I/O multiplexing)，指的是通过一个支持同时感知多个描述符的函数系统调用，阻塞在这个系统调用上，等待某一个或者几个描述符准备就绪，就返回可读条件。
  IO多路复用解决了什么问题呢？当多个客户端与服务器通信时，若服务器阻塞在其中一个客户的read(sockfd1,…)，当另一个客户数据到达sockfd2时，服务器无法及时处理，此时需要用到IO多路复用。即同时监听n个客户，当其中有一个发来消息时就从select的阻塞中返回，然后调用read读取收到消息的sockfd，然后又循环回select阻塞。这样就解决了阻塞在一个消息而无法处理其它的。即用来解决对多个I/O监听时,一个I/O阻塞影响其他I/O的问题。
  这时候大家可能会想到线程和进程也能做到这样的效果啊(基于tcp多线程在线聊天室例子)？但是，CPU切换进程和线程的成本是很高的，这也正是IO复用的优点，可以做到用更少的资源完成更多的事。

IO模型

在这里插入图片描述

阻塞式IO

  这种类型的IO会阻塞等待到有输入。这类IO大部分时间处于睡眠态、阻塞态、挂起态。优点是不占用 CPU 宝贵的时间片，但是同一时刻只能处理一个操作、效率比较低。
  如何理解呢？就像你在家里睡觉，等着你的外卖送到，送到了给你打电话你才起床去拿外卖。如果一次性到了很多外卖，你也只能一个电话一个电话去接听，然后挨着拿。
  应用场景多为多进程、多线程的TCP 并发服务器、客户端。

非阻塞式IO

  该种类型的IO需要程序轮询检测输入，如果有输入就调用IO进行读取数据。优点是提高了程序的执行效率，但是需要占用更多的 CPU 和系统资源，使得 CPU 负荷增高。
  我们还举外卖的例子。这种情况就像你非常饿，一直顶着配送地图，一分钟刷新一次地图，看看到了没，到了你就立即下楼去拿，拿完了继续刷新地图看看别的还有多久到。

IO复用

  这类IO采用阻塞式IO+组长机制。多路IO共用一个同步阻塞接口，任意IO可操作都可激活IO操作。它能同时等待多个文件描述符，而这些文件描述符其中的任意一个进入读就绪状态，函数就可以返回。
  IO复用包含了select、poll和epoll。其中select相当于你家楼下放外卖的桌子，你得自己挨个外卖看一遍，直达找到你的外卖。而epoll像外卖柜，你只要看一下手机就知道你的外卖在哪个柜子里面。

select、poll、epoll异同

相同之处：
1 . 都可以用于监听多个文件描述符的读写事件。
2 . 都是阻塞式的，即当没有任何事件发生时，它们都会一直阻塞等待。
3 . 都可以通过设置超时时间来控制阻塞等待的时间。
不同之处：
1 . select和poll使用轮询的方式来检查所有的文件描述符，而epoll使用回调的方式，只有在有事件发生时才会调用回调函数。
2 . select和poll的文件描述符集合是通过参数传递给函数的，而epoll使用epoll_ctl函数来注册和删除文件描述符，通过epoll_wait函数来等待事件。
3 . select和poll对于大量的文件描述符来说，性能会下降，因为每次都需要遍历整个文件描述符集合，而epoll使用红黑树来存储文件描述符，效率更高。
4 . select和poll支持的文件描述符数量有一定的限制，而epoll没有明确的限制。
  总的来说，epoll相对于select和poll来说，在处理大量的并发连接时性能更好，并且使用更方便。

信号驱动式IO

  注册一个IO信号事件，在数据可操作时通过SIGIO信号通知线程，这应该算是一种异步机制.

异步IO

  应用进程通知内核开始一个异步I/O操作，并让内核在整个操作（包含将数据从内核复制到应该进程的缓冲区）完成后通知应用进程。例如POSIX 的&IO _系列函数。

select函数

头文件：
  #include <sys/select.h>
  #include <sys/time.h>
  #include <sys/types.h>
  #include <unistd.h>
函数原型：int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
参数介绍：
  nfds：集合中所有文件描述符的范围，即所有文件描述符的最大值+1。
  readfds：监听的读事件文件描述符集合。
  writefds：监听的写事件文件描述符集合。
  exceptfds：意外文件描述符集合。
  timeout：
>    永远等待--空指针等待固定时间--timeval结构体内的时间

返回值：返回值是一个整数，表示有多少个文件描述符已经就绪。如果返回0，表示在指定的超时时间内没有任何文件描述符就绪；如果返回-1，表示发生错误。

//FD_CLR(inr fd,fd_set* set)；用来清除描述词组 set 中相关 fd 的位
//FD_ISSET(int fd,fd_set *set)；用来测试描述词组 set 中相关 fd 的位是否为真(遍历检测函数)
//FD_SET（int fd,fd_set*set）；用来设置描述词组 set 中相关 fd 的位
//FD_ZERO（fd_set *set）；用来清除描述词组 set 的全部位(在初始化时用到以免里面有垃圾值)fd_set readfds;FD_ZERO(&readfds);//清空FD_SET(socketfd,&readfds); //用来设置描述词组 set 中相关 socketfd-fd 的位fd_set changeReadfds = readfds;int count = select(nfds,&useChangeReadfds, NULL,NULL,0);

select示例代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/wait.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <time.h>
#include <sys/select.h>
typedef struct sockaddr  SA;
typedef struct sockaddr_in  SIN;
#define MAXBACKLOG   100int Socket(int domain,int type,int protocol);
int Bind(int sockfd,struct sockaddr * my_addr,int addrlen);
int Listen(int s,int backlog);
int Accept(int s,struct sockaddr * addr,int * addrlen);
void *  clientRecvDataFunction(void * arg);//运行格式 ./app 192.168.5.166  8888
int main(int argc,char *argv[])
{	int  opt =1;//建立监听套接字int socketfd = Socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);//需要进行重用地址及其端口号setsockopt(socketfd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&opt,sizeof(opt));//绑定信息编写服务器信息SIN   serverinfo;serverinfo.sin_family =AF_INET;		//协议IPV4serverinfo.sin_port   =htons(atoi(argv[2]));	//网络字节序(大端字节序)与主机字节序(小端字节序)  serverinfo.sin_addr.s_addr=  inet_addr(argv[1]);int addrlen = sizeof(SIN);Bind(socketfd,(SA*)&serverinfo,addrlen);//监听Listen(socketfd,MAXBACKLOG);//select函数参数填写int nfds = socketfd+1;fd_set readfds;		//栈区定义  先清空  再写入位FD_ZERO(&readfds);	//清空FD_SET(socketfd,&readfds); //用来设置描述词组set中相关socketfd-fd的位//读写while(1){fd_set useChangeReadfds = readfds;int count = select(nfds,&useChangeReadfds, NULL,NULL,0);if(count >0){//文件描述符socketfd调用acceptif(FD_ISSET(socketfd,&useChangeReadfds)){SIN clientinfo;int  clientaddrlen =sizeof(SA);int newfd = Accept(socketfd,(SA*)&clientinfo,&clientaddrlen);printf("客户端地址:%s 端口号:%d\n",inet_ntoa(clientinfo.sin_addr),ntohs(clientinfo.sin_port));//将新的文件描述符添加至readfdsFD_SET(newfd,&readfds);//调整检测范围newfd >= nfds?(nfds++):(nfds =nfds);}//文件描述符非socketfd调用readelse{for(int startFd = socketfd+1; startFd < nfds;startFd++){if(FD_ISSET(startFd,&useChangeReadfds)){//读取客户端发送来的数据char readbuff[512]={0};int len = read(startFd,readbuff,sizeof(readbuff));if(len > 0){printf("%d:%s\n",startFd,readbuff);}else if(len == 0){printf("%d:客户端退出\n",startFd);FD_CLR(startFd,&readfds);//存在弊端nfds不好调整close(startFd);}else if(len < 0){printf("%d:客户端异常退出\n",startFd);FD_CLR(startFd,&readfds);//存在弊端nfds不好调整close(startFd);}}}}}}//关闭close(socketfd);return 0;
}
int Socket(int domain,int type,int protocol)
{int socketFd = socket(domain,type,protocol);if(socketFd ==-1){perror("socket");exit(1);}return socketFd;
}
int Bind(int sockfd,struct sockaddr * my_addr,int addrlen)
{int val = bind(sockfd,my_addr,addrlen);if(val){perror("bind");exit(1);}return 0;
}
int Listen(int s,int backlog)
{int val = listen(s,backlog);if(val == -1){perror("listen");exit(1);}return val;
}
int Accept(int s,struct sockaddr * addr,int * addrlen)
{int NEWfd= accept(s,addr,addrlen);if(NEWfd == -1){perror("listen");exit(1);}return NEWfd;
}

poll函数

头文件：
  #include <poll.h>
函数原型：int poll(struct pollfd fd[], nfds_t nfds, int timeout);
参数介绍：
  fd[]：文件描述符结构体。
  nfds：指定结构体数组元素个数。
  timeout：
在这里插入图片描述

返回值：成功时 poll() 返回结构体中 revents 域不为 0 的文件描述符个数，如果在超时前没有任何事件发生，poll()返回 0。

//struct pollfd结构体内容
struct pollfd
{int fd; //文件描述符 所要检测的文件描述符short events; //请求的事件 检测文件描述符的事件short revents; //返回的事件（内核给的反馈）
};struct pollfd fds[1025];//清空结构体数组//清空结构体数组for(int i = 0;i < sizeof(fds)/sizeof(struct pollfd);i++){fds[i].fd = -1;}//初始化填入 socketfd;fds[0].fd = socketfd; //文件描述符fds[0].events = POLLIN; //读事件//nfds 用来指定第一个参数数组元素个数；int nfds = 1;int count = poll(fds,nfds, -1);

poll示例代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/wait.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <time.h>
#include <poll.h>
typedef struct sockaddr  SA;
typedef struct sockaddr_in  SIN;
#define MAXBACKLOG   100int Socket(int domain,int type,int protocol);
int Bind(int sockfd,struct sockaddr * my_addr,int addrlen);
int Listen(int s,int backlog);
int Accept(int s,struct sockaddr * addr,int * addrlen);
void *  clientRecvDataFunction(void * arg);//./app 192.168.5.166  8888
int main(int argc,char *argv[])
{	int  opt =1;//建立监听套接字int socketfd = Socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);//需要进行重用地址及其端口号setsockopt(socketfd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&opt,sizeof(opt));//绑定信息编写服务器信息SIN   serverinfo;serverinfo.sin_family =AF_INET;		//协议IPV4serverinfo.sin_port   =htons(atoi(argv[2]));serverinfo.sin_addr.s_addr=  inet_addr(argv[1]);int addrlen = sizeof(SIN);Bind(socketfd,(SA*)&serverinfo,addrlen);//监听Listen(socketfd,MAXBACKLOG);//pollt函数参数填写struct pollfd fds[1025];//清空结构体数组for(int i = 0;i < sizeof(fds)/sizeof(struct pollfd);i++){fds[i].fd = -1;}//初始化填入socketfd;fds[0].fd = socketfd;		//文件描述符fds[0].events = POLLIN;		//读事件//nfds用来指定第一个参数数组元素个数；int nfds = 1;//读写while(1){int count = poll(fds,nfds, -1);if(count > 0){//检查fds[0]的fd是否发生动作------>acceptif(fds[0].revents == POLLIN){SIN clientinfo;int  clientaddrlen =sizeof(SA);int newfd = Accept(socketfd,(SA*)&clientinfo,&clientaddrlen);printf("客户端地址:%s 端口号:%d\n",inet_ntoa(clientinfo.sin_addr),ntohs(clientinfo.sin_port));//需要将newfd放至fds中for(int i = 0; i < sizeof(fds)/sizeof(struct pollfd);i++){if(fds[i].fd == -1){fds[i].fd = newfd;			//文件描述符fds[i].events = POLLIN;		//读事件i >= nfds?(nfds++):(nfds =nfds);	//nfds与下标有联系break;}}}else{//检查fds[>0]的是否发送动作-------->readfor(int startfd = 1;startfd<nfds;startfd++){if(fds[startfd].revents == POLLIN){char readbuff[512]={0};int len = read(fds[startfd].fd,readbuff,sizeof(readbuff));if(len > 0){printf("%d:%s\n",fds[startfd].fd,readbuff);}else if(len == 0){printf("%d:客户端退出\n",fds[startfd].fd);//归位处理close(fds[startfd].fd);fds[startfd].fd=-1;}else if(len < 0){printf("%d:客户端异常退出\n",fds[startfd].fd);//归位处理close(fds[startfd].fd);fds[startfd].fd=-1;}}}}}}//关闭close(socketfd);return 0;
}
//下面的函数与select相同

epoll函数

创建  epoll_create

头文件：
  #include <sys/epoll.h>
函数原型：int epoll_create(int size)
参数介绍：
  size：标识这个监听的数目最大有多大。
返回值： 成功时，这些系统调用将返回非负文件描述符。如果出错，则返回-1，并且将errno设置为指示错误。

	int epollfd = epoll_create(1024);

注册、修改、删除  epoll_ctl

头文件：
  #include <sys/epoll.h>
函数原型：int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
参数介绍：
  epfd： epoll 专用的文件描述符。
  op：要进行的操作，EPOLL_CTL_ADD 注册、EPOLL_CTL_MOD 修改、EPOLL_CTL_DEL 删除。
  fd：关联的文件描述符。
  event：指向 epoll_event 的指针。
返回值：成功返回1，失败返回0.

//结构体 epoll_event 被用于注册所感兴趣的事件和回传所发生待处理的事件，定义如下：
typedef union epoll_data_t { //联合体void *ptr;int fd; //比较常用__uint32_t u32;__uint64_t u64;
} epoll_data_t;//保存触发事件的某个文件描述符相关的数据struct epoll_event {__uint32_t events; /* epoll event */epoll_data_t data; /* User data variable */
};
/*其中 events 表示感兴趣的事件和被触发的事件，可能的取值为：
EPOLLIN：表示对应的文件描述符可以读；
EPOLLOUT：表示对应的文件描述符可以写；
EPOLLPRI：表示对应的文件描述符有紧急的数可读；
EPOLLERR：表示对应的文件描述符发生错误；
EPOLLHUP：表示对应的文件描述符被挂断；
EPOLLET： ET 的 epoll 工作模式；*/struct epoll_event event;event.events = EPOLLIN; //事件成员event.data.fd = socketfd; //数据epoll_ctl(epollfd,EPOLL_CTL_ADD,socketfd, &event);

轮询 I/O 事件的发生  epoll_wait

头文件：
  #include <sys/epoll.h>
函数原型：int epoll_wait(int epfd,struct epoll_event * events,int maxevents,int timeout);
参数介绍：
  epfd：epoll 专用的文件描述符。
  events：回传处理事件的数组。
  maxevents：每次能处理的事件数。
  timeout：等待 I/O 事件发生的超时值。
返回值：返回发生的事件数，失败返回-1。

	int count = epoll_wait(epollfd,events,10,-1);

epoll示例代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/wait.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <time.h>
#include <sys/epoll.h>typedef struct sockaddr  SA;
typedef struct sockaddr_in  SIN;
#define MAXBACKLOG   100int Socket(int domain,int type,int protocol);
int Bind(int sockfd,struct sockaddr * my_addr,int addrlen);
int Listen(int s,int backlog);
int Accept(int s,struct sockaddr * addr,int * addrlen);
void *  clientRecvDataFunction(void * arg);//./app 192.168.5.166  8888
int main(int argc,char *argv[])
{	int  opt =1;//建立监听套接字int socketfd = Socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);//需要进行重用地址及其端口号setsockopt(socketfd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&opt,sizeof(opt));//绑定信息编写服务器信息SIN   serverinfo;serverinfo.sin_family =AF_INET;		//协议IPV4serverinfo.sin_port   =htons(atoi(argv[2]));serverinfo.sin_addr.s_addr=  inet_addr(argv[1]);int addrlen = sizeof(SIN);Bind(socketfd,(SA*)&serverinfo,addrlen);//监听Listen(socketfd,MAXBACKLOG);//epollt创建根节点int epollfd = epoll_create(1024);//添加socketfd文件描述符至内核 红黑树struct epoll_event event;event.events = EPOLLIN;			//事件成员event.data.fd = socketfd;		//数据epoll_ctl(epollfd,EPOLL_CTL_ADD,socketfd, &event);//读写while(1){struct epoll_event  events[10];int count = epoll_wait(epollfd,events,10,-1);if(count > 0){for(int i = 0; i< count;i++){if(events[i].events == EPOLLIN){if(events[i].data.fd==socketfd){//等待连接SIN clientinfo;struct epoll_event event;int  clientaddrlen =sizeof(SA);int newfd = Accept(socketfd,(SA*)&clientinfo,&clientaddrlen);printf("客户端地址:%s 端口号:%d\n",inet_ntoa(clientinfo.sin_addr),ntohs(clientinfo.sin_port));//需要将newfd放至红黑树中event.events = EPOLLIN;			//事件成员event.data.fd = newfd;			//数据epoll_ctl(epollfd,EPOLL_CTL_ADD,newfd, &event);}else{//readchar readbuff[512]={0};int len = read(events[i].data.fd,readbuff,sizeof(readbuff));if(len > 0){printf("%d:%s\n",events[i].data.fd,readbuff);}else if(len == 0){printf("%d:客户端退出\n",events[i].data.fd);epoll_ctl(epollfd,EPOLL_CTL_DEL,events[i].data.fd,NULL);close(events[i].data.fd);}else if(len < 0){printf("%d:客户端异常退出\n",events[i].data.fd);epoll_ctl(epollfd,EPOLL_CTL_DEL,events[i].data.fd,NULL);close(events[i].data.fd);}}}}}}//关闭close(socketfd);return 0;
}
//下面的函数与select相同

基于TCP和epoll在线多人聊天室服务器例子

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