文章目录
- 1 五种I/O模型
- 1.1 阻塞I/O模型
- 1.2 非阻塞I/O模型
- 1.3 I/O复用模型
- 1.4 信号驱动I/O模型
- 1.5 异步I/O模型
- 2 select函数
- 3 select实战：实现多个套接字监听
- 3.1 客户端
- 3.2 服务端
- 3.3 实验结果
- 3.4 完整代码
在之前的网络编程中，我们遇到了一个问题：
-
客户端需要一边监听来自
stdin的键盘输入，一边监听来自服务端的消息 -
服务端要一边获取来自客户端的消息，一边
accept新的设备连接
也就是我们希望在一个或多个I/O条件准备就绪时，能够得到通知。在前面的文章中，我们使用Linux中的fork实现这些功能：利用fork实现服务端与多个客户端建立连接。但在Linux中还有一个I/O多路复用的概念，它由select和poll函数实现，这篇文章就来介绍一下多路复用的概念。
1 五种I/O模型
通常，一个输入操作有两个阶段：
- 等待数据准备就绪：等待数据在网络上到达，当数据包到达时，它被复制到内核的缓冲区中
- 将数据从内核复制到进程：将准备好的数据从内核缓冲区复制到应用程序缓冲区
下面来了解一下Linux中的五种I/O模型：
1.1 阻塞I/O模型
I/O的最常见模型是阻塞I/O模型。默认情况下，所有套接字都是阻塞的。用户通过调用recv/recvfrom/read等函数阻塞等待数据的到来，这些函数称为系统调用，会从应用程序中切换到内核中运行，在得到了一定的数据后返回到应用程序。如下图所示：
在上图中，进程调用recvfrom，系统调用在数据到达时将数据复制到应用程序缓冲区，然后返回。或者发生错误时也会返回，最常见的错误是系统调用被信号中断。
1.2 非阻塞I/O模型
当一个套接字被设置为非阻塞时，recv/recvfrom/read会立即返回，有数据则返回数据，而没数据也不会等待条件满足，而是立即返回一个错误EWOULDBLOCK。
对于前三次的recvfrom，没有要返回的数据，内核立即返回EWOULDBLOCK错误。 在第四次调用recvfrom时，一个数据报已准备好，它被复制到我们的应用程序缓冲区中，recvfrom成功返回。应用程序不断地轮询内核，以查看是否有某个操作准备就绪，这通常很占CPU的资源，一般很少使用。
当然除了用在读函数中，一个我实际中用到的例子是在connect函数中使用非阻塞。比如我们设备中有一个以太网，正常阻塞连接的话还需要以太网相关的驱动支持，如果在没插网线或者对端服务器不存在的情况下进行连接，根据不同内核代码的处理就会阻塞在connect函数十几二十秒再返回，而影响后面代码的执行。此时就可以设置为非阻塞，然后后续再监听套接字上是否有消息以判断是否连接成功。
1.3 I/O复用模型
I/O多路复用调用select或poll，然后阻塞在这两个系统调用中，而不是在实际的I/O系统调用中阻塞。
select可以监听多个套接字，当select返回时，表示某个套接字可读/写，我们就可以执行相应的操作。
1.4 信号驱动I/O模型
内核在描述符准备就绪时通过SIGIO信号通知应用层。如下图所示：
- 激活信号驱动模型： 应用程序通过系统调用(如
sigaction)向内核注册信号处理程序。信号处理程序是在特定事件发生时由内核调用的函数。对于信号驱动I/O，常用的信号包括SIGIO和SIGURG。 - 启用信号驱动套接字： 对于需要信号驱动的套接字，应用程序需要调用
fcntl系统调用，将套接字设置为非阻塞，并启用FASYNC标志。这样，当套接字上的I/O事件发生时，内核会发送相应的信号给应用程序。 - 事件发生时的处理： 当套接字上发生I/O事件时，内核会生成相应的信号(如
SIGIO)。这时，注册的信号处理程序将被调用。在信号处理程序中，应用程序可以执行必要的操作，比如读取数据、处理数据或通知主循环有关事件的发生。 - 异步通知： 信号驱动模型提供了一种异步通知的机制，使得应用程序可以继续执行其他任务而无需等待事件的发生。这与阻塞I/O模型不同，后者需要在等待事件时阻塞应用程序。
1.5 异步I/O模型
异步I/O由POSIX规范定义，它允许应用程序启动一个I/O操作，而无需等待这个操作完成。相比于阻塞I/O，异步I/O能够在I/O操作进行的同时执行其他任务，而不必一直等待数据的读取或写入完成。请参见下图示例：
- POSIX异步I/O函数： 在POSIX标准中，异步I/O由一组函数组成，这些函数的名称通常以
aio_或lio_开头，如aio_read、aio_write等。 - 启动异步操作： 应用程序通过调用异步I/O函数来启动I/O操作，通常需要指定文件描述符、缓冲区指针、缓冲区大小、文件偏移等参数。
- 通知机制： 异步I/O操作的关键特点是通知机制。应用程序可以指定在I/O操作完成时如何通知它，通常是通过信号、回调函数或事件通知等方式。
- 立即返回： 异步I/O函数通常是非阻塞的，它们在启动I/O操作后会立即返回，而不会等待操作完成。这使得应用程序能够继续执行其他任务。
- 适用场景： 异步I/O常用于需要处理大量并发I/O操作的情况，例如网络服务器或高性能的文件处理应用程序。通过异步I/O，程序能够更有效地利用系统资源，提高响应性能。
同步I/O(前四种都是同步I/O)操作会导致请求的进程被阻塞，直到该I/O操作完成。而异步I/O操作不会导致请求的进程被阻塞。
2 select函数
这里主要介绍一下select在网络编程的使用。select函数可以等待多个事件中的任何一个发生，并且仅在其中一个或多个事件发生时唤醒进程。这意味着我们告诉内核我们对哪些描述符感兴趣(用于读取、写入或异常条件)，以及等待的时间有多长。我们可以使用select监听任何描述符，而不仅限于套接字。
int select(int maxfdp1, fd_set *readset, fd_set *writeset, fd_set *exceptset,const struct timeval *timeout);
- maxfdp1 ：这是待测试的最大文件描述符值加一。它指定了被测试的文件描述符的范围。例如，如果最大的文件描述符是N，那么
maxfdp1的值应该是N + 1。这个参数告诉select要检查多少个文件描述符。 - readset ：这是一个指向
fd_set结构的指针，用于指定希望监视其可读性的文件描述符集合。如果readset中的任何一个文件描述符变得可读，select将返回。 - writeset： 类似于
readset，这是一个指向fd_set结构的指针，用于指定希望监视其可写性的文件描述符集合。如果writeset中的任何一个文件描述符变得可写，select将返回。 - exceptset： 同样是一个指向
fd_set结构的指针，用于指定希望监视其异常条件的文件描述符集合。如果exceptset中的任何一个文件描述符发生异常，select将返回。 - timeout：这是一个指向
struct timeval结构的指针，表示等待的最长时间。如果timeout为NULL，select将一直等待，直到有文件描述符就绪或出错。如果timeout不为NULL，则指定等待的最大时间，当超过这个时间后，即使没有文件描述符就绪，select也将返回。
select函数在成功时返回就绪文件描述符的总数，如果超时返回0，如果出错返回-1。可以通过检查readset、writeset和exceptset中的具体位来确定哪些文件描述符已经就绪。
这里的fd_set需要使用以下几个API来设置：
void FD_ZERO(fd_set *fdset); /* 清除fdset中的所有位 */
void FD_SET(int fd, fd_set *fdset); /* 置fdset中的某个位 */
void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset); /* 清除fdset中的某个位 */
int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset); /* 判断某个位是否被置 */
3 select实战：实现多个套接字监听
这里就来实现一个服务端和客户端的模型，从代码中来深入理解select函数的使用。
3.1 客户端
客户端需要能够监听标准输入stdin的消息，然后转发个服务端；还需要监听服务端的套接字，以接收服务端发来的消息。代码如下：
fd_set readfds;
while (1)
{FD_ZERO(&readfds); //清空读描述符FD_SET(STDIN_FILENO, &readfds); //设置标准输入描述符FD_SET(clientSocket, &readfds); //设置要监听的(服务端的)套接字/* 由于输入描述符为0,所以这里maxfdp1就为clientSocket+1 */select(clientSocket + 1, &readfds, NULL, NULL, NULL);//无限阻塞到有消息/* 判断哪个套接字上有消息 */if (FD_ISSET(STDIN_FILENO, &readfds)) {//标准输入有消息:发送给服务端fgets(buffer, BUFFER_SIZE, stdin);send(clientSocket, buffer, strlen(buffer), 0);}if (FD_ISSET(clientSocket, &readfds)) {//服务端套接字有消息:接收并打印出来memset(buffer, 0, sizeof(buffer));recv(clientSocket, buffer, BUFFER_SIZE, 0);printf("Server: %s", buffer);}
}
STDIN_FILENO是(通常为0)一个在头文件<unistd.h>中定义的宏，用于表示标准输入文件描述符的。除此之外还有标准输出的描述符STDOUT_FILENO(通常为1)和标准错误的描述符STDERR_FILENO(通常为2)。
3.2 服务端
服务端则是一边要accept新的客户端连接请求，一边接收来自客户端的消息并回显回去。代码如下：
#define BUFFER_SIZE 1024
int serverSocket, clientSockets[BUFFER_SIZE], maxSockets, activity, i, valread;
//serverSocket为服务端自身的套接字,代码略
maxSockets = serverSocket;
memset(clientSockets, 0, sizeof(clientSockets));//记录建立连接的客户端套接字,0表示没有使用
while (1)
{FD_ZERO(&readfds); //清空读描述符FD_SET(serverSocket, &readfds); //设置服务端套接字,用于accept客户端连接请求/* 设置所有已连接上的客户端的套接字 */for (i = 0; i < MAX_CLIENTS; i++){int clientSocket = clientSockets[i];if (clientSocket > 0){FD_SET(clientSocket, &readfds);if (clientSocket > maxSockets)//更新maxfdp1maxSockets = clientSocket;}}/* 监听套接字 */activity = select(maxSockets + 1, &readfds, NULL, NULL, NULL);/* 有新的客户端连接请求,这里accept它们 */if (FD_ISSET(serverSocket, &readfds)){int newSocket;socklen_t addrlen = sizeof(address);if ((newSocket = accept(serverSocket, (struct sockaddr*)&address, &addrlen)) < 0){perror("Accept failed");exit(EXIT_FAILURE);}printf("New connection, socket fd is %d, ip is : %s, port : %d\n", newSocket, inet_ntoa(address.sin_addr), ntohs(address.sin_port));/* 找一个数组中没使用的项目填入 */for (i = 0; i < MAX_CLIENTS; i++){if (clientSockets[i] == 0){clientSockets[i] = newSocket;break;}}}/* 处理所有连接上的客户端的消息 */for (i = 0; i < MAX_CLIENTS; i++){int clientSocket = clientSockets[i];if (FD_ISSET(clientSocket, &readfds)){valread = read(clientSocket, buffer, BUFFER_SIZE);/* 返回0表示客户端断开连接,这里也断开连接 */if (valread == 0){// Client disconnectedprintf("Host disconnected, socket fd is %d\n", clientSocket);close(clientSocket);clientSockets[i] = 0;}/* 将收到的客户端的消息回显给客户端 */else{buffer[valread] = '\0';printf("Received: %s", buffer);send(clientSocket, buffer, strlen(buffer), 0);}}}
}
3.3 实验结果
运行服务端程序，然后打开一个客户端程序发送hello，再打开一个客户端程序发送hi!，实验效果如下：
3.4 完整代码
客户端
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>#define BUFFER_SIZE 1024int main() {int clientSocket;struct sockaddr_in serverAddress;fd_set readfds;char buffer[BUFFER_SIZE];// Create client socketif ((clientSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {perror("Socket creation failed");exit(EXIT_FAILURE);}serverAddress.sin_family = AF_INET;serverAddress.sin_port = htons(8888);serverAddress.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");// Connect to serverif (connect(clientSocket, (struct sockaddr*)&serverAddress, sizeof(serverAddress)) < 0) {perror("Connection Failed");exit(EXIT_FAILURE);}printf("Connected to server\n");while (1) {FD_ZERO(&readfds);FD_SET(STDIN_FILENO, &readfds);FD_SET(clientSocket, &readfds);select(clientSocket + 1, &readfds, NULL, NULL, NULL);if (FD_ISSET(STDIN_FILENO, &readfds)) {// Read from stdin and send to serverfgets(buffer, BUFFER_SIZE, stdin);send(clientSocket, buffer, strlen(buffer), 0);}if (FD_ISSET(clientSocket, &readfds)) {// Read from server and printmemset(buffer, 0, sizeof(buffer));recv(clientSocket, buffer, BUFFER_SIZE, 0);printf("Server: %s", buffer);}}return 0;
}
服务端
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>#define MAX_CLIENTS 10
#define BUFFER_SIZE 1024int main() {int serverSocket, clientSockets[MAX_CLIENTS], maxSockets, activity, i, valread;int opt = 1;struct sockaddr_in address;fd_set readfds;char buffer[BUFFER_SIZE];// Create server socketif ((serverSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == 0) {perror("Socket creation failed");exit(EXIT_FAILURE);}// Set socket optionsif (setsockopt(serverSocket, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR | SO_REUSEPORT, &opt, sizeof(opt))) {perror("Setsockopt failed");exit(EXIT_FAILURE);}address.sin_family = AF_INET;address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;address.sin_port = htons(8888);// Bind the socketif (bind(serverSocket, (struct sockaddr*)&address, sizeof(address)) < 0) {perror("Bind failed");exit(EXIT_FAILURE);}// Listen for incoming connectionsif (listen(serverSocket, MAX_CLIENTS) < 0) {perror("Listen failed");exit(EXIT_FAILURE);}printf("Server listening on port 8888\n");maxSockets = serverSocket;memset(clientSockets, 0, sizeof(clientSockets));while (1) {FD_ZERO(&readfds);FD_SET(serverSocket, &readfds);for (i = 0; i < MAX_CLIENTS; i++) {int clientSocket = clientSockets[i];if (clientSocket > 0) {FD_SET(clientSocket, &readfds);if (clientSocket > maxSockets) {maxSockets = clientSocket;}}}activity = select(maxSockets + 1, &readfds, NULL, NULL, NULL);if (FD_ISSET(serverSocket, &readfds)) {// Handle new connectionint newSocket;socklen_t addrlen = sizeof(address);if ((newSocket = accept(serverSocket, (struct sockaddr*)&address, &addrlen)) < 0) {perror("Accept failed");exit(EXIT_FAILURE);}printf("New connection, socket fd is %d, ip is : %s, port : %d\n", newSocket, inet_ntoa(address.sin_addr), ntohs(address.sin_port));for (i = 0; i < MAX_CLIENTS; i++) {if (clientSockets[i] == 0) {clientSockets[i] = newSocket;break;}}}for (i = 0; i < MAX_CLIENTS; i++) {int clientSocket = clientSockets[i];if (FD_ISSET(clientSocket, &readfds)) {// Handle data from clientvalread = read(clientSocket, buffer, BUFFER_SIZE);if (valread == 0) {// Client disconnectedprintf("Host disconnected, socket fd is %d\n", clientSocket);close(clientSocket);clientSockets[i] = 0;} else {// Echo received message back to clientbuffer[valread] = '\0';printf("Received: %s", buffer);send(clientSocket, buffer, strlen(buffer), 0);}}}}return 0;
}
这里都没有判断select函数的返回值，我们最好也判断一下：
if (activity == -1) {// 错误发生if (errno == EINTR) continue;//继续下一次selectperror("select");exit(EXIT_FAILURE);
} else if (activity == 0) {// 超时
} else {// 有文件描述符准备好
}
- 当
select返回值-1且errno为EINTR时，表示select被中断。这通常是由于接收到信号而导致的中断。在这种情况下，你可以选择重新调用select。
