[Linux网络编程]06-I/O多路复用策略---select，poll分析解释，优缺点，实现IO多路复用服务器

一.I/O多路复用

I/O多路复用是一种用于提高系统性能的 I/O 处理机制。
它允许一个进程（或线程）同时监视多个文件描述符（可以是套接字、管道、终端设备等），等待这些文件描述符中出现读、写或异常状态。一旦有满足条件的文件描述符状态发生变化，进程（或线程）就能立即得到通知并进行相应的 I/O 操作处理。

在这里插入图片描述
在socket编程阶段,未接触IO多路复用前，服务器需要阻塞在accept函数上，直到等待客户端通过connect发起连接请求，才执行接下来的逻辑。
而使用IO多路复用，可以先监听是否有客户端的连接操作，再执行accept，从而不再使服务器阻塞在accept上。还可监视客户端的读写交互操作以及异常操作，执行对应逻辑。

二.select

1.功能：
select去监听客户端连接(lfd)，当有客户端进行连接时 它会让server去调用accept(当有连接时才去立即调用，而不是一直阻塞等待)，accept返回一个用于通信的cfd，将其加入select监听集合，使其监管着lfd(监听socket)和所有cfd(通信socket)。
在这里插入图片描述2.函数解析
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeva l *timeout);
加以解释：
select(监听最大文件描述符+1，读监听fd集合，写监听fd集合，异常监听fd集合，等待时长)
//
● nfds：监听的所有文件描述符中，最大文件描述符+1；
● readfds：fd_set类型，读 文件描述符监听集合。传入传出参数，传入的fd会被监听，传出时返回实际发生事件的fd，未发生对应事件的被剔除。
● writefds：fd_set类型，写 文件描述符监听集合。传入传出参数，传入传出同上，通常传NULL
● exceptfds：fd_set类型，异常 文件描述符监听集合。传入传出参数，传入传出同上，通常传NULL
● timeout：大于0表示设置监听时长，NULL表示阻塞监听，0表示非阻塞监听 while轮询
//
返回值:
● 大于0：所有监听集合(读、写、异常)中满足对应事件的总数
● 0：没有满足监听条件的文件描述符
● -1：error
//
fd_set:本质是位图，通过对应操作加入，删除，查询文件描述符
监听集合对应函数：

  1. void FD_ZERO(fd_set *set); –清空一个文件描述符集合
    fd_set rset； FD_ZERO(&rset)； //将rset集合清空
  2. void FD_SET(int fd, fd_set *set); –将待监听的文件描述符添加到监听集合中
    FD_SET(3,&rset)；FD_SET(5,&rset)； //将文件描述符3和5加到rset集合中
  3. void FD_CLR(int fd, fd_set *set); –将一个文件描述符从监听集合中移除
  4. int FD_ISSET(int fd, fd_set *set); –判断一个文件描述符是否在该集合中，存在返回1，不存在返回0

3.select函数和fd_set底层原理：
文件描述符表：前三个默认被系统占用
fd_set集合：传入的是文件描述符，传出所有监听集合(读、写、异常)中满足对应事件的总数
fd_set集合的本质：位图(二进制位存放文件描述符的状态)，默认都为0，若发生变化就置1

在这里插入图片描述在这里插入图片描述

在这里插入图片描述
4.select实现IO多路复用服务器，思路及代码实现、
思路：
在这里插入图片描述

代码实现:

#include <stdio.h>
#include <ctype.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/select.h>#define SERVE_PORT 9527int main()
{int lfd, cfd, ret, len, j, i;char buf[BUFSIZ];//地址结构体struct sockaddr_in serve_addr, client_addr;socklen_t client_addr_len;bzero(&serve_addr,sizeof(serve_addr));    //结构体清空serve_addr.sin_family = AF_INET;serve_addr.sin_port = htons(SERVE_PORT);serve_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);//创建socketlfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);int maxfd = lfd;    //最大的文件描述符if(lfd==-1){perror("socket error");exit(1);}//绑定ip和端口bind(lfd,(struct sockaddr *)&serve_addr,sizeof(serve_addr));//设置上限listen(lfd,128);fd_set rset, allset;        //设置监听的集合FD_ZERO(&allset);           //清空集合FD_SET(lfd,&allset);        //将lfd加入到监听集合while(1){rset = allset;ret = select(maxfd+1,&rset,NULL,NULL,NULL);	if(ret<0){perror("select error");exit(1);}if(FD_ISSET(lfd,&rset))     //如果lfd在传出的rset中，表示有客户端要进行连接{client_addr_len = sizeof(client_addr);cfd = accept(lfd,(struct sockaddr *)&client_addr,&client_addr_len);FD_SET(cfd,&allset);  //将cfd加入到监听集合if(maxfd<cfd)maxfd = cfd;       //更新最大的文件描述符//说明select只返回了lfd这一个，后续指令无需执行,continue跳出本次，继续whileif(ret==1)       continue;}//如果ret!=1 说明还监听到了其他描述符的read事件for(i=lfd+1; i<=maxfd; i++){if(FD_ISSET(i,&rset)){   //找到满足读事件的那个描述符len = read(i,buf,sizeof(buf));if(len==0)   //检测到客户端关闭了连接{close(i);  //关闭该描述符FD_CLR(i,&allset); //将该描述符从监听集合中移除}//如果len不为0就表示有数据，循环更改数据for(j=0; j<len; j++)buf[j] = toupper(buf[j]);//写回更改后的数据write(i,buf,len);write(STDOUT_FILENO,buf,len);}}}close(lfd);	return 0;
}

关于rset和allset的解析：
因为select函数返回出来的是满足条件的，如果我们将新的cfd也加入到rset中，那么等到下次循环时，如果刚刚加入的cfd没有读写数据发生时，就会被踢出rset，此时我们需要用allset来存储新进来的cfd，每次进while循环后就赋值给rset；

三.poll

相对select没有太大改进，属于半成品，了解即可，
1.函数解析
int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
参数解释：
struct pollfd* fds: 监听文件数组，包括描述符fd，监听事件events(读POLLIN,POLLOUT,POLLERR，写，异常)，返回事件revents(读，写，异常)在这里插入图片描述
nfds_t nfds:实际监听的文件描述符最大个数

int timeout: 等待时间
大于0> : 设置超时时长
-1： 阻塞等待
0：不阻塞等待

返回值：返回 监听到实际发生动作的描述符总数量

2.对比select的优化

①自带结构体数组(不必再使用FD_SET位图表示读，写，异常监听集合，而是在结构体内部利用POLL_IN等宏表示)。
②可以将监听事件集合和返回事件集合 分离。
③拓展 监听上限， 超出文件描述符最大1024的限制。

3.poll实现的多路io复用服务器

1./* server.c */  
2.#include <stdio.h>  
3.#include <stdlib.h>  
4.#include <string.h>  
5.#include <netinet/in.h>  
6.#include <arpa/inet.h>  
7.#include <poll.h>  
8.#include <errno.h>  
9.#include "wrap.h"  
10.  
11.#define MAXLINE 80  
12.#define SERV_PORT 6666  
13.#define OPEN_MAX 1024  
14.  
15.int main(int argc, char *argv[])  
16.{  
17.    int i, j, maxi, listenfd, connfd, sockfd;  
18.    int nready;  
19.    ssize_t n;  
20.    char buf[MAXLINE], str[INET_ADDRSTRLEN];  
21.    socklen_t clilen;  
22.    struct pollfd client[OPEN_MAX];  
23.    struct sockaddr_in cliaddr, servaddr;  
24.  
25.    listenfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);  
26.  
27.    bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));  
28.    servaddr.sin_family = AF_INET;  
29.    servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);  
30.    servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);  
31.  
32.    Bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));  
33.  
34.    Listen(listenfd, 20);  
35.  
36.    client[0].fd = listenfd;  
37.    client[0].events = POLLRDNORM;                  /* listenfd监听普通读事件 */  
38.  
39.    for (i = 1; i < OPEN_MAX; i++)  
40.        client[i].fd = -1;                          /* 用-1初始化client[]里剩下元素 */  
41.    maxi = 0;                                       /* client[]数组有效元素中最大元素下标 */  
42.  
43.    for ( ; ; ) {  
44.        nready = poll(client, maxi+1, -1);          /* 阻塞 */  
45.        if (client[0].revents & POLLRDNORM) {       /* 有客户端链接请求 */  
46.            clilen = sizeof(cliaddr);  
47.            connfd = Accept(listenfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &clilen);  
48.            printf("received from %s at PORT %d\n",  
49.                    inet_ntop(AF_INET, &cliaddr.sin_addr, str, sizeof(str)),  
50.                    ntohs(cliaddr.sin_port));  
51.            for (i = 1; i < OPEN_MAX; i++) {  
52.                if (client[i].fd < 0) {  
53.                    client[i].fd = connfd;  /* 找到client[]中空闲的位置，存放accept返回的connfd */  
54.                    break;  
55.                }  
56.            }  
57.  
58.            if (i == OPEN_MAX)  
59.                perr_exit("too many clients");  
60.  
61.            client[i].events = POLLRDNORM;      /* 设置刚刚返回的connfd，监控读事件 */  
62.            if (i > maxi)  
63.                maxi = i;                       /* 更新client[]中最大元素下标 */  
64.            if (--nready <= 0)  
65.                continue;                       /* 没有更多就绪事件时,继续回到poll阻塞 */  
66.        }  
67.        for (i = 1; i <= maxi; i++) {            /* 检测client[] */  
68.            if ((sockfd = client[i].fd) < 0)  
69.                continue;  
70.            if (client[i].revents & (POLLRDNORM | POLLERR)) {  
71.                if ((n = Read(sockfd, buf, MAXLINE)) < 0) {  
72.                    if (errno == ECONNRESET) { /* 当收到 RST标志时 */  
73.                        /* connection reset by client */  
74.                        printf("client[%d] aborted connection\n", i);  
75.                        Close(sockfd);  
76.                        client[i].fd = -1;  
77.                    } else {  
78.                        perr_exit("read error");  
79.                    }  
80.                } else if (n == 0) {  
81.                    /* connection closed by client */  
82.                    printf("client[%d] closed connection\n", i);  
83.                    Close(sockfd);  
84.                    client[i].fd = -1;  
85.                } else {  
86.                    for (j = 0; j < n; j++)  
87.                        buf[j] = toupper(buf[j]);  
88.                        Writen(sockfd, buf, n);  
89.                }  
90.                if (--nready <= 0)  
91.                    break;              /* no more readable descriptors */  
92.            }  
93.        }  
94.    }  
95.    return 0;  
96.}

四.优缺点总结

在这里插入图片描述
更改单进程打开1024文件限制 的方法:
可以通过 /proc/sys/fs/file-max 查看当前系统最大打开文件个数
在这里插入图片描述
可以通过ulimit -a 查看单个进程打开的最大文件个数

在这里插入图片描述
修改方法：修改配置文件
改写 /etc/security/limits.conf，如下图
在这里插入图片描述

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