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  • Linux I/O复用中select poll epoll模型的介绍及其优缺点的比較

    关于I/O多路复用:

    I/O多路复用(又被称为“事件驱动”),首先要理解的是。操作系统为你提供了一个功能。当你的某个socket可读或者可写的时候。它能够给你一个通知。这样当配合非堵塞的socket使用时,仅仅有当系统通知我哪个描写叙述符可读了,我才去运行read操作。能够保证每次read都能读到有效数据而不做纯返回-1和EAGAIN的无用功。写操作相似。操作系统的这个功能通过select/poll/epoll之类的系统调用来实现。这些函数都能够同一时候监视多个描写叙述符的读写就绪状况,这样。**多个描写叙述符的I/O操作都能在一个线程内并发交替地顺序完毕,这就叫I/O多路复用,这里的“复用”指的是复用同一个线程。

    一、I/O复用之select

    1、介绍:
    select系统调用的目的是:在一段指定时间内。监听用户感兴趣的文件描写叙述符上的可读、可写和异常事件。poll和select应该被归类为这种系统调用,它们能够堵塞地同一时候探測一组支持非堵塞的IO设备,直至某一个设备触发了事件或者超过了指定的等待时间——也就是说它们的职责不是做IO,而是帮助调用者寻找当前就绪的设备。
    以下是select的原理图:
    这里写图片描写叙述

    2、select系统调用API例如以下:

    #include <sys/time.h>
    #include <sys/types.h>
    #include <unistd.h>
    int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

    fd_set结构体是文件描写叙述符集,该结构体实际上是一个整型数组,数组中的每一个元素的每一位标记一个文件描写叙述符。fd_set能容纳的文件描写叙述符数量由FD_SETSIZE指定。普通情况下,FD_SETSIZE等于1024,这就限制了select能同一时候处理的文件描写叙述符的总量。

    3、以下介绍一下各个參数的含义:
    1)nfds參数指定被监听的文件描写叙述符的总数。

    通常被设置为select监听的全部文件描写叙述符中最大值加1;
    2)readfds、writefds、exceptfds分别指向可读、可写和异常等事件相应的文件描写叙述符集合。这三个參数都是传入传出型參数,指的是在调用select之前,用户把关心的可读、可写、或异常的文件描写叙述符通过FD_SET(以下介绍)函数分别加入进readfds、writefds、exceptfds文件描写叙述符集,select将对这些文件描写叙述符集中的文件描写叙述符进行监听,假设有就绪文件描写叙述符,select会重置readfds、writefds、exceptfds文件描写叙述符集来通知应用程序哪些文件描写叙述符就绪。这个特性将导致select函数返回后。再次调用select之前,必须重置我们关心的文件描写叙述符,也就是三个文件描写叙述符集已经不是我们之前传入 的了。
    3)timeout參数用来指定select函数的超时时间(以下讲select返回值时还会谈及)。

    struct timeval
    {
        long tv_sec;        //秒数
        long tv_usec;       //微秒数
    };

    4、以下几个函数(宏实现)用来操纵文件描写叙述符集:

    void FD_SET(int fd, fd_set *set);   //在set中设置文件描写叙述符fd
    void FD_CLR(int fd, fd_set *set);   //清除set中的fd位
    int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set); //推断set中是否设置了文件描写叙述符fd
    void FD_ZERO(fd_set *set);          //清空set中的全部位(在使用文件描写叙述符集前。应该先清空一下)
        //(注意FD_CLR和FD_ZERO的差别,一个是清除某一位,一个是清除全部位)

    5、select的返回情况:
    1)假设指定timeout为NULL,select会永远等待下去,直到有一个文件描写叙述符就绪,select返回。
    2)假设timeout的指定时间为0,select根本不等待,马上返回;
    3)假设指定一段固定时间,则在这一段时间内,假设有指定的文件描写叙述符就绪,select函数返回,假设超过指定时间,select同样返回。
    4)返回值情况:
    a)超时时间内,假设文件描写叙述符就绪,select返回就绪的文件描写叙述符总数(包含可读、可写和异常),假设没有文件描写叙述符就绪,select返回0;
    b)select调用失败时,返回 -1并设置errno。假设收到信号。select返回 -1并设置errno为EINTR。

    6、文件描写叙述符的就绪条件:
    在网络编程中,
    1)下列情况下socket可读:
    a) socket内核接收缓冲区的字节数大于或等于其低水位标记SO_RCVLOWAT;
    b) socket通信的对方关闭连接,此时该socket可读,可是一旦读该socket。会马上返回0(能够用这种方法推断client端是否断开连接);
    c) 监听socket上有新的连接请求。
    d) socket上有未处理的错误。


    2)下列情况下socket可写:
    a) socket内核发送缓冲区的可用字节数大于或等于其低水位标记SO_SNDLOWAT;
    b) socket的读端关闭。此时该socket可写。一旦对该socket进行操作。该进程会收到SIGPIPE信号。
    c) socket使用connect连接成功之后;
    d) socket上有未处理的错误。

    二、I/O复用之poll

    1、poll系统调用的原理与原型和select基本相似。也是在指定时间内轮询一定数量的文件描写叙述符。以測试当中是否有就绪者。

    2、poll系统调用API例如以下:

    #include <poll.h>
    int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);

    3、以下介绍一下各个參数的含义:
    1)第一个參数是指向一个结构数组的第一个元素的指针,每一个元素都是一个pollfd结构,用于指定測试某个给定描写叙述符的条件。

    struct pollfd
    {
        int fd;             //指定要监听的文件描写叙述符
        short events;       //指定监听fd上的什么事件
        short revents;      //fd上事件就绪后,用于保存实际发生的时间
    }。

    待监听的事件由events成员指定,函数在相应的revents成员中返回该描写叙述符的状态(每一个文件描写叙述符都有两个事件,一个是传入型的events,一个是传出型的revents。从而避免使用传入传出型參数。注意与select的差别),从而告知应用程序fd上实际发生了哪些事件。events和revents都能够是多个事件的按位或。
    2)第二个參数是要监听的文件描写叙述符的个数,也就是数组fds的元素个数;
    3)第三个參数意义与select同样。

    4、poll的事件类型:
    这里写图片描写叙述
    在使用POLLRDHUP时,要在代码開始处定义_GNU_SOURCE

    5、poll的返回情况:
    与select同样。

    三、I/O复用之epoll

    1、介绍:
    epoll 与select和poll在使用和实现上有非常大差别。

    首先,epoll使用一组函数来完毕,而不是单独的一个函数。其次。epoll把用户关心的文件描写叙述符上的事件放在内核里的一个事件表中。无须向select和poll那样每次调用都要反复传入文件描写叙述符集合事件集。

    2、创建一个文件描写叙述符,指定内核中的事件表:

    #include<sys/epoll.h>
    int epoll_create(int size);
        //调用成功返回一个文件描写叙述符。失败返回-1并设置errno。

    size參数并不起作用。仅仅是给内核一个提示。告诉它事件表须要多大。

    该函数返回的文件描写叙述符指定要訪问的内核事件表,是其它全部epoll系统调用的句柄。

    3、操作内核事件表:

    #include<sys/epoll.h>
    int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
        //调用成功返回0,调用失败返回-1并设置errno。

    epfd是epoll_create返回的文件句柄。标识事件表。op指定操作类型。

    操作类型有以下3种:

    a)EPOLL_CTL_ADD, 往事件表中注冊fd上的事件;
    b)EPOLL_CTL_MOD, 改动fd上注冊的事件;
    c)EPOLL_CTL_DEL, 删除fd上注冊的事件。

    event參数指定事件,epoll_event的定义例如以下:

    struct epoll_event
    {
        __int32_t events;       //epoll事件
        epoll_data_t data;      //用户数据
    };
    
    typedef union epoll_data
    {
        void *ptr;
        int  fd;
        uint32_t u32;
        uint64_t u64;
    }epoll_data;

    在使用epoll_ctl时,是把fd加入、改动到内核事件表中,或从内核事件表中删除fd的事件。

    假设是加入事件到事件表中,能够往data中的fd上加入事件events。或者不用data中的fd,而把fd放到用户数据ptr所指的内存中(由于epoll_data是一个联合体。仅仅能使用当中一个数据),再设置events。

    3、epoll_wait函数
    epoll系统调用的最关键的一个函数epoll_wait,它在一段时间内等待一个组文件描写叙述符上的事件。

    #include<sys/epoll.h>
    int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);
        //函数调用成功返回就绪文件描写叙述符个数,失败返回-1并设置errno。

    timeout參数和select与poll同样。指定一个超时时间;maxevents指定最多监听多少个事件。events是一个传出型參数。epoll_wait函数假设检測到事件就绪,就将全部就绪的事件从内核事件表(epfd所指的文件)中复制到events指定的数组中。

    这个数组用来输出epoll_wait检測到的就绪事件,而不像select与poll那样。这也是epoll与前者最大的差别,下文在比較三者之间的差别时还会说到。

    四、三组I/O复用函数的比較

    同样点:
    1)三者都须要在fd上注冊用户关心的事件。
    2)三者都要一个timeout參数指定超时时间。
    不同点:
    1)select:
    a)select指定三个文件描写叙述符集,各自是可读、可写和异常事件,所以不能更加仔细地区分全部可能发生的事件。
    b)select假设检測到就绪事件,会在原来的文件描写叙述符上改动,以告知应用程序,文件描写叙述符上发生了什么时间,所以再次调用select时,必须先重置文件描写叙述符
    c)select採用对全部注冊的文件描写叙述符集轮询的方式,会返回整个用户注冊的事件集合,所以应用程序索引就绪文件的时间复杂度为O(n)。
    d)select同意监听的最大文件描写叙述符个数通常有限制。通常是1024。假设大于1024,select的性能会急剧下降;
    e)仅仅能工作在LT模式。

    2)poll:
    a)poll把文件描写叙述符和事件绑定,事件不但能够单独指定。并且能够是多个事件的按位或。这样更加细化了事件的注冊,并且poll单独採用一个元素用来保存就绪返回时的结果,这样在下次调用poll时。就不用重置之前注冊的事件;
    b)poll採用对全部注冊的文件描写叙述符集轮询的方式。会返回整个用户注冊的事件集合。所以应用程序索引就绪文件的时间复杂度为O(n)。
    c)poll用nfds參数指定最多监听多少个文件描写叙述符和事件,这个数能达到系统同意打开的最大文件描写叙述符数目。即65535。
    d)仅仅能工作在LT模式。

    3)epoll:
    a)epoll把用户注冊的文件描写叙述符和事件放到内核当中的事件表中。提供了一个独立的系统调用epoll_ctl来管理用户的事件,并且epoll採用回调的方式。一旦有注冊的文件描写叙述符就绪,讲触发回调函数,该回调函数将就绪的文件描写叙述符和事件复制到用户空间events所管理的内存。这样应用程序索引就绪文件的时间复杂度达到O(1)。
    b)epoll_wait使用maxevents来制定最多监听多少个文件描写叙述符和事件,这个数能达到系统同意打开的最大文件描写叙述符数目,即65535。
    c)不仅能工作在LT模式,并且还支持ET高效模式(即EPOLLONESHOT事件,读者能够自己查一下这个事件类型,对于epoll的线程安全有非常好的帮助)。

    select/poll/epoll总结:
    这里写图片描写叙述

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