Socket I/O multiplexing

网络应用中I/O多路复用的应用场景

1. 客户端处理多个描述符(通常是交替输入+网络套接字，可以及时获取服务端发送的FIN包)
2. 客户端同时处理多个套接字
3. TCP服务端处理监听套接字和连接套接字
4. 服务端同时处理TCP和UDP
5. 服务端处理多个服务以及多种协议

I/O模型

阻塞I/O

最常见的I/O模型。默认情况下，socket是阻塞的。使用UDP数据包套接字为例，在数据就绪之前，recvfrom一直处于等待状态。

非阻塞I/O

当I/O操作不能完成时，内核不会让进程睡眠，而是返回错误。进程采用轮询方式对非阻塞描述符循环采取操作。

I/O多路复用

使用select/poll/epoll系统调用，当描述符准备就绪时，系统调用返回，并执行I/O操作。

信号驱动I/O

进程设置了信号处理程序后立即返回，当描述符就绪时，可以执行I/O操作时，内核发送SIGIO信号通知进程。

异步I/O

POSIX标准中定义了异步I/O。通常的做法是通知内核开始执行I/O操作，全部完成后发送通知。aio_或lio_设置通知的方式。

五种模型的比较

同步I/O：进程在I/O完成前会被阻塞
异步I/O：进程不会阻塞
因此，前四种模型属于同步I/O

select()方法

#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
int select(int maxfdp1, fd_set *readset, fd_set *writeset, fd_set *exceptset, const struct timeval *timeout);

最后一个参数timeout指定了等待时间。总共有三种方式，永久等待(直到有描述符就绪)；等待(不超过)一段时间；不等待。如果进程捕捉到信号，那么前两种等待会被信号处理程序中断，会返回EINTR。有些系统的select调用返回时，会改变timeout参数的值，表示剩余的等待时间，为了可移植性，POSIX将timeout设为const。当select被中断时，为了获取剩余等待时间，只能在调用前和返回后两次获取系统时间，但是时间可能被更改。
中间的三个参数readset, writeset, exceptset指定了描述符集合，分别对read，write，excpetion进行测试。select调用修改了三个描述符集合，那些已经就绪的描述符在描述符集合中被置位。每次调用select前都要重新设置描述符集合。第一个缺点是为了检测哪些描述符已经就绪，每次需要遍历fd_set。

void FD_ZERO(fd_set *fdset); /* clear all bits in fdset */ 
void FD_SET(int fd, fd_set *fdset); /* turn on the bit for fd in fdset */
void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset); /* turn off the bit for fd in fdset */
int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset); /* is the bit for fd on in fdset ? */

maxfdp1参数指定了测试描述符的数量，它的值是被测试的最大描述符的值加1，相当于可接受从0开始的描述符个数。FD_SETSIZE是fd_set结构中描述符的数量，一般为1024，即select调用能够测试的最大描述符的值是1024，这也是select调用的第二个缺点。普通应用程序不会使用如此多数量的描述符，maxfdp1这个参数的存在可以使内核不从进程拷贝不必要的那部分fd_set，相当于提高效率。每次调用都需要拷贝描述符集合到内核空间是select的第三个缺点。
函数返回值表示所有被置位的数量，如果一个就绪的描述符在超过一个集合中被关注，计相应的次数而不是1次。0代表没有描述符就绪，-1代表错误，通常是被捕获的信号中断。

描述符就绪条件

1. 读就绪：
   • 套接字接收缓冲区中数据字节数在低水位线(默认为1)之上。此时read返回值大于0
   • 读方向连接关闭(如TCP收到FIN包)。此时read返回0
   • 对于监听套接字，已完成的连接数非0。此时accept不会阻塞
   • 套接字发生错误。read返回-1
2. 写就绪：
   • 套接字发送缓冲区可用空间大小在低水位线之上(默认2048)并且套接字已经建立连接(TCP)或不需要连接(UDP)
   • 写方向套接字关闭，write操作会产生SIGPIPE信号
   • 非阻塞的connect完成连接或失败
   • 套接字产生错误，write返回-1
   • 当套接字产生错误时，同时标记为可读/可写
3. 套接字异常：带外数据

shutdown()

客户端发送FIN包仅仅表示不会再发送数据，而读数据可能还没结束。所以需要shutsown函数。

1. close()减少描述符的引用计数，只有引用计数为0才真正关闭套接字。shutdown()直接开始四次挥手
2. close()关闭套接字的读写方向

#include <sys/socket.h>
int shutdown(int sockfd, int howto);
/* SHUT_RD(0)：关闭读方向
 * SHUT_WR(1)：关闭写方向
 * SHUT_RDWR(2)：关闭两个方向，相当于调用两次shutdown()
 */