网络编程API-下 (I/O复用函数)

IO复用是Linux中的IO模型之中的一个，IO复用就是进程预先告诉内核须要监视的IO条件，使得内核一旦发现进程指定的一个或多个IO条件就绪，就通过进程进程处理。从而不会在单个IO上堵塞了。

Linux中。提供了select、poll、epoll三种接口函数来实现IO复用。

1、select函数

#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
	返回：若有就绪描写叙述符则为其个数，超时为0，出错-1

nfds參数指定了被监听文件描写叙述符的个数，通常设置为监听的全部描写叙述符最大值加1，由于文件描写叙述符是从0開始的。

readfs、writefds和exceptfds分别相应可读、可写和异常等事件文件描写叙述符集合。当调用select时，通过这3个參数传入自己感兴趣的文件描写叙述符，select函数返回后，内核通过改动他们来通知应用程序那些文件描写叙述符已经就绪。

fd_set结构体包括一个整形数组，该数组中每个元素的每一位标记一个文件描写叙述符，fd_set容纳的文件描写叙述符数量由FD_SETSIZE指定，这就限制了select能同一时候处理的文件描写叙述符最大个数。

通过一些宏来操作fd_set结构体中的位：

#include <sys/select.h>
FD_ZERO(fd_set *fdset);		/* 清除fdset全部标志位 */
FD_SET(int fd, fd_set fdset);		/* 设置fdset标志位fd */
FD_CLR(int fd, fd_set fdset);		/* 清除fdset标志位fd */
int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset);	/* 測试fdset的位fd是否被设置 */

timeout參数用来设置select的超时时间。它是一个timeval结构类型指针，採用指针參数是应为内核将改动它以告诉应用程序select等待了多久。

只是我们不能全然信任select调用返回的timeout值。比方调用失败后timeout的值是不确定的。

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

select提供了一个微妙的定时方案，假设给timeval的成员都赋值0，则select将马上返回。假设timeout为NULL，则select将一直堵塞，直到某个文件描写叙述符就绪。

select成功时返回就绪的文件描写叙述符的总数，假设在超时时间内没有不论什么描写叙述符就绪，select返回0，select失败返回-1并设置errno。假设在select等待期间。程序收到信号。则select马上返回-1，并设置errno为EINTR。

select缺点：

l  每次调用select。都须要把fd集合从用户态复制到内核态，这个开销在fd非常多时会非常大

l  每次调用select都须要在内核遍历传递进来的全部fd，这个开销在fd非常多时也非常大

l  select支持的文件描写叙述符数量太小了，默认是1024

/**
 * select測试用例
 */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/select.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>

#define err_sys(msg) \
	do { perror(msg); exit(-1); } while(0)
#define err_exit(msg) \
	do {fprintf(stderr, msg); exit(-1); } while(0)
#define err_info(msg) \
	do { fprintf(stderr, msg); } while(0)

int main(int argc, char *argv[])
{
	if(argc != 3)
		err_exit("usage: ./a.out ip port.\n");
	int port = atoi(argv[2]);

	int listenfd, connfd;
	struct sockaddr_in servaddr;

	if((listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0)
		err_sys("socket");

	bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
	servaddr.sin_family = AF_INET;
	servaddr.sin_port = htons(port);
	if(inet_pton(AF_INET, argv[1], &servaddr.sin_addr) < 0)
		err_sys("inet_pton");
	if(bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0)
		err_sys("bind");

	if(listen(listenfd, 5) < 0)
		err_sys("listenfd");
	if((connfd = accept(listenfd, NULL, NULL)) < 0)
		err_sys("accept");

	fd_set read_fd;
	fd_set except_fd;
	FD_ZERO(&read_fd);
	FD_ZERO(&except_fd);
	char buf[1024];
	while(1)
	{
		memset(buf, 0, sizeof(buf));
		/* 每次调用select前都要又一次在read_fd和except_fd中设置文件描写叙述浮connfd，由于事件发生后，
		 * 文件描写叙述符集将被内核改动 */
		FD_SET(connfd, &read_fd);
		FD_SET(connfd, &except_fd);
		if(select(connfd + 1, &read_fd, NULL, &except_fd, NULL) < 0)
			err_sys("select");

		/* 对于可读事件。採用普通的recv函数读取数据 */
		if(FD_ISSET(connfd, &read_fd))
		{
			if(recv(connfd, buf, sizeof(buf) - 1, 0) < 0)
			{
				err_info("recv error\n");
				continue;
			}
			if(!strcmp(buf, "exit"))
			{
				printf("I had got the exit, I will go out! bye!\n");
				break;
			}
			else
			{
				printf("recv: %s\n", buf);
			}
		}
		/* 对于异常事件。採用带MSG_OOB标志的recv函数都去带外数据 */
		if(FD_ISSET(connfd, &except_fd))
		{
			if(recv(connfd, buf, sizeof(buf) - 1, MSG_OOB) < 0)
			{
				err_info("recv error\n");
				continue;
			}
			printf("recv: %s\n", buf);
		}
	}

	close(connfd);
	close(listenfd);

	return 0;
}

2、poll函数

#include <poll.h>
int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
	返回：若有就绪描写叙述符则为其数目，超时为0，出错-1

poll系统调用和select类似，也是在一定时间内轮询一定数量的文件描写叙述符，測试是否有就绪者。

nfds參数指定被监听事件集合fds的大小，timeout指定poll的超时值。单位为毫秒，当timeout为-1时。poll调用将一直堵塞，直到某个事件发生。当timeout为0时，poll调用立即返回。

pollfd结构体：

struct pollfd
{
	int fd;			/* 文件描写叙述符 */
	short events;		/* 注冊的事件 */
	short revents;		/* 实际发生的事件。有内核填充 */
};

poll支持的事件类型：

/**
 * poll測试用例，同一时候接收客户端发来的数据和从标准输入中读取数据
 */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/poll.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>

#define err_sys(msg) \
	do { perror(msg); exit(-1); } while(0)
#define err_exit(msg) \
	do {fprintf(stderr, msg); exit(-1); } while(0)
#define err_info(msg) \
	do { fprintf(stderr, msg); } while(0)

int main(int argc, char *argv[])
{
	if(argc != 3)
		err_exit("usage: ./a.out ip port.\n");
	int port = atoi(argv[2]);

	int listenfd, connfd;
	struct sockaddr_in servaddr;

	if((listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0)
		err_sys("socket");

	bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
	servaddr.sin_family = AF_INET;
	servaddr.sin_port = htons(port);
	if(inet_pton(AF_INET, argv[1], &servaddr.sin_addr) < 0)
		err_sys("inet_pton");
	if(bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0)
		err_sys("bind");

	if(listen(listenfd, 5) < 0)
		err_sys("listenfd");
	if((connfd = accept(listenfd, NULL, NULL)) < 0)
		err_sys("accept");

	struct pollfd poll_fd[2];
	poll_fd[0].fd = connfd;
	poll_fd[0].events = POLLIN;
	poll_fd[1].fd = STDIN_FILENO;
	poll_fd[1].events = POLLIN;
	char buf[1024];
	int runing = 1;
#define MAXEVENTS 2
	while(runing)
	{
		memset(buf, 0, sizeof(buf));
		if(poll(poll_fd, MAXEVENTS, -1) < 0)
			err_sys("poll");

		int i, sockfd, ret;
		for(i = 0; i < MAXEVENTS; i++)
		{
			if(poll_fd[i].revents & POLLIN)
			{
				sockfd = poll_fd[i].fd;
				if(sockfd == connfd)
				{
					if((ret = recv(sockfd, buf, sizeof(buf) - 1, 0)) <= 0)
					{
						if(ret < 0)
							err_info("recv error\n");
						else
						{
							printf("The client host is terminal. I will go tou! Bye!!\n");
							runing = 0;
						}
					}
					if(!strcmp(buf, "exit"))
					{
						printf("I had got the exit, I will go out! bye!\n");
						runing = 0;
					}
					else
					{
						printf("recv: %s\n", buf);
					}
				}
				else if(sockfd == STDIN_FILENO)
				{
					scanf("%s", buf);
					if(send(connfd, buf, strlen(buf), 0) < 0)
					{
						err_info("send error");
					}
				}
			}
		}
	}

	close(connfd);
	close(listenfd);

	return 0;
}

3、epoll系列函数

epoll是Linux特有的IO复用函数，它在实现和使用上与select和poll有非常大差异，首先。epoll使用一组函数来完毕操作，而不是单个函数。

其次，epoll把用户关心的文件描写叙述符上的事件放在内核上的一个事件表中。从而无须像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表。

但epoll须要使用一个额外的文件描写叙述符。来唯一标识内核中这个事件表，这个文件描写叙述符使用例如以下epoll_create函数创建

#include <sys/epoll.h>
int epoll_create(int size);
	返回：成功返回创建的内核事件表相应的描写叙述符，出错-1

size參数如今并不起作用，仅仅是给内核一个提示，告诉它内核表须要多大，该函数返回的文件描写叙述符将用作其它全部epoll函数的第一个參数。以指定要訪问的内核事件表。

用epoll_ctl函数操作内核事件表

#include <sys/epoll.h>
int epoll_ctl(int opfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

返回：成功返回0。出错-1

fd參数是要操作的文件描写叙述符。op指定操作类型，操作类型有3种

l  EPOLL_CTL_ADD：往事件表中注冊fd上的事件

l  EPOLL_CTL_MOD：改动fd上的注冊事件

l  EPOLL_CTL_DEL：删除fd上的注冊时间爱你

event指定事件类型。它是epoll_event结构指针类型

struct epoll_event
{
	__uint32_t events;	/* epoll事件 */
	epoll_data_t data;	/* 用户数据 */
};

当中events描写叙述事件类型，epoll支持的事件类型和poll基本同样。表示epoll事件类型的宏是在poll相应的宏加上”E”，比方epoll的数据可读事件是EPOLLIN。但epoll有两个额外的事件类型-EPOLLET和EPOLLONESHOT，它们对于高效运作很关键，data用于存储用户数据，其类型epoll_data_t定义例如以下：

typedef union epoll_data
{
	void *ptr;
	int fd;
	uint32_t u32;
	uint64_t u64;
}epoll_data_t;

epoll_data_t是一个联合体，其4个成员最多使用的是fd。它指定事件所从属的目标文件描写叙述符，ptr成员可用来指定fd相关的用户数据，但因为opoll_data_t是一个联合体。我们不能同一时候使用fd和ptr，假设要将文件描写叙述符嗯哼用户数据关联起来。以实现高速的数据訪问。则仅仅能使用其它手段，比方放弃使用fd成员，而在ptr指针指向的用户数据中包括fd

#include <sys/epoll.h>
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);
	返回：成功返回就绪的文件描写叙述符个数，出错-1

timeout參数的含义与poll接口的timeout參数同样，maxevents參数指定最多监听多少个事件。它必须大于0。

epoll_wait假设检測到事件，就将全部就绪的事件从内核事件表(由epfd指定)中拷贝到events指定的数组中。这个数组仅仅用来输epoll_wait检測到的就绪事件，而不像select和poll的參数数组既传递用于用户注冊的事件，实用于输出内核检測到就绪事件。这样极大提高了应用程序索引就绪文件描写叙述符的效率。

/**
 * epoll測试用例
 * 当文件命名是io_epoll.c时，编译选项gcc io_epoll.c有错误，提示unknow type name epoll_event
 * 当把文件命名io_epoll.cpp时，编译选项gcc io_epoll.cpp或者g++ io_epoll.c就能够
*/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>

#define err_sys(msg) \
	do { perror(msg); exit(-1); } while(0)
#define err_exit(msg) \
	do { fprintf(stderr, msg); exit(-1); } while(0)
#define err_info(msg) \
	do { fprintf(stderr, msg); } while(0)
#define MAXEVENTS 5

void addfd(int epollfd, int fd)
{
	epoll_event event;
	event.data.fd = fd;
	event.events = EPOLLIN;
	epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &event);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
	if(argc != 2)
		err_exit("Usage: ./a.out port\n");
	int port = atoi(argv[1]);
	int listenfd, connfd;
	struct sockaddr_in servaddr;

	bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
	servaddr.sin_family = AF_INET;
	servaddr.sin_port = htons(port);
	servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
	if((listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0)
		err_sys("socket");
	if(bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0)
		err_sys("bind");
	if(listen(listenfd, 5) < 0)
		err_sys("listen");

	epoll_event events[MAXEVENTS];
	int epollfd;

	if((epollfd = epoll_create(5)) < 0)
		err_sys("epoll_create");
	if((connfd = accept(listenfd, NULL, NULL)) < 0)
		err_sys("accept");

	addfd(epollfd, connfd);
	addfd(epollfd, STDIN_FILENO);

	int runing = 1;
	while(runing)
	{
		int i, cnt = epoll_wait(epollfd, events, MAXEVENTS, -1);
		char buf[1024];

		for(i = 0; i < cnt; i++)
		{
			int sockfd = events[i].data.fd;
			if(sockfd == STDIN_FILENO)
			{
				scanf("%s", buf);
				if(send(connfd, buf, strlen(buf), 0) < 0)
				{
					err_info("send error\n");
				}
			}
			else if(sockfd == connfd)
			{
				int ret;

				bzero(buf, sizeof(buf));
				if((ret = recv(sockfd, buf, sizeof(buf) - 1, 0)) <= 0)
				{
					if(ret < 0)
						err_info("recv error\n");
					else
					{
						printf("The client host is termenal. I will go out! Bye!\n");
						runing = 0;
					}
				}
				else if(!strcmp(buf, "exit"))
				{
					printf("I had got the 'exit', I will go out! Bye\n");
					runing = 0;
				}
				else
				{
					printf("recv: %s\n", buf);
				}
			}
		}
	}

	close(connfd);
	close(listenfd);

	return 0;
}

參考资料：

1、《linux高性能server编程》第9章 IO复用