【unix网络编程第三版】阅读笔记（五）：I/O复用：select和poll函数

本博文主要针对UNP一书中的第六章内容来聊聊I/O复用技术以及其在网络编程中的实现

1. I/O复用技术

I/O多路复用是指内核一旦发现进程指定的一个或者多个I/O条件准备就绪，它就通知该进程。I/O复用适用于以下场合：

(1) 当客户处理多个描述符（一般是交互式输入或网络套接字），必须适用I/O复用

(2) 当一个客户处理多个套接字时，这种情况很少见，但也可能出现

(3) 当一个TCP服务器既要处理监听套接字，又要处理已连接套接字，一般就要使用I/O复用

(4) 如果一个服务器既要适用TCP，又要适用UDP，一般就要使用I/O复用

(5) 如果一个服务器要处理多个服务或者多个协议，一般就要使用I/O复用

与多线程和多进程技术相比，I/O复用技术的最大优势就是系统开销小，系统不必创建进程/线程，也不必维护这些进程/进程，从而大大减小了系统的开销。

2. I/O模型

Unix下常见的I/O模型有五种，分别是：阻塞式I/O，非阻塞式I/O，I/O复用，信号驱动式I/O和异步I/O。

Unix下对于一个输入操作，通常包含两个不同的阶段：

(1) 等待数据准备好

(2) 从内核向进程复制数据

例如：对于一次read函数操作来说，数据先会被拷贝到操作系统内核的缓冲区去，然后才会从操作系统内核的缓冲区拷贝到应用程序的地址空间。

再比如对于一次socket流传输来说，首先等待网络上的数据到达，然后复制到内核的某个缓冲区，然后再把内核缓冲区的数据复制到进程缓冲区。

下面就以上述两个阶段来阐述五种I/O模型。

2.1 阻塞式I/O模型

2.1.1 趣解模型

假定一个特定的场景，你的一个好朋友找你借钱，你身上没有充足的现金，于是，你要去银行取钱，银行人多，你只能在那里排队，在这段时间内，你不能离开队伍去干你自己的事情。时间都浪费在排队上面了。这就是典型的阻塞式I/O模型。

2.1.2 网络模型

默认情况下，所有的套接字都时阻塞的，以数据报套接字为例

如上图，我们把recvfrom函数视为系统调用，进程调用recvform函数后就阻塞于此，等待数据报的到达，一直到内核把数据报准备好后，就将数据从内核复制到用户进程，随后用户进程再对这些数据进行处理。

这种模型的好处就是，能够及时获得数据，没有延迟，但是就像上面趣解模型中讲到，对用户来说，这段时间一直要处于等到状态，不能去做其他的事情，在性能方面付出了代价。

2.2 非阻塞式I/O模型

2.2.1 趣解模型

还是去取钱的例子，假设你无法忍受一直在那里排队，而是去旁边的商场逛逛，然后隔一段时间回来看看还有在排队没，有的话再继续去逛逛，直到有一次你回来看到没有人排队了为止。这就是非阻塞式I/O模型。

2.2.2 网络模型

进程把一个套接字设置成非阻塞是在通知内核：当所请求的I/O操作非得把本进程投入睡眠才能完成时，不要把本进程投入睡眠，而是返回一个错误。

如上图所示，前三次询问都返回一个错误，即内核没有数据报准备好，到第四次调用recvform函数时，数据被准备好了，它被复制到应用进程缓存区，于是recvform成功返回，应用进程随后处理数据。

这种模型相对于阻塞式来说，

优点在于：应用进程不必阻塞在recvfrom调用中，而是可以去处理其他事情

缺点在于：如趣解模型中所说，你来回跑银行带来了很大的延时，可能在你来回的路上叫到了你的号。在网络模型中即可以表现在任务完成的响应延迟增大了，隔一段时间轮询一次recvform，数据报可能在两次轮询之间的任意时间内准备好，这将会导致整体数据吞吐量的降低。

2.3 I/O复用模型

2.3.1 趣解模型

现在，银行都会按一个显示屏，上面会显示轮到几号客户了。这个时候，你就不用每次都去跑进去看还有排队没，而是远远的看看显示屏上轮到你没有，如果显示了你的名字，你就去取钱就行了。这就是I/O复用模型。

2.3.2 网络模型

有了I/O复用技术，我们可以调用select或poll函数，阻塞在这两个系统调用中的某一个之上，而不是阻塞在真正的I/O系统调用上。

如上图所示，进程受阻于select调用，等待可能多个套接字中的任一个变为可读。当select返回套接字可读这一条件时，应用进程就调用recvfrom把所读的数据报复制到应用进程缓冲区。

进程阻塞在select，如果进程还有其他的任务的话就能体现到I/O复用技术的好处，那个任务先返回可读条件，就去执行哪个任务。从单一的等待变成多个任务的同时等待。

这种模型较之前的模型来说，可以不必多次轮询内核，而是等到内核的通知。

2.4 信号驱动式I/O模型

2.4.1 趣解模型

你还是不满意银行的服务，虽然不必排队，但你在商场逛的也不放心啊，你还是要盯着显示屏，深怕没有看到显示屏上面你的名字，于是，银行也退出了全新的服务，你去银行取钱的时候，银行目前人多不能及时处理你的业务，而是叫你留下手机号，等到空闲的时候就短信通知你可以去取钱了。这就是信号驱动式I/O模型。

2.4.2 网络模型

我们可以用信号，让内核在描述符就绪时发送SIGIO信号告知我们。

如上图所示，进程建立SIGIO的信号处理程序（就要趣解模型中的留下手机号），并通过sigaction系统调用安装一个信号处理函数，该系统调用将立即返回，进程继续工作，知道数据报准备好后，内核产生一个SIGIO信号，告知应用进程以及准备好，于是就在信号处理程序中调用recvfrom读取数据报，并通知主循环数据已准备好待处理，也可以立即通知主循环让他读取数据报。

这种模型的好处就是，在数据报没有准备好的期间，应用进程不必阻塞，继续执行主循环，只要等待来自信号处理函数的通知即可。

2.5 异步I/O模型

2.5.1 趣解模型

你细细的想了想自己取钱时为了什么，无非时借给你的朋友，银行都退出了网上银行服务，你只需要知道你的好朋友的银行卡号，然后在网银中申请转账，银行后台会给你处理，然后把钱打到你朋友的账户下面，等这些都处理好后，银行会给你发一条短信，告诉你转账成功，这个时候你就可以跟你的好朋友说，钱已经打给你了。这就是异步I/O模型，取钱借钱的繁琐事就交给银行后台给你处理吧。

2.5.2 网络模型

POSIX规范中提供一些函数，这些函数的工作机制是：告知内核启动某个操作，并让内核在整个操作完成后通知我们。

如上图所示，我们调用aio_read函数(POSIX异步I/O函数以aio_或lio_开头)，给内核传递描述符，缓冲区指针，缓冲区大小和文件偏移，并告诉内核完成整个操作后通知我们。

不同于信号驱动式I/O模型，信号是在数据已复制到进程缓冲区才产生的。

2.6 各种I/O模型的比较

以一张图来说明五种I/O操作的差异：

同步I/O操作：导致请求进程阻塞，直到I/O操作完成

异步I/O操作：不导致进程阻塞

可知，前四种都属于同步I/O操作慢系统都会阻塞与recvfrom操作，而异步I/O不会。

3. select函数

select函数用于I/O复用，该函数允许进程指示内核等待多个事件中的任何一个发生，并只在有一个或多个事件发生或经历一段指定的事件才唤醒它。

3.1 函数原型

它的函数原型时：

int select(int maxfdp1, fd_set *readset, fd_set *writeset , fd_set *exceptset , const struct timeval *timeout);

对于timeout参数：

(1) timeout==NULL，表示要永远等待下去，直到有一个描述符准备好I/O时才返回

(2) *timeout的值为0，表示不等待，检查描述符就立即返回，这称为轮询。

(2) *timeout的值不为0，表示等待一段固定的时间，再有一个描述符准备好I/O时返回，但是不能超过由该参数制定的时间。

对于readset，writeset和exceptset三个参数：

这三个描述符说明了可读，可写和处于异常条件的描述符集合

对于描述集fd_set结构，提供了如下四个操作函数

#include <sys/select.h>

int FD_ISSET(int fd,fd_set *fdset); //设定描述集中的某个描述符

void FD_CLR(int fd,fd_set *fdset);//关掉描述集中的某个描述符

void FD_SET(int fd,fd_set *fdset);//打开描述集中的某个描述符

void FD_ZERO(fd_set *fdset);//清除集合内所有元素

对于maxfdp1参数：

指定待测试的描述符个数，它的值时待测试的最大描述符编号加1，即从上面三个描述符集中的最大描述符编号加1。

对于返回值：

select返回值有三种情况：

(1) 返回值为-1时，表示出错，如果在指定的描述符一个都没有准备好时捕捉一个信号，则返回-1

(2) 返回0，表示没有描述符准备好，指定的时间就超过了。

(3) 返回正数，表示已经准备好的描述符个数，在这种情况下，三个描述符集中依旧打开的位对应于已准备好的描述符

3.2 使用select函数修改的str_cli函数

#include    "unp.h"

void
str_cli(FILE *fp, int sockfd)
{
    int         maxfdp1;
    fd_set      rset;
    char        sendline[MAXLINE], recvline[MAXLINE];

    FD_ZERO(&rset);
    for ( ; ; ) {
        FD_SET(fileno(fp), &rset);//标准输入描述符
        FD_SET(sockfd, &rset);//socket描述符
        maxfdp1 = max(fileno(fp), sockfd) + 1;//最大描述符编号+1
        Select(maxfdp1, &rset, NULL, NULL, NULL);//调用select，阻塞于此
  //如果返回的套接字可读，就用readline读入回射文本
        if (FD_ISSET(sockfd, &rset)) {  /* socket is readable */
            if (Readline(sockfd, recvline, MAXLINE) == 0)
                err_quit("str_cli: server terminated prematurely");
            Fputs(recvline, stdout);
        }
  //如果标准输入可读，就先用fgets读入一行文本
        if (FD_ISSET(fileno(fp), &rset)) {  /* input is readable */
            if (Fgets(sendline, MAXLINE, fp) == NULL)
                return;     /* all done */
            Writen(sockfd, sendline, strlen(sendline));
        }
    }
}

3.3 批量输入

在上一节提到的str_cli版本中，仍然存在一个问题。假设客户在标准输入中批量输入数据，在输入完最后一个数据后，碰到了EOF，str_cli返回到main函数，main函数随后终止。但是，在这个过程中，标准输入的EOF终止符并不意味着我们也同时完成了从套接字的读入，可能仍有请求在去往服务器的路上，或者仍有应答在返回客户的路上。

原因就处在于此：

    if (Fgets(sendline, MAXLINE, fp) == NULL)
                return;     /* all done */

当碰到EOF终止符的时候，str_cli函数选择了立即返回，而此时，我们更需要的是找到一个条件来判断套接字的读取是否完成。

3.4 shutdown函数

shutdown函数提供了关闭TCP连接其中一半的方法，也正是为了解决上一小节发现的问题。

假设在标准输入碰到EOF终止符时，我们只关闭发送这一端，也就是给服务器发送一个FIN，告诉它我们已经完成了数据发送，但是仍然保持套接字描述打开以便读取。

这点跟close函数有点像，但是考虑到close函数有如下两个限制：

(1) close把描述符的引用计数减1，仅在该计数变为0时才关闭该套接字。但是使用shutdown可以不管引用计数就激发TCP的正常连接终止序列

(2) close终止读和写两个方向的数据传送。shutdown只是关闭单方向的读或写。

其函数原型如下：

int shutdown(int sockfd , int howto);//若成功则返回0，若出错返回-1

关于该函数的第二个参数howto：

(1) SHUT_RD 关闭连接的读这一半，套接字中不再有数据可接收，而且套接字接收缓冲区中的现有数据都被丢弃

(2) SHUT_WR 关闭连接的写这一半，对于TCP套接字来说，这称为半关闭，当前留在套接字发送缓冲区的数据将被发送，后跟TCP正常的连接终止序列。

(3) SHUT_RDWR 关闭读半部和写半部，这与调用shutdown两次等效。

3.5 str_cli函数再修改版

#include    "unp.h"
void
str_cli(FILE *fp, int sockfd)
{
    int         maxfdp1, stdineof;
    fd_set      rset;
    char        buf[MAXLINE];
    int     n;

    stdineof = 0;
    FD_ZERO(&rset);
    for ( ; ; ) {
        if (stdineof == 0)//套接字读取完成标识符
            FD_SET(fileno(fp), &rset);//关闭select描述符集中的标准输入描述符
        FD_SET(sockfd, &rset);
        maxfdp1 = max(fileno(fp), sockfd) + 1;
        Select(maxfdp1, &rset, NULL, NULL, NULL);

        if (FD_ISSET(sockfd, &rset)) {  /* socket is readable */
            if ( (n = Read(sockfd, buf, MAXLINE)) == 0) {
                if (stdineof == 1)
                    return;     /* normal termination */
                else
                    err_quit("str_cli: server terminated prematurely");
            }

            Write(fileno(stdout), buf, n);
        }

        if (FD_ISSET(fileno(fp), &rset)) {  /* input is readable */
            if ( (n = Read(fileno(fp), buf, MAXLINE)) == 0) {//若读取的字节数为0
                stdineof = 1;//表明套接字读取数据完成
                Shutdown(sockfd, SHUT_WR);  /* send FIN *///关闭读这一半
                FD_CLR(fileno(fp), &rset);
                continue;
            }

            Writen(sockfd, buf, n);
        }
    }
}

4. TCP回射服务器程序(采用select函数)

在【unix网络编程第三版】阅读笔记（四）：TCP客户/服务器实例中我们采用fork生成子进程来处理每个客户的需求。

如今，有了select函数，就不必创建那么多子进程了，避免了为每一个客户创建一个子进程的所有开销，本节就将其改写成任意个客户的单进程版本。

select函数的描述符集中需要存储每个客户的连接套接字。于是我们很容易想到用采用一个数组client[FD_SETSIZE]来保存所有已连接的套接字。

每次有新客户连接的时候，就在client数组中找到第一个可用项来保存该连接套接字。

具体解释见代码注释：

#include    "unp.h"
int
main(int argc, char **argv)
{
    int                 i, maxi, maxfd, listenfd, connfd, sockfd;
    int                 nready, client[FD_SETSIZE];
    ssize_t             n;
    fd_set              rset, allset;
    char                buf[MAXLINE];
    socklen_t           clilen;
    struct sockaddr_in  cliaddr, servaddr;

    listenfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family      = AF_INET;
    servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    servaddr.sin_port        = htons(SERV_PORT);

    Bind(listenfd, (SA *) &servaddr, sizeof(servaddr));

    Listen(listenfd, LISTENQ);

    maxfd = listenfd;       //初始化maxfd，在传入select函数时需要+1
    maxi = -1;                  //记录client数组中最后一个非-1数所占的序号
    for (i = 0; i < FD_SETSIZE; i++)
        client[i] = -1;     //初始化client数组，为-1表示该项可用
    FD_ZERO(&allset);
    FD_SET(listenfd, &allset);

    for ( ; ; ) {
        rset = allset;  //初始化描述符集
        nready = Select(maxfd+1, &rset, NULL, NULL, NULL);//注意此处为最大描述符编号+1，返回已准备好的描述符个数

        if (FD_ISSET(listenfd, &rset)) {    //检测到有新客户连接
            clilen = sizeof(cliaddr);
            connfd = Accept(listenfd, (SA *) &cliaddr, &clilen);//连接新客户，获得已连接套接字
#ifdef  NOTDEF
            printf("new client: %s, port %d\n",
                    Inet_ntop(AF_INET, &cliaddr.sin_addr, 4, NULL),
                    ntohs(cliaddr.sin_port));
#endif

            for (i = 0; i < FD_SETSIZE; i++)
                if (client[i] < 0) {//找到第一个可用项
                    client[i] = connfd; //存储套接字描述符
                    break;
                }
            if (i == FD_SETSIZE)//限制最大连接个数
                err_quit("too many clients");

            FD_SET(connfd, &allset);    /* add new descriptor to set */
            if (connfd > maxfd)
                maxfd = connfd;     //重置maxfd为最大描述符编号+1
            if (i > maxi)
                maxi = i;               //client数组中最后一个描述符所占的序号

            if (--nready <= 0)
                continue;               //没有已连接套接字了
        }

        for (i = 0; i <= maxi; i++) {   /* check all clients for data */
            if ( (sockfd = client[i]) < 0)
                continue;
            if (FD_ISSET(sockfd, &rset)) {
                if ( (n = Read(sockfd, buf, MAXLINE)) == 0) {
                        /*connection closed by client */
                    Close(sockfd);//直接关闭套接字
                    FD_CLR(sockfd, &allset);
                    client[i] = -1;
                } else
                    Writen(sockfd, buf, n);

                if (--nready <= 0)
                    break;              //没有已连接套接字了
            }
        }
    }
}

5. pselect函数

pselect函数由POSIX发明，是select的变种。

#include <sys/select.h>
int pselect(int maxfdp1,fd_set *restrict readfds,fd_set *restrict writefds,fd_set *restrict exceptfds,const struct timespec *restrict tsptr,const sigset_t *restrict sigmask);

相对于select函数，pselect函数有如下几点不同：

(1) pselect使用timespec结构，新结构的tv_nsec指定纳秒数，而原结构里的tv_usec指定微妙级

(2) pselect增加了第六个参数：一个指向信号掩码的指针。该参数允许程序先禁止递交某些信号，再测试由这些当前被禁止的信号处理函数设置的全局变量，然后调用pselect，告诉它重新设置信号掩码。

(3)pselect的超时值设为了const，保证了调用pselect不会修改此值。

6. poll函数

poll函数的功能与select相似，不过在处理流设备时，它能够提供额外的信息。

#include <poll.h>
int poll(struct pollfd *fdarray,nfds_t nfds,int timeout);//若有就绪描述符就返回其数目，如超时则返回0，若出错就返回-1

对于第一个参数：为指向一个结构数组第一个元素的指针，每个数组元素都是一个pollfd结构，用于指定测试某个给定描述符fd的条件。

struct pollfd {
        int   fd;         /* file descriptor */
        short events;     /* requested events */
        short revents;    /* returned events */
};

要测试的条件由events成员指定，函数在相应的revents成员中返回该描述符的状态。

这里每个描述符都有两个变量，一个为调用值，一个为返回结果，避免了使用值结果参数。

该结构中events和revents成员所用的常值如下表：

该表中，前四个处理输入，中间三个处理输出，最后三个处理异常。

就TCP/UDP而言，如下几种情况引起poll返回特定的revent

(1) 所有正规TCP数据和所有UDP数据都被认为时普通数据

(2) TCP的带外数据被认为时优先级带数据

(3) 当TCP连接的读半部关闭时，也被认为时普通数据，随后的读操作将返回0

(4) TCP连接存在错误既可认为是普通数据，也可认为时错误，无论哪种情况，随后的读操作都会返回-1，并把errno设为合适的值

(5) 在监听套接字上有新的连接可用既可认为时普通数据，也可认为时优先级数据。

(6) 非阻塞式connect的完成被认为是使相应套接字可写

对于第二个参数nfds：表示结构数组中元素的个数

对于第三个参数timeout：指定poll函数返回前等待多长时间。

timeout值	说明
INFINT	永远等待
0	立即返回，不阻塞进程
大于0	等待指定数目的毫秒数

在select函数中，FD_SETSIZE以及每个描述符集中最大描述符数目这些都涉及到固定值。但是在poll函数中分配一个pollfd数组并把该数组中元素的数据通知内核成了调用者的责任，内核不再需要知道这些固定大小的数据类型。

7. TCP回射服务器再修改版

#include    "unp.h"
#include    <limits.h>      /* for OPEN_MAX */

int
main(int argc, char **argv)
{
    int                 i, maxi, listenfd, connfd, sockfd;
    int                 nready;
    ssize_t             n;
    char                buf[MAXLINE];
    socklen_t           clilen;
    struct pollfd       client[OPEN_MAX];
    struct sockaddr_in  cliaddr, servaddr;

    listenfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family      = AF_INET;
    servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    servaddr.sin_port        = htons(SERV_PORT);

    Bind(listenfd, (SA *) &servaddr, sizeof(servaddr));

    Listen(listenfd, LISTENQ);

    client[0].fd = listenfd;
    client[0].events = POLLRDNORM;
    for (i = 1; i < OPEN_MAX; i++)//由调用者指定OPEN_MAX
        client[i].fd = -1;      //初始化为-1，表示可用
    maxi = 0;               //client数组中已用项的最大序号
    for ( ; ; ) {
        nready = Poll(client, maxi+1, INFTIM);

        if (client[0].revents & POLLRDNORM) {//新客户连接
            clilen = sizeof(cliaddr);
            connfd = Accept(listenfd, (SA *) &cliaddr, &clilen);//返回已连接客户套接字
#ifdef  NOTDEF
            printf("new client: %s\n", Sock_ntop((SA *) &cliaddr, clilen));
#endif

            for (i = 1; i < OPEN_MAX; i++)//与select不同，这里的最大值均由调用者指定
                if (client[i].fd < 0) {//找到第一个可用项
                    client[i].fd = connfd;  //保存已连接套接字描述符
                    break;
                }
            if (i == OPEN_MAX)
                err_quit("too many clients");

            client[i].events = POLLRDNORM;
            if (i > maxi)
                maxi = i;           //更新已用项的最大序号值

            if (--nready <= 0)
                continue;           //没有已连接套接字了
        }

        for (i = 1; i <= maxi; i++) {   //检查client数组中所有项
            if ( (sockfd = client[i].fd) < 0)
                continue;
            //有些实现在一个连接上接收到RST时返回的时POLLERR事件，而其他实现返回的只是POLLRDNORM事件
            if (client[i].revents & (POLLRDNORM | POLLERR)) {//查看返回的revents状态
                if ( (n = read(sockfd, buf, MAXLINE)) < 0) {
                    if (errno == ECONNRESET) {
                            //由用户来关闭该套接字
#ifdef  NOTDEF
                        printf("client[%d] aborted connection\n", i);
#endif
                        Close(sockfd);
                        client[i].fd = -1;
                    } else
                        err_sys("read error");
                } else if (n == 0) {
                        //由用户来关闭该套接字
#ifdef  NOTDEF
                    printf("client[%d] closed connection\n", i);
#endif
                    Close(sockfd);
                    client[i].fd = -1;
                } else
                    Writen(sockfd, buf, n);

                if (--nready <= 0)
                    break;              //没有已连接套接字了
            }
        }
    }
}