I/O多路复用
Linux下实现I/O复用的系统调用方式主要:select、poll、epoll。
I/O多路复用
Linux下实现I/O复用的系统调用方式主要:select、poll、epoll。
select
系统调用
select系统调用可在一段指定时间内,监听文件描述符上的可读、可写和异常等事件,判断发生的事件需要轮询。
#include <sys/select.h>//select监听文件描述符事件
//nfds: 被监听文件描述符中最大值+1
//readfds: 可读事件对应的文件描述符集,对应位置1;会被内核修改,返回时无事件的置0。
//writefds: 可写事件对应的文件描述符集,对应位置1;会被内核修改,返回时无事件的置0。
//exceptfds:异常事件对应的文件描述符集,对应位置1;会被内核修改,返回时无事件的置0。
//timeout
//return: 返回就绪文件描述符中最大值+1
int select(int nfds, fd_set* readfds, fd_set* writefds, fd_set* exceptfds, struct timeval* timeout);
//fd_set比特向量操作
FD_ZERO(fd_set *fdset); //清楚fdset中所有比特位
FD_SET(int fd, fd_set *fdset); //设置fdset中比特位fd
FD_CLR(int fd, fd_set *fdset); //清除fdset中比特位fd
FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset); //测试fdset中比特位fd是否被设置,用于判断是否有事件发生
select事件类型
socket可读
select可读(readfds)
- socket内核接收缓存区字节数大于或等于低水位标记SO_RCVLOWAT。读操作返回读取字节数。
- 读关闭:socket通信的对方关闭连接。读操作返回0。
- 错误:socket上有未处理的错误。可以使用getsockopt读取和清楚错误。
- 连接请求:监听socket上有新的连接请求。
socket可写(writefds)
- 可写:socket内核发送缓存区中的可用字节数大于或等于低水位标记SO_SNDLOWAT。写操作返回实际写字节数。
- 写关闭:写操作被关闭,对写关闭的socket执行写操作将触发一个SIGPIPE信号。
- 错误:socket上有未处理的错误。可以使用getsockopt读取和清楚错误。
- 连接结果:socket使用非阻塞的connect连接成功或者失败(超时)之后。
socket异常(exceptfds)
- 网络程序中,select能处理的异常情况只有一种,即socket上接收到带外数据。
poll
系统调用
poll系统调用与select类似,需要轮询判断监听文件描述符集上的事件,但没有监听文件描述符数量限制。
#include <poll.h>//poll监听文件描述符上指定的事件
//fds: pollfd结构类型的数组
//nfds: pollfd数组长度
//return: 返回就绪文件描述符中最大值+1
int poll(struct pollfd* fds, nfds_t nfds, int timeout);
//pollfd结构体,描述文件描述符上的可读、可写、异常等事件
struct pollfd{
int fd; //文件描述符
short events; //注册的事件,一系列事件的按位或
short revents; //实际发生的事件,由内核填充,一些列事件的按位或
}
poll事件类型
事件 描述 是否可作为输入 是否可作为输出
POLLIN
普通或优先数据可读
是
是
POLLRDNORM
普通数据可读
是
是
POLLRDBAND
优先级带数据可读(linux不支持)
是
是
POLLPRI
高优先级数据可读,如TCP带外数据
是
是
POLLOUT
普通或优先数据可写
是
是
POLLWRNORM
普通数据可写
是
是
POLLWRBAND
优先级带数据可写
是
是
POLLRDHUB
TCP连接被对方关闭,或者对方关闭了写操作。由GNU引入
是
是
POLLERR
错误
否
是
POLLHUB
挂起。比如管道的写端被关闭,读端描述符上将收到POLLHUB事件
否
是
POLLNVAL
文件描述符没有打开
否
是
epoll
epoll相比select更加高效,主要体现在:
- epoll使用内核事件表维护监听的文件描述符集,避免频繁的用户空间与内核空间频繁的拷贝开销。
- epoll直接返回发生事件的文件描述符即,避免了用户程序轮询的开销。
- epoll内部通过注册回调函数的方式,监听特定文件描述符上的时间,避免了内核轮询开销。
- epoll提供了高效的边沿触发模式,边沿触发带来编程上的复杂性。
LT与ET模式
使用epoll监听文件描述符时,有两种事件触发模式:
- 水平触发(LT):epoll默认使用水平触发。
- 边沿触发(ET):往epoll内核事件表这种注册一个文件描述符上的EPOLLET时,将进行边沿触发。相比较水平触发,边沿触发更加高效。
系统调用
epoll在内核中使用事件表(红黑树)维护监听的文件描述符,并支持对事件表的增删改。
- 创建事件表:epoll_create,返回一个内核事件表的文件描述符。
- 操作事件表:epoll_ctl,对事件表进行增、删、改。
- 监听事件表:epoll_wait,监听事件表上的事件。
#include <sys/epoll.h>//epoll事件结构体
strcut epoll_event{
_uint32_t events; //epoll事件
epoll_data_t data; //用户数据,包含监听的文件描述符信息
}
//用户数据联合体
typedef union epoll_data{
void* ptr; //指定与fd相关的用户数据,用户数据包含监听的文件描述符
int fd; //监听的文件描述符fd(常用)
uint32_t u32;
uint64_t u64;
} epoll_data_t;
//创建epoll内核事件表
//size: 提示内核需要的事件表多大
int epoll_create(int size);
//操作epoll内核事件表
//epfd: epoll内核事件表
//op: 参数指定操作,包括增(EPOLL_CTL_ADD)、删(EPOLL_CTL_DEL)、改(EPOLL_CTL_MOD)
//fd: 被操作的文件描述符
//event:事件
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
//监听事件表上文件描述符的事件
//epfd: epoll内核事件表
//events: 就绪事件数组,由内核修改
//maxevents:最多监听事件数
//timeout:
//return: 就绪文件描述符个数
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event* events, int maxevents, int timeout);
事件类型
epoll支持的时间类型和poll基本相同,表示epoll时间类型的宏实在poll对应的宏前加上‘E’,如EPOLLIN。
示例
服务端
服务端代码功能:
- 创建socket
- 为socket绑定固定地址和端口
- 监听套接字等待客户端连接
- 接收客户端连接,获取连接socket
- 使用select、poll或epoll监听连接socket的可读事件
- 连接socket可读事件发生时,从连接socket中读取数据
select
#include <sys/types.h>#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <assert.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
if (argc <= 2)
{
printf("usage: %s ip_address port_number
", basename(argv[0]));
return 1;
}
const char *ip = argv[1];
int port = atoi(argv[2]);
printf("ip is %s and port is %d
", ip, port);
int ret = 0;
struct sockaddr_in address;
bzero(&address, sizeof(address));
address.sin_family = AF_INET;
inet_pton(AF_INET, ip, &address.sin_addr);
address.sin_port = htons(port);
int listenfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
assert(listenfd >= 0);
ret = bind(listenfd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address));
assert(ret != -1);
ret = listen(listenfd, 5);
assert(ret != -1);
struct sockaddr_in client_address;
socklen_t client_addrlength = sizeof(client_address);
int connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&client_address, &client_addrlength);
if (connfd < 0)
{
printf("errno is: %d
", errno);
close(listenfd);
}
char remote_addr[INET_ADDRSTRLEN];
printf("connected with ip: %s and port: %d
", inet_ntop(AF_INET, &client_address.sin_addr, remote_addr, INET_ADDRSTRLEN), ntohs(client_address.sin_port));
char buf[1024];
fd_set read_fds;
fd_set exception_fds;
FD_ZERO(&read_fds);
FD_ZERO(&exception_fds);
int nReuseAddr = 1;
setsockopt(connfd, SOL_SOCKET, SO_OOBINLINE, &nReuseAddr, sizeof(nReuseAddr));
while (1)
{
memset(buf, "", sizeof(buf));
FD_SET(connfd, &read_fds);
FD_SET(connfd, &exception_fds);
ret = select(connfd + 1, &read_fds, NULL, &exception_fds, NULL);
printf("select one
");
if (ret < 0)
{
printf("selection failure
");
break;
}
if (FD_ISSET(connfd, &read_fds))
{
ret = recv(connfd, buf, sizeof(buf) - 1, 0);
if (ret <= 0)
{
printf("can not read
");
break;
}
printf("get %d bytes of normal data: %s
", ret, buf);
}
else if (FD_ISSET(connfd, &exception_fds))
{
ret = recv(connfd, buf, sizeof(buf) - 1, MSG_OOB);
if (ret <= 0)
{
printf("can not read
");
break;
}
printf("get %d bytes of oob data: %s
", ret, buf);
}
}
close(connfd);
close(listenfd);
return 0;
}
poll
#include <sys/types.h>#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <assert.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
#include <poll.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
if (argc <= 2)
{
printf("usage: %s ip_address port_number
", basename(argv[0]));
return 1;
}
const char *ip = argv[1];
int port = atoi(argv[2]);
printf("ip is %s and port is %d
", ip, port);
int ret = 0;
struct sockaddr_in address;
bzero(&address, sizeof(address));
address.sin_family = AF_INET;
inet_pton(AF_INET, ip, &address.sin_addr);
address.sin_port = htons(port);
int listenfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
assert(listenfd >= 0);
ret = bind(listenfd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address));
assert(ret != -1);
ret = listen(listenfd, 5);
assert(ret != -1);
struct sockaddr_in client_address;
socklen_t client_addrlength = sizeof(client_address);
int connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&client_address, &client_addrlength);
if (connfd < 0)
{
printf("errno is: %d
", errno);
close(listenfd);
}
char remote_addr[INET_ADDRSTRLEN];
printf("connected with ip: %s and port: %d
", inet_ntop(AF_INET, &client_address.sin_addr, remote_addr, INET_ADDRSTRLEN), ntohs(client_address.sin_port));
char buf[1024];
pollfd poll_fds[1];
bzero(poll_fds, sizeof(poll_fds));
poll_fds[0].fd = connfd;
poll_fds[0].events = POLLIN;
int nReuseAddr = 1;
setsockopt(connfd, SOL_SOCKET, SO_OOBINLINE, &nReuseAddr, sizeof(nReuseAddr));
while (1)
{
memset(buf, "", sizeof(buf));
ret = poll(poll_fds, 1, -1);
printf("select one
");
if (ret < 0)
{
printf("selection failure
");
break;
}
if (poll_fds[0].events == POLLIN)
{
ret = recv(connfd, buf, sizeof(buf) - 1, 0);
if (ret <= 0)
{
printf("can not read
");
break;
}
printf("get %d bytes of normal data: %s
", ret, buf);
}
}
close(connfd);
close(listenfd);
return 0;
}
epoll
#include <sys/types.h>#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <assert.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/epoll.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
if (argc <= 2)
{
printf("usage: %s ip_address port_number
", basename(argv[0]));
return 1;
}
const char *ip = argv[1];
int port = atoi(argv[2]);
printf("ip is %s and port is %d
", ip, port);
int ret = 0;
struct sockaddr_in address;
bzero(&address, sizeof(address));
address.sin_family = AF_INET;
inet_pton(AF_INET, ip, &address.sin_addr);
address.sin_port = htons(port);
int listenfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
assert(listenfd >= 0);
ret = bind(listenfd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address));
assert(ret != -1);
ret = listen(listenfd, 5);
assert(ret != -1);
struct sockaddr_in client_address;
socklen_t client_addrlength = sizeof(client_address);
int connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&client_address, &client_addrlength);
if (connfd < 0)
{
printf("errno is: %d
", errno);
close(listenfd);
}
char remote_addr[INET_ADDRSTRLEN];
printf("connected with ip: %s and port: %d
", inet_ntop(AF_INET, &client_address.sin_addr, remote_addr, INET_ADDRSTRLEN), ntohs(client_address.sin_port));
char buf[1024];
//创建内核事件表
int epfd = epoll_create(10);
//注册事件
epoll_event event;
event.data.fd = connfd;
event.events = EPOLLIN;
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, connfd, &event);
//就绪事件数组
epoll_event events[10];
int nReuseAddr = 1;
setsockopt(connfd, SOL_SOCKET, SO_OOBINLINE, &nReuseAddr, sizeof(nReuseAddr));
while (1)
{
memset(buf, "", sizeof(buf));
ret = epoll_wait(epfd, events, 1, -1);
printf("select one
");
if (ret < 0)
{
printf("errno: %d
", errno);
printf("selection failure
");
break;
}
if (events[0].events == EPOLLIN)
{
ret = recv(connfd, buf, sizeof(buf) - 1, 0);
if (ret <= 0)
{
printf("can not read
");
break;
}
printf("get %d bytes of normal data: %s
", ret, buf);
}
}
close(connfd);
close(listenfd);
return 0;
}
客户端
客户端代码功能:
- 创建套接字
- 请求连接
- 发送数据
- 关闭连接。
#include <sys/socket.h>#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <assert.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
if (argc <= 2)
{
printf("usage: %s ip_address port_number
", basename(argv[0]));
return 1;
}
const char *ip = argv[1];
int port = atoi(argv[2]);
struct sockaddr_in server_address;
bzero(&server_address, sizeof(server_address));
server_address.sin_family = AF_INET;
inet_pton(AF_INET, ip, &server_address.sin_addr);
server_address.sin_port = htons(port);
int sockfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
assert(sockfd >= 0);
if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&server_address, sizeof(server_address)) < 0)
{
printf("connection failed
");
}
else
{
printf("send oob data out
");
const char *oob_data = "abc";
const char *normal_data = "123";
send(sockfd, normal_data, strlen(normal_data), 0);
send(sockfd, oob_data, strlen(oob_data), MSG_OOB);
send(sockfd, normal_data, strlen(normal_data), 0);
}
close(sockfd);
return 0;
}
以上是 I/O多路复用 的全部内容, 来源链接: utcz.com/z/520422.html