I/O多路复用使得程序能同时监听多个文件描述符,能够提高程序的性能,Linux 下实现 I/O 多路复用的系统调用主要有 select
、poll
和 epoll
。
通过多线程或进程处理多个客户端,每个线程/进程对应一个客户端
select/poll:
epoll:
// sizeof(fd_set) = 128 1024
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/select.h>
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
参数:
- nfds : 委托内核检测的最大文件描述符的值 + 1
- readfds : 要检测的文件描述符的读的集合,委托内核检测哪些文件描述符的读的属性
- 一般只检测读操作
- 对应的是对方发送过来的数据,因为读是被动的接收数据,检测的就是读缓冲区
- 是一个传入传出参数
- writefds : 要检测的文件描述符的写的集合,委托内核检测哪些文件描述符的写的属性
- 委托内核检测写缓冲区是不是还可以写数据(不满的就可以写)
- exceptfds : 检测发生异常的文件描述符的集合
- timeout : 设置的超时时间
struct timeval {
long tv_sec; /* seconds */
long tv_usec; /* microseconds */
};
- NULL : 永久阻塞,直到检测到了文件描述符有变化
- tv_sec = 0 tv_usec = 0, 不阻塞
- tv_sec > 0 tv_usec > 0, 阻塞对应的时间
- 返回值 : - -1 : 失败
- >0(n) : 检测的集合中有n个文件描述符发生了变化
// 将参数文件描述符fd对应的标志位设置为0
void FD_CLR(int fd, fd_set *set);
// 判断fd对应的标志位是0还是1, 返回值 : fd对应的标志位的值,0,返回0, 1,返回1
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set);
// 将参数文件描述符fd 对应的标志位,设置为1
void FD_SET(int fd, fd_set *set);
// fd_set一共有1024 bit, 全部初始化为0
void FD_ZERO(fd_set *set);
客户端A、B、C、D对应的描述符为3、4、100、101,并连接到服务器,
假设要检测读时间,那么首先创建fd_set_reads集合,fd_set有1024个比特位,每一个比特位对应一个文件描述符;
要检测这四个客户端是否有数据到达,就通过FD_SET()将客户端对应的描述符的标志位置为1,然后调用select(),将fd_set从用户态拷贝到内核态;
假设A、B发送了数据,那么内核从0遍历到101,当遍历到3-4时发现有数据,就将3-4置为1,当遍历到100-101时发现没有数据,就将100-101置为0;
内核检测完成后将fd_set从内核态拷贝到用户态,遍历fd_set发现3-4发生变化、接收到了数据。
对select()的改进,实现原理类似
#include <poll.h>
struct pollfd {
int fd; //委托内核检测的文件描述符
short events; //委托内核检测文件描述符的什么事件
short revents; //文件描述符实际发生的事件
};
例如:
struct pollfd myfd;
myfd.fd = 5;
myfd.events = POLLIN | POLLOUT;
int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
参数:
- fds : 是一个struct pollfd 结构体数组,需要检测的文件描述符的集合
- nfds : 第一个参数数组中最后一个有效元素的下标 + 1
- timeout : 阻塞时长
0 : 不阻塞
-1 : 阻塞,当检测到需要检测的文件描述符有变化,解除阻塞
>0 : 阻塞的时长
返回值:
-1 : 失败
>0(n) : 成功,n表示检测到集合中有n个文件描述符发生变化
poll()改进了select()支持的文件描述符数量太小和fds集合不能重用的缺点,但依然每次调用poll()时需要把fd集合从用户态拷贝到内核态,并且在内核态遍历传递进来的所有fd.
通过epoll_create
在内核创建一个epoll实例(eventpoll结构体类型),返回值是一个文件描述符,可以通过文件描述符使用epoll API操作内核中的epoll实例;
通过epoll_ctl()
委托内核向eventpoll数据结构中添加要检测数据发送改变的文件描述符的信息,在eventpoll数据结构中,有两个重要的成员:rbr是需要检测的文件描述符的信息(红黑树),rdlist是就绪列表,存放检测到数据发生改变的文件描述符信息(双向链表);
通过epoll_wait()
委托内核检测eventpoll数据结构中是否有数据发生改变,如果有就发生改变的文件描述符信息存储到rdlist中,并将改变了的数据返回;
最后通过for
循环遍历数据发生改变的数据进行读写操作。
#include <sys/epoll.h>
int epoll_create(int size);
参数:
size : 没有意义,任意一个大于0的数都可
返回值: -1 : 失败
> 0 : 文件描述符,操作epoll实例的
// 对epoll实例进行管理:添加文件描述符信息,删除信息,修改信息
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
参数:
- epfd : epoll实例对应的文件描述符
- op : 要进行什么操作
EPOLL_CTL_ADD: 添加
EPOLL_CTL_MOD: 修改
EPOLL_CTL_DEL: 删除
- fd : 要检测的文件描述符
- event : 检测文件描述符什么事情,读还是写
struct epoll_event {
uint32_t events; //Epoll检测事件
epoll_data_t data; //用户数据信息
};
常见的Epoll检测事件:
- EPOLLIN
- EPOLLOUT
- EPOLLERR
typedef union epoll_data {
void *ptr;
int fd;
uint32_t u32;
uint64_t u64;
} epoll_data_t;
// 检测函数
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);
参数:
- epfd : epoll实例对应的文件描述符
- events : 传出参数,保存了发送了变化的文件描述符的信息(与epoll_ctl不一样)
- maxevents : 第二个参数结构体数组的大小
- timeout : 阻塞时间
0 : 不阻塞
-1 : 阻塞,直到检测到fd数据发生变化,解除阻塞 -
> 0 : 阻塞的时长(毫秒)
返回值: - 成功,返回发送变化的文件描述符的个数 > 0
- 失败,返回-1
LT(level - triggered)是缺省的工作方式,并且同时支持 block 和 no-block socket。在这种做法中,内核告诉你一个文件描述符是否就绪了,然后你可以对这个就绪的 fd 进行 IO 操作。如果你不作任何操作,内核还是会继续通知你的。
示例:
假设委托内核检测读事件 -> 检测fd的读缓冲区
读缓冲区有数据 - > epoll检测到了会给用户通知
a.用户不读数据,数据一直在缓冲区,epoll 会一直通知
b.用户只读了一部分数据,epoll会通知
c.缓冲区的数据读完了,不通知
ET(edge - triggered)是高速工作方式,只支持 no-block socket。在这种模式下,当描述符从未就绪变为就绪时,内核通过epoll告诉你。然后它会假设你知道文件描述符已经就绪,并且不会再为那个文件描述符发送更多的就绪通知,直到你做了某些操作导致那个文件描述符不再为就绪状态了。但是请注意,如果一直不对这个 fd 作 IO 操作(从而导致它再次变成未就绪),内核不会发送更多的通知(only once)。
ET 模式在很大程度上减少了 epoll 事件被重复触发的次数,因此效率要比 LT 模式高。epoll工作在 ET 模式的时候,必须使用非阻塞套接口,以避免由于一个文件句柄的阻塞读/阻塞写操作把处理多个文件描述符的任务饿死。
示例:
假设委托内核检测读事件 -> 检测fd的读缓冲区
读缓冲区有数据 - > epoll检测到了会给用户通知
a.用户不读数据,数据一致在缓冲区中,epoll下次检测的时候就不通知了
b.用户只读了一部分数据,epoll不通知
c.缓冲区的数据读完了,不通知
struct epoll_event {
uint32_t events; //Epoll检测事件
epoll_data_t data; //用户数据信息
};
常见的Epoll检测事件:
- EPOLLIN
- EPOLLOUT
- EPOLLERR
- EPOLLET //设置边沿触发