【Linux网络编程】 I/O复用

总结《Linux高性能服务器编程》第9章

第9章 I/O复用

• I/O复用使得程序能同时监听多个文件描述符，这对提高程序的性能至关重要：
  • 客户端程序要同时处理多个socket，或同时处理用户输入和网络连接；
  • 服务器要同时监听多个端口，或者处理多种服务，或者同时处理TCP请求和UDP请求；
  • TCP服务器要同时处理监听socket和连接socket；
• I/O复用虽然能同时监听多个文件描述符，但它本身是阻塞的；
• Linux下实现I/O复用的系统调用主要有select、poll和epoll；

select系统调用

• 用途：在一段指定时间内，监听用户感兴趣的文件描述符上的可读、可写和异常等事件；

• select API

  #include＜sys/select.h＞
  int select(int nfds, fd_set* readfds, fd_set*writefds, fd_set* exceptfds, struct timeval* timeout);
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  • nfds参数指定被监听的文件描述符的总数;
  • readfds、writefds和exceptfds参数分别指向可读、可写和异常事件对应的文件描述符集合；
  • timeout参数用来设置select函数的超时时间；
  • 返回值：
    • 成功时返回就绪（可读、可写和异常）文件描述符的总数；
    • 超时时间内没有任何文件描述符就绪，select将返回0；
    • 如果在select等待期间，程序接收到信号，则select立即返回-1，并设置errno为EINTR；
    • 失败时返回-1并设置errno；

• 文件描述符就绪条件

  • 在网络编程中，下列情况下socket可读：
    • socket内核接收缓存区中的字节数大于或等于其低水位标记SO_RCVLOWAT；
    • socket通信的对方关闭连接，此时对该socket的读操作将返回0；
    • 监听socket上有新的连接请求；
    • socket上有未处理的错误；
  • 下列情况下socket可写：
    • socket内核发送缓存区中的可用字节数大于或等于其低水位标记SO_SNDLOWAT；
    • socket的写操作被关闭；
    • socket使用非阻塞connect连接成功或者失败（超时）之后；
    • socket上有未处理的错误；
  • select能处理的异常情况：接收到带外数据；

• 处理带外数据

  • socket上接收到普通数据和带外数据都将使select返回，但socket处于不同的就绪状态：
    • 普通数据使socket处于可读状态；
    • 带外数据使socket处于异常状态；

poll系统调用

• 在指定时间内轮询一定数量的文件描述符，以测试其中是否有就绪者；

  #include＜poll.h＞
  int poll(struct pollfd* fds, nfds_t nfds, int timeout);
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  • fds参数是一个pollfd结构类型的数组，指定所有用户感兴趣的文件描述符上发生的可读、可写和异常等事件；

    struct pollfd
    {
    int fd;/*文件描述符*/
    short events;/*注册的事件，fd上一系列事件的按位或*/
    short revents;/*实际发生的事件，由内核填充*/
    };
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  • nfds参数指定被监听事件集合fds的大小；

  • timeout参数指定poll的超时值；

  • poll系统调用的返回值的含义与select相同；

epoll系列系统调用

• epoll是Linux特有的I/O复用函数，在实现和使用上与select、poll有很大差异：

  • epoll使用一组函数来完成任务，而不是单个函数；
  • epoll把用户关心的文件描述符上的事件放在内核里的一个事件表中，无须重复传入事件集；
  • epoll需要使用一个额外的文件描述符来标识内核事件表；

• 内核事件表

  • 创建文件描述符标识内核事件表

    #include＜sys/epoll.h＞
    int epoll_create(int size)
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  • 操作内核事件表

    #include＜sys/epoll.h＞
    int epoll_ctl(int epfd,int op,int fd,struct epoll_event*event)
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    fd参数是要操作的文件描述符，op参数指定操作类型，event参数指定事件；

    • EPOLL_CTL_ADD，往事件表中注册fd上的事件；
      EPOLL_CTL_MOD，修改fd上的注册事件；
      EPOLL_CTL_DEL，删除fd上的注册事件；

• epoll_wait函数

  • epoll系列系统调用的主要接口是epoll_wait函数。它在一段超时时间内等待一组文件描述符上的事件；

    #include＜sys/epoll.h＞
    int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event* events, int maxevents, int timeout);
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    • epoll_wait函数如果检测到事件，就将所有就绪的事件从内核事件表（由epfd参数指定）中复制到第二个参数events指向的数组中；
    • events数组只用于输出epoll_wait检测到的就绪事件，而不像select和poll的数组参数那样既用于传入用户注册的事件，又用于输出内核检测到的就绪事件，从而提高应用程序索引就绪文件描述符的效率；

• LT和ET模式

  • epoll对文件描述符的操作有两种模式：LT（Level Trigger，电平触发）模式和ET（Edge Trigger，边沿触发）模式；
  • 采用LT工作模式的文件描述符：当epoll_wait检测到其上有事件发生并将此事件通知应用程序后，应用程序可以不立即处理该事件，当应用程序下一次调用epoll_wait时，epoll_wait还会再次向应用程序通告此事件；
  • 采用ET工作模式：应用程序必须立即处理该事件，因为后续的epoll_wait调用将不再向应用程序通知这一事件；
  • ET模式在很大程度上降低了同一个epoll事件被重复触发的次数，因此效率要比LT模式高；

• EPOLLONESHOT事件

  • 实现同一时刻只有一个线程在为某个socket服务，但一个socket在不同时间可能被不同的线程处理；

三组I/O复用函数的比较

I/O复用的高级应用

• 非阻塞connect

  • 在对非阻塞的socket调用connect，而连接又没有立即建立时，可以调用select、poll
    等函数来监听这个连接失败的socket上的可写事件，函数返回后再利用getsockopt来读取错误码并清除该socket上的错误，这种非阻塞connect方式能同时发起多个连接并一起等待；

代码清单9-5 非阻塞connect

• 聊天室程序

  • 使用I/O复用同时处理网络连接和用户输入；
  • 客户端：从标准输入终端读入用户数据，并将用户数据发送至服务器；往标准输出终端打印服务器发送给它的数据；
    • 使用poll同时监听用户输入和网络连接，利用splice函数将用户输入内容直接定向到网络连接上发送，实现数据零拷贝，提高了程序执行效率；
  • 服务器：接收客户数据，并把客户数据发送给每一个登录到该服务器上的客户端；
    • 使用poll同时管理监听socket和连接socket；

代码清单9-7 聊天室服务器程序

• 回射服务器

  • 在实际应用中，有不少服务器程序能同时监听多个端口，比如超级服务inetd和android的调试服务adbd；
  • 服务器如果要同时监听多个端口，就必须创建多个socket，并将它们分别绑定到各个端口上；
  • 如果服务器要同时处理该端口上的TCP和UDP请求，则也需要创建两个不同的socket：流socket和数据报socket，并将它们都绑定到该端口上；

代码清单9-8 同时处理TCP请求和UDP请求的回射服务器

超级服务xinetd

• Linux因特网服务inetd是超级服务，它同时管理着多个子服务，即监听多个端口；
• xinetd是inetd的升级版，原理与inetd相同，但增加了一些控制选项，并提高了安全性。