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0. I/O多路复用
所谓I/O就是对socket提供的内存缓冲区的写入和读出。 多路复用就是指程序能同时监听多个文件描述符。
之前的学习中写了多进程和多线程版的简单服务器模型#xff0c;但是有个问题#xff1a;每次新来一个客…此为牛客Linux C课程和黑马Linux系统编程笔记。
0. I/O多路复用
所谓I/O就是对socket提供的内存缓冲区的写入和读出。 多路复用就是指程序能同时监听多个文件描述符。
之前的学习中写了多进程和多线程版的简单服务器模型但是有个问题每次新来一个客户端TCP连接请求就需要新建一个进程或线程来与之进行信息传输但是如果连接的客户端太多就会出现所谓C10K问题 当创建的进程或线程多了数据拷贝频繁缓存I/O、内核将数据拷贝到用户进程空间、阻塞进程/线程上下文切换消耗大导致操作系统崩溃这就是C10K问题的本质。 所以为每个请求分配一个进程/线程的方式不合适进程或线程本身会消耗资源且线程或进程调度也会消耗CPU资源。所以I/O 多路复用技术应运而生让一个进程或线程处理多个请求。
Linux 下实现 I/O 多路复用的系统调用主要有 select、poll 和 epoll本篇介绍select和poll。
1. select
主旨思想
首先要构造一个关于文件描述符的列表将要监听的文件描述符添加到该列表中。调用一个系统函数监听该列表中的文件描述符直到这些描述符中的一个或者多个进行I/O 操作时该函数才返回。 a.这个函数是阻塞 b.函数对文件描述符的检测的操作是由内核完成的在返回时它会告诉进程有多少哪些描述符要进行I/O操作。
1.1 select API介绍
#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 1readfds : 要检测的文件描述符的读的集合即委托内核检测哪些文件描述符的读的属性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writefds : 要检测的文件描述符的写的集合即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 注意以上三个是传入传出参数以readfds为例传入的时候将需要监听读事件的文件描述符对应fd_set位置为1传入执行select后select将把readfds中真正监听到读事件的文件描述符的对应位保持为1而把没有到读事件的文件描述符的对应位修改为0这样我们再遍历这个传出的fd_set哪个文件描述符对应位为1就说明监听到了哪个文件描述符的读事件。 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
对于第2、3、4个参数涉及到的fd_set它是一个文件描述符的位图默认为1024位可以理解成一个一维数组可把数组的下标看作文件描述符的值数组的值为1表示需要监听该下标所对应的文件描述符。关于fd_set的设置可使用以下宏
// 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);1.2 select使用过程示例
比如说现在客户端ABCD已经连接了服务器其socket文件描述符分别是3、4、100、101。我们想要使用select监听这四个客户端的读事件该如何做 如图首先建立一个fd_set调用FD_ZERO初始化其每一位都是0我们现在需要调用FD_SET把想要监听的文件描述符的对应位置1 这样fd_set就设置好了我们调用select第一个参数是想监听的最大文件描述符1所以传入1011第二个参数传入reads的地址。此后内核便负责监听这四个socket文件的读缓冲区。 假如说A和B发送了数据调用select后3、4对应的位不变而没有检测到读事件的100和101就被赋为0然后传出。我们通过FD_ISSET遍历reads就可以判断哪些客户端发送了数据。
1.3 select示例程序
#include stdio.h
#include arpa/inet.h
#include unistd.h
#include stdlib.h
#include string.h
#include sys/select.hint main() {// 创建socketint lfd socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);struct sockaddr_in saddr;saddr.sin_port htons(9999);saddr.sin_family AF_INET;saddr.sin_addr.s_addr INADDR_ANY;// 绑定bind(lfd, (struct sockaddr *)saddr, sizeof(saddr));// 监听listen(lfd, 8);// 创建一个fd_set的集合存放的是需要检测的文件描述符fd_set rdset, tmp;FD_ZERO(rdset);FD_SET(lfd, rdset);int maxfd lfd;while(1) {tmp rdset;// 调用select系统函数让内核帮检测哪些文件描述符有数据int ret select(maxfd 1, tmp, NULL, NULL, NULL);if(ret -1) {perror(select);exit(-1);} else if(ret 0) {continue;} else if(ret 0) {// 说明检测到了有文件描述符的对应的缓冲区的数据发生了改变if(FD_ISSET(lfd, tmp)) {// 表示有新的客户端连接进来了struct sockaddr_in cliaddr;int len sizeof(cliaddr);int cfd accept(lfd, (struct sockaddr *)cliaddr, len);// 将新的文件描述符加入到集合中FD_SET(cfd, rdset);// 更新最大的文件描述符maxfd maxfd cfd ? maxfd : cfd;}// 我们需要遍历来确定哪个文件描述符发送来了数据// 这是select的缺点之一for(int i lfd 1; i maxfd; i) {if(FD_ISSET(i, tmp)) {// 说明这个文件描述符对应的客户端发来了数据char buf[1024] {0};int len read(i, buf, sizeof(buf));if(len -1) {perror(read);exit(-1);} else if(len 0) {printf(client closed...\n);close(i);FD_CLR(i, rdset);} else if(len 0) {printf(read buf %s\n, buf);write(i, buf, strlen(buf) 1);}}}}}close(lfd);return 0;
}1.4 select的缺点 2. poll
poll是对select的改进。poll和select的使用方法很像但对select有以下改进
突破了1024的打开文件上限数原因是它是基于链表来存储的。select中fd_set是被内核和用户共同修改的而poll分离了监听事件集合和返回事件集合可以使编程更简洁。
2.1 poll API介绍
#include poll.h
int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);参数
fds : 是一个struct pollfd 结构体数组这是一个需要检测的文件描述符的集合
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 */
};其中events和revents有以下可选项选择多个可用|进行连接 以下是创建该结构体的示例
struct pollfd myfd;
myfd.fd 5;
myfd.events POLLIN | POLLOUT;nfds : 这个是第一个参数数组中最后一个有效元素的下标 1timeout : 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
2.2 poll 示例程序
#include stdio.h
#include arpa/inet.h
#include unistd.h
#include stdlib.h
#include string.h
#include poll.hint main() {// 创建socketint lfd socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);struct sockaddr_in saddr;saddr.sin_port htons(9999);saddr.sin_family AF_INET;saddr.sin_addr.s_addr INADDR_ANY;// 绑定bind(lfd, (struct sockaddr *)saddr, sizeof(saddr));// 监听listen(lfd, 8);// 初始化检测的文件描述符数组struct pollfd fds[1024];for(int i 0; i 1024; i) {fds[i].fd -1;fds[i].events POLLIN;}fds[0].fd lfd;int nfds 0;while(1) {// 调用poll系统函数让内核帮检测哪些文件描述符有数据int ret poll(fds, nfds 1, -1);if(ret -1) {perror(poll);exit(-1);} else if(ret 0) {continue;} else if(ret 0) {// 说明检测到了有文件描述符的对应的缓冲区的数据发生了改变if(fds[0].revents POLLIN) {// 表示有新的客户端连接进来了struct sockaddr_in cliaddr;int len sizeof(cliaddr);int cfd accept(lfd, (struct sockaddr *)cliaddr, len);// 将新的文件描述符加入到集合中for(int i 1; i 1024; i) {if(fds[i].fd -1) {fds[i].fd cfd;fds[i].events POLLIN;break;}}// 更新最大的文件描述符的索引nfds nfds cfd ? nfds : cfd;}for(int i 1; i nfds; i) {if(fds[i].revents POLLIN) {// 说明这个文件描述符对应的客户端发来了数据char buf[1024] {0};int len read(fds[i].fd, buf, sizeof(buf));if(len -1) {perror(read);exit(-1);} else if(len 0) {printf(client closed...\n);close(fds[i].fd);fds[i].fd -1;} else if(len 0) {printf(read buf %s\n, buf);write(fds[i].fd, buf, strlen(buf) 1);}}}}}close(lfd);return 0;
}
