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2024-07-03 21:59| 来源: 网络整理| 查看: 265

Linux网络编程—— IO多路复用 1. I/O 多路复用（I/O多路转接）1.1 常见的几种I/O模型 2. select3. poll4. epoll4.1 Epoll 的两种工作模式

网络编程系列文章：

第1章 Linux系统编程入门（上）第1章 Linux系统编程入门（下）

第2章 Linux多进程开发（上）第2章 Linux多进程开发（下）

第3章 Linux多线程开发

第4章 Linux网络编程

4.1 网络基础4.2 socket 通信基础4.3 TCP套接字通信4.4 IO多路复用4.5 UDP 通信

第5章 Web服务器

1. I/O 多路复用（I/O多路转接）

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。

传统 I/O 输入/输出是相对于内存而言的：

输入：文件 --> 内存输出：内存 --> 文件

socket通信中，每个 socket 的文件描述符fd 对应于内核中的一块缓冲区（读缓冲区+写缓冲区）。这里的I/O则是对缓冲区的操作。

1.1 常见的几种I/O模型

（1）阻塞等待在这里插入图片描述

BIO 模型 (Block IO) 在这里插入图片描述

（2）非阻塞，忙轮询

在这里插入图片描述

NIO 模型 (No-Block IO) 在这里插入图片描述

（3）IO多路转接技术

第一种：select / poll 在这里插入图片描述

第二种：epoll

2. 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。 // sizeof(fd_set) = 128(字节) (1024位标志位) #include #include #include #include // 只需一次调用 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（一般不会用到） - 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);

select() 工作过程分析在这里插入图片描述

编写服务端程序 select.c #include #include #include #include #include #include int main() { // 1. 创建socket int 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; // 2. 绑定 bind(lfd, (struct sockaddr *)&saddr, sizeof(saddr)); // 3. 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; } for(int i = lfd + 1; i 0) { printf("read buf = %s\n", buf); write(i, buf, strlen(buf) + 1); } } } } } close(lfd); return 0; } 客户端 client.c #include #include #include #include #include int main() { // 创建socket int fd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0); if(fd == -1) { perror("socket"); return -1; } struct sockaddr_in seraddr; inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &seraddr.sin_addr.s_addr); seraddr.sin_family = AF_INET; seraddr.sin_port = htons(9999); // 连接服务器 int ret = connect(fd, (struct sockaddr *)&seraddr, sizeof(seraddr)); if(ret == -1){ perror("connect"); return -1; } int num = 0; while(1) { char sendBuf[1024] = {0}; sprintf(sendBuf, "send data %d", num++); // 格式化 write(fd, sendBuf, strlen(sendBuf) + 1); // 接收 int len = read(fd, sendBuf, sizeof(sendBuf)); if(len == -1) { perror("read"); return -1; }else if(len > 0) { printf("read buf = %s\n", sendBuf); } else { printf("服务器已经断开连接...\n"); break; } sleep(1); // usleep(1000); } close(fd); return 0; } 运行结果：在这里插入图片描述

不使用多进程或多线程，实现了多客户端的连接。

select() 多路复用在这里插入图片描述

select() 的缺点在这里插入图片描述

3. poll 对 select 的改进，实现原理和代码编写都差不多！ #include // 封装成结构体：只需修改revents；且没有数组大小（1024），的限制。 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 */ // 一般都是读事件，看有没有数据发过来 short revents; /* 文件描述符实际发生的事件 */ }; // 既检测读事件，又检测写事件 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，这是一个需要检测的文件描述符的集合 - nfds : 这个是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

在这里插入图片描述

编写服务端程序 poll.c #include #include #include #include #include #include int main() { // 创建socket int 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 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) { // 有可能 revents 是读或写 // 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 cfd ? nfds : cfd; } for(int i = 1; i 0) { printf("read buf = %s\n", buf); write(fds[i].fd, buf, strlen(buf) + 1); } } } } } close(lfd); return 0; }

客户端 client.c 不变

运行结果：在这里插入图片描述

4. epoll

面试90%会问！⭐️⭐️⭐️

epoll() 多路复用在这里插入图片描述

#include // 创建一个新的epoll实例。在内核中创建了一个数据，这个数据中有两个比较重要的数据，一个是需要检 // 测的文件描述符的信息（红黑树），还有一个是就绪列表，存放检测到数据发送改变的文件描述符信息（双向链表）。 int epoll_create(int size); - 参数： size : 目前没有意义了。随便写一个数，必须大于0 - 返回值： -1 : 失败 > 0 : 文件描述符，操作epoll实例的 typedef union epoll_data { void *ptr; int fd; uint32_t u32; uint64_t u64; } epoll_data_t; struct epoll_event { uint32_t events; /* Epoll events */ epoll_data_t data; /* User data variable */ }; 常见的Epoll检测事件： - EPOLLIN - EPOLLOUT - EPOLLERR // 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 // 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 - 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 -1 编写服务端程序 epoll.c #include #include #include #include #include #include int main() { // 创建socket int 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); // 调用epoll_create()创建一个epoll实例 int epfd = epoll_create(100); // 将监听的文件描述符相关的检测信息添加到epoll实例中 struct epoll_event epev; epev.events = EPOLLIN; epev.data.fd = lfd; epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, lfd, &epev); struct epoll_event epevs[1024]; while(1) { int ret = epoll_wait(epfd, epevs, 1024, -1); if(ret == -1) { perror("epoll_wait"); exit(-1); } printf("ret = %d\n", ret); for(int i = 0; i 0) { printf("read buf = %s\n", buf); write(curfd, buf, strlen(buf) + 1); } } } } close(lfd); close(epfd); return 0; }

客户端 client.c 不变

运行结果：在这里插入图片描述

4.1 Epoll 的两种工作模式

（1）LT 模式（水平触发）

LT（level - triggered）是缺省（默认）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。

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

（2）ET 模式（边沿触发）

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（文件描述符）的阻塞读 / 阻塞写操作把处理多个文件描述符的任务饿死。

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，不通知客户端 client.c // 改为从键盘录入 #include #include #include #include #include int main() { // 创建socket int fd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0); if(fd == -1) { perror("socket"); return -1; } struct sockaddr_in seraddr; inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &seraddr.sin_addr.s_addr); seraddr.sin_family = AF_INET; seraddr.sin_port = htons(9999); // 连接服务器 int ret = connect(fd, (struct sockaddr *)&seraddr, sizeof(seraddr)); if(ret == -1){ perror("connect"); return -1; } int num = 0; while(1) { char sendBuf[1024] = {0}; // sprintf(sendBuf, "send data %d", num++); fgets(sendBuf, sizeof(sendBuf), stdin); // 键盘录入 write(fd, sendBuf, strlen(sendBuf) + 1); // 接收 int len = read(fd, sendBuf, sizeof(sendBuf)); if(len == -1) { perror("read"); return -1; }else if(len > 0) { printf("read buf = %s\n", sendBuf); } else { printf("服务器已经断开连接...\n"); break; } } close(fd); return 0; }

编写服务端程序：

（1）水平触发 epoll_lt.c.c

#include #include #include #include #include int main() { // 创建socket int fd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0); if(fd == -1) { perror("socket"); return -1; } struct sockaddr_in seraddr; inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &seraddr.sin_addr.s_addr); seraddr.sin_family = AF_INET; seraddr.sin_port = htons(9999); // 连接服务器 int ret = connect(fd, (struct sockaddr *)&seraddr, sizeof(seraddr)); if(ret == -1){ perror("connect"); return -1; } int num = 0; while(1) { char sendBuf[1024] = {0}; // sprintf(sendBuf, "send data %d", num++); fgets(sendBuf, sizeof(sendBuf), stdin); // 键盘录入 write(fd, sendBuf, strlen(sendBuf) + 1); // 接收 int len = read(fd, sendBuf, sizeof(sendBuf)); if(len == -1) { perror("read"); return -1; }else if(len > 0) { printf("read buf = %s\n", sendBuf); } else { printf("服务器已经断开连接...\n"); break; } } close(fd); return 0; } 运行结果：在这里插入图片描述

（2）边沿触发

struct epoll_event { uint32_t events; /* Epoll events */ epoll_data_t data; /* User data variable */ }; 常见的Epoll检测事件： - EPOLLIN - EPOLLOUT - EPOLLERR - EPOLLET // 边沿触发

epoll_et.c.c

#include #include #include #include #include #include #include #include int main() { // 创建socket int 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); // 调用epoll_create()创建一个epoll实例 int epfd = epoll_create(100); // 将监听的文件描述符相关的检测信息添加到epoll实例中 struct epoll_event epev; epev.events = EPOLLIN; epev.data.fd = lfd; epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, lfd, &epev); struct epoll_event epevs[1024]; while(1) { int ret = epoll_wait(epfd, epevs, 1024, -1); if(ret == -1) { perror("epoll_wait"); exit(-1); } printf("ret = %d\n", ret); for(int i = 0; i 0) { // 打印数据 // printf("recv data : %s\n", buf); write(STDOUT_FILENO, buf, len); write(curfd, buf, len); } if(len == 0) { printf("client closed...."); }else if(len == -1) { if(errno == EAGAIN) { printf("data over....."); }else { perror("read"); exit(-1); } } } } } close(lfd); close(epfd); return 0; } 运行结果：在这里插入图片描述

注：仅供学习参考，如有不足，欢迎指正！

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