Linux I/O多路复用

Linux中一切皆文件，不论是我们存储在磁盘上的字符文件，可执行文件还是我们的接入电脑的I/O设备等都被VFS抽象成了文件，比如标准输入设备默认是键盘，我们在操作标准输入设备的时候，其实操作的是默认打开的一个文件描述符是0的文件，而一切软件操作硬件都需要通过OS，而OS操作一切硬件都需要相应的驱动程序，这个驱动程序里配置了这个硬件的相应配置和使用方法。Linux的I/O分为阻塞I/O,非阻塞I/O,I/O多路复用,信号驱动I/O四种。对于I/O设备的驱动，一般都会提供关于阻塞和非阻塞两种配置。我们最常见的I/O设备之一--键盘(标准输入设备)的驱动程序默认是阻塞的。
多路复用就是为了使进程能够从多个阻塞I/O中获得自己想要的数据并继续执行接下来的任务。其主要的思路就是同时监视多个文件描述符，如果有文件描述符的设定状态的被触发，就继续执行进程，如果没有任何一个文件描述符的设定状态被触发，进程进入sleep
多路复用的一个主要用途就是实现"I/O多路复用并发服务器"，和多线程并发或者多进程并发相比，这种服务器的系统开销更低，更适合做web服务器，但是由于其并没有实现真正的多任务，所以当压力大的时候，部分用户的请求响应会较慢

阻塞I/O

阻塞I/O，就是当进程试图访问这个I/O设备而这个设备并没有准备好的时候，设备的驱动程序会通过内核让这个试图访问的进程进入sleep状态。阻塞I/O的一个好处就是可以大大的节约CPU时间，因为一旦一个进程试图访问一个没有准备好的阻塞I/O，就会进入sleep状态，而进入sleep状态的进程是不在内核的进程调度链表中，直到目标I/O准备好了将其唤醒并加入调度链表，这样就可以节约CPU时间。当然阻塞I/O也有其固有的缺点，如果进程试图访问一个阻塞I/O，但是否访问成功并不对接下来的任务有决定性影响，那么直接使其进入sleep状态显然会延误其任务的完成。

• 典型的默认阻塞IO有标准输入设备，socket设备，管道设备等，当我们使用gets(),scanf(),read()等操作请求这些IO时而IO并没有数据流入，就会造成进程的sleep。 进程会一直阻塞下去直到接收缓冲区中有数据可读，此时内核再去唤醒该进程，通过相应的函数从中获取数据。如果阻塞过程中对方发生故障，那么这个进程将会永远阻塞下去。
• 写操作时发生阻塞的情况要比读操作少，主要发生在要写入的缓冲区的大小小于要写入的数据量的情况下，这时写操作将不进行任何任何拷贝工作，将发生阻塞。一旦发送缓冲区内有足够的空间，内核将唤醒进程，将数据从用户缓冲区中拷贝到相应的发送数据缓冲区。udp不用等待确认，没有实际的发送缓冲区，所以udp协议中不存在发送缓冲区满的情况，在udp套接字上执行的写操作永远都不会阻塞

现假设一个进程希望通过三个管道中任意一个中读取数据并显示，伪代码如下

read(pipe_0,buf,sizeof(buf)); //sleepprint buf;read(pipe_1,buf,sizeof(buf));print buf;read(pipe_2,buf,sizeof(buf));print buf;

由于管道是阻塞I/O，所以如果pipe_0没有数据流入，进程就是在第一个read()处进入sleep状态而即使pipe_1和pipe_2有数据流入也不会被读取。
如果我们使用下述代码重新设置管道的阻塞属性，显然，如果三个管道都没有数据流入，那么进程就无法获得请求的数据而继续执行，倘若这些数据很重要(所以我们才要用阻塞I/O)，那结果就会十分的糟糕，改为轮询却又大量的占据CPU时间。

int fl = fcntl(pipe_fd, F_GETFL);fcntl(pipe_fd, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK);

如何让进程同时监视三个管道，其中一个有数据就继续执行而不会sleep，如果全部没有数据流入再sleep，就是多路复用技术需要解决的问题。

非阻塞I/O

非阻塞I/O就是当一个进程试图访问一个I/O设备的时候，无论是否从中获取了请求的数据都会返回并继续执行接下来的任务。，但非常适合请求是否成功对接下来的任务影响不大的I/O请求。但如果访问一个非阻塞I/O，但这个请求如果失败对进程接下来的任务有致命影响，最粗暴的就是使用while(1)｛read()｝轮询。显然，这种方式会占用大量的CPU时间。

select机制

select是一种非常"古老"的同步I/O接口，但是提供了一种很好的I/O多路复用的思路

模型

fd_set //创建fd_set对象，将来从中增减需要监视的fdFD_ZERO() //清空fd_set对象FD_SET() //将一个fd加入fd_set对象中 select() //监视fd_set对象中的文件描述符pselect() //先设定信号屏蔽，再监视FD_ISSET() //测试fd是否属于fd_set对象FD_CLR() //从fd_set对象中删除fd

Note:

• select的第一个参数nfds是指集合中的最大的文件描述符+1，因为select会无差别遍历整个文件描述符表直到找到目标，而文件描述符是从0开始的，所以一共是集合中的最大的文件描述符+1次。
• 上一条导致了这种机制的低效，如果需要监视的文件描述符是0和100那么每一次都会遍历101次
• select()每次返回都会修改fd_set，如果要循环select()，需要先对初始的fd_set进行备

例子_I/O多路复用并发服务器

关于server本身的编程模型，参见tcp/ip协议服务器模型和udp/ip协议服务器模型这里仅是使用select实现伪并行的部分模型

#define BUFSIZE 100#define MAXNFD 1024 int main(){ /***********服务器的listenfd已经准本好了**************/ fd_set readfds; fd_set writefds; FD_ZERO(&readfds); FD_ZERO(&writefds); FD_SET(listenfd, &readfds); fd_set temprfds = readfds; fd_set tempwfds = writefds; int maxfd = listenfd; int nready; char buf[MAXNFD][BUFSIZE] = {0}; while(1){ temprfds = readfds; tempwfds = writefds; nready = select(maxfd+1, &temprfds, &tempwfds, NULL, NULL) if(FD_ISSET(listenfd, &temprfds))｛ //如果监听到的是listenfd就进行accept int sockfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &len); //将新accept的scokfd加入监听集合，并保持maxfd为最大fd FD_SET(sockfd, &readfds); maxfd = maxfd>sockfd?maxfd:sockfd; //如果意见检查了nready个fd，就没有必要再等了，直接下一个循环 if(--nready==0) continue; } int fd = 0; //遍历文件描述符表，处理接收到的消息 for(;fd<=maxfd; fd++)｛ if(fd == listenfd) continue; if(FD_ISSET(fd, &temprfds)){ int ret = read(fd, buf[fd], sizeof buf[0]); if(0 == ret)｛ //客户端链接已经断开 close(fd); FD_CLR(fd, &readfds); if(maxfd==fd) --maxfd; continue; } //将fd加入监听可写的集合 FD_SET(fd, &writefds); } //找到了接收消息的socket的fd，接下来将其加入到监视写的fd_set中 //将在下一次while()循环开始监视 if(FD_ISSET(fd, &tempwfds)){ int ret = write(fd, buf[fd], sizeof buf[0]); printf("ret %d: %d\n", fd, ret); FD_CLR(fd, &writefds); } } } close(listenfd);}

poll机制

poll是一种基于select的改良机制，其针对select的一些缺陷进行了重新设计，包括不需要备份fd_set等等，但是依然是遍历整个文件描述符表，效率较低

模型

struct pollfd fds //创建一个pollfd类型的数组fds[0].fd //向fds[0]中放入需要监视的fdfds[0].events //向fds[0]中放入需要监视的fd的触发事件 POLLIN //I/O有输入 POLLPRI //有紧急数据需要读取 POLLOUT //I/O可写 POLLRDHUP //流式套接字连接断开或套接字处于半关闭状态 POLLERR //错误条件(仅针对输出) POLLHUP //挂起(仅针对输出) POLLNVAL //无效的请求：fd没有被打开(仅针对输出)

例子_I/O多路复用并发服务器

/* ... */int main(){ /* ... */ struct pollfd myfds[MAXNFD] = {0}; myfds[0].fd = listenfd; myfds[0].events = POLLIN; int maxnum = 1; int nready; //准备二维数组buf，每个fd使用buf的一行，数据干扰 char buf[MAXNFD][BUFSIZE] = {0}; while(1){ //poll直接返回event被触发的fd的个数 nready = poll(myfds, maxnum, -1) int i = 0; for(;i//poll通过将相应的二进制位置一来表示已经设置 //如果下面的条件成立，表示revent[i]里的POLLIN位已经是1了 if(myfds[i].revents & POLLIN){ if(myfds[i].fd == listenfd){ int sockfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &len); //将新accept的scokfd加入监听集合 myfds[maxnum].fd = sockfd; myfds[maxnum].events = POLLIN; maxnum++; //如果意见检查了nready个fd，就直接下一个循环 if(--nready==0) continue; } else{ int ret = read(myfds[i].fd, buf[myfds[i].fd], sizeof buf[0]); if(0 == ret)｛ //如果连接断开了 close(myfds[i].fd); //初始化将文件描述符表所有的文件描述符标记为-1 //close的文件描述符也标记为-1 //打开新的描述符时从表中搜索第一个-1 //open()就是这样实现始终使用最小的fd //这里为了演示并没有使用这种机制 myfds[i].fd = -1; continue; } myfds[i].events = POLLOUT; } } else if(myfds[i].revents & POLLOUT){ int ret = write(myfds[i].fd, buf[myfds[i].fd], sizeof buf[0]); myfds[i].events = POLLIN; } } } close(listenfd);}

epoll

epoll在poll基础上实现的更为健壮的接口，它每次只会遍历我们关心的文件描述符，也是现在主流的web服务器使用的多路复用技术，epoll一大特色就是支持EPOLLET(边沿触发)和EPOLLLT (水平触发)，前者表示如果读取之后缓冲区还有数据，那么只要读取结束，剩余的数据也会丢弃，而后者表示里面的数据不会丢弃，下次读的时候还在，默认是EPOLLLT

模型

epoll_create() //创建epoll对象struct epoll_event //准备事件结构体和事件结构体数组 event.events event.data.fd ...epoll_ctl() //配置epoll对象epoll_wait() //监控epoll对象中的fd及其相应的event

例子_I/O多路复用并发服务器

/* ... */int main(){ /* ... */ /* 创建epoll对象 */ int epoll_fd = epoll_create(1024); //准备一个事件结构体 struct epoll_event event = {0}; event.events = EPOLLIN; event.data.fd = listenfd; //data是一个共用体，除了fd还可以返回其他数据 //ctl是监控listenfd是否有event被触发 //如果发生了就把event通过wait带出。 //所以，如果event里不标明fd，我们将来获取就不知道哪个fd epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, listenfd, &event); struct epoll_event revents[MAXNFD] = {0}; int nready; char buf[MAXNFD][BUFSIZE] = {0}; while(1){ //wait返回等待的event发生的数目 //并把相应的event放到event类型的数组中 nready = epoll_wait(epoll_fd, revents, MAXNFD, -1) int i = 0; for(;i//wait通过在events中设置相应的位来表示相应事件的发生 //如果输入可用，那么下面的这个结果应该为真 if(revents[i].events & EPOLLIN){ //如果是listenfd有数据输入 if(revents[i].data.fd == listenfd){ int sockfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &len); struct epoll_event event = {0}; event.events = EPOLLIN; event.data.fd = sockfd; epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, sockfd, &event); } else{ int ret = read(revents[i].data.fd, buf[revents[i].data.fd], sizeof buf[0]); if(0 == ret){ close(revents[i].data.fd); epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_DEL, revents[i].data.fd, &revents[i]); } revents[i].events = EPOLLOUT; epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_MOD, revents[i].data.fd, &revents[i]); } } else if(revents[i].events & EPOLLOUT){ int ret = write(revents[i].data.fd, buf[revents[i].data.fd], sizeof buf[0]); revents[i].events = EPOLLIN; epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_MOD, revents[i].data.fd, &revents[i]); } } } close(listenfd);}