Linux 下网络 IO 的多路复用

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了Linux 下网络 IO 的多路复用相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

2019-10-20

关键字:select 与 poll


 

在 Linux 系统下,IO 总共可以分为以下四种:

1、阻塞 IO;

2、非阻塞 IO;

3、IO多路复用;

允许同时对多个 IO 进行控制。

4、信号驱动 IO;

一种异步通信模型。前面三种 IO 都是同步型的,唯这一种是异步型的。

 

 

阻塞 IO

所谓阻塞 IO 就是在调用相关函数时,程序的运行指针会暂停往下执行,直至这个 IO 操作有结果返回为止。简单来说就是我发起一个 IO 操作请求,你有数据就返回给我,没数据我就等你到有数据为止。

 

阻塞型 IO 是最普遍使用的 IO 模式,大部分的程序都是使用这一模式的。套接字在缺省情况下使用的就是阻塞 IO 模式。

 

常见的阻塞模式函数有:read, recv, recvfrom, write, send, accept, connect。 这里需要强调,sendto 函数是非阻塞型的。

 

 

非阻塞 IO

非阻塞型 IO 比较干脆。当它发起一个 IO 请求时,若 IO 有数据就返回结果,若无数据则程序指针就继续往下执行了,不会死等的。

 

我们可以通过两个函数来切换阻塞型与非阻塞型 IO。

1、fcntl()

假设我们需要将阻塞型 IO 设置为非阻塞型 IO。

int flag;

flag = fcntl(sockfd, F_GETFL, 0);

flag |= O_NONBLOCK;

fcntl(sockfd, F_SETFL, flag);

这样一来一去,就将 IO 形式给更改过来了。

2、ioctl()

int b_on = 1;

ioctl(sock_fd, FIONBIO,  &b_on);

 

 

IO 多路复用

IO 多路利用其实就是 C 编程中的 select/poll 模型和  epoll 模型。

 

Select 函数:

select 函数的作用就是将原本需要单独分别监听阻塞资源统一交由 select 来监听。每当被 select 所监听的资源有数据波动时,select 会采用轮询的方式去找出哪个阻塞资源有数据过来了。并将这些有数据波动的资源保存起来,然后中断 select 函数的阻塞态,执行后面的代码。select() 函数的原型如下:

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

这个函数是一个阻塞函数。当它返回值 0 时表示等待超时。返回值 -1 时表示等待失败。返回值大于 0 时表示成功监测到信号。

参数 nfds 是指 fd 的个数。由于在 Linux 中,文件描述符总是顺序递增增长的,因此这个参数也可以填入最大文件描述符号的值再加一。即 maxfd + 1。

参数 readfds 是读集合。

参数 writefds 是写集合。

参数 exceptfds 是异常集合。

参数 timeout 是超时时长。这个参数没特殊需求的话建议填 NULL。NULL值会让 select() 一直处于等待状态永不超时。

 

fd_set 是系统定义的用于存放文件描述符的信息的结构体,可以通过以下几个函数来设定:

1、void FD_ZERO(fd_set *fdset);

对指定集合清零。

2、void FD_SET(int fd, fd_set *fdset);

将 fd 加入到 fdset 集合中去。

3、void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset);

从集合中清除指定的 fd。

4、int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset);

判断指定的 fd 是否可以读写。

 

对于 select 函数中,writefds 与 exceptfds 通常都填 NULL。同时,对于 select() 之前与之后的 fd_set 集合,它所包含的内容是不一样的。在 select() 之前,我们会往 fd_set 集合中填入所有我们想监听的资源 fd,但在 select() 之后,对应的 fd_set 集合中的数据就已经发生了变化。通常可以理解为只有有数据波动的资源集合才会出现在 select() 以后的代码中。

 

以下是一个运用 select() 来复用 TCP 编程的伪代码:

 

以下贴出一个运用 seletct() 模型监听2个UDP连接的客户端与服务端的代码:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <arpa/inet.h>

static int sockfd1;
static int sockfd2;

void main()
{
    printf("hello world.!\\n");
    
    struct sockaddr_in sin1;
    int bre = 1;
    int ret;
    
    bzero(&sin1, sizeof(sin1));
    
    //准备监听第1个UDP端口。
    sockfd1 = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    printf("sockfd1:%d\\n", sockfd1);
    
    setsockopt(sockfd1, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &bre, sizeof(int));
    
    sin1.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    sin1.sin_port = htons(17166);
    
    ret = bind(sockfd1, (struct sockaddr *)&sin1, sizeof(sin1));
    printf("sockfd1 bind ret:%d\\n", ret);
    

    //准备监听第2个UDP端口。
    sockfd2 = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    printf("sockfd2:%d\\n", sockfd2);
    
    setsockopt(sockfd2, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &bre, sizeof(int));
    
    sin1.sin_port = htons(17177);
    ret = bind(sockfd2, (struct sockaddr *)&sin1, sizeof(sin1));
    printf("sockfd2 bind ret:%d\\n", ret);
    
    
    // select prepare.
    fd_set fdset;
    char bufff[32];
    
    while(1)
    {
        FD_ZERO(&fdset);
        FD_SET(sockfd1, &fdset);
        FD_SET(sockfd2, &fdset); //clear all fd in fd_set.
        
        ret = select(sockfd2 + 1, &fdset, NULL, NULL, NULL);
        printf("select ret:%d\\n", ret);
        if(FD_ISSET(sockfd1, &fdset))
        {
            printf("sockfd1 recevied.\\n");
            bzero(bufff, 32);
            ret = read(sockfd1, bufff, 32);
            printf("sockfd1 read len:%d,read:%s\\n", ret, bufff);
        }
        else if(FD_ISSET(sockfd2, &fdset))
        {
            printf("sockfd2 recevied.\\n");
            bzero(bufff, 32);
            ret = read(sockfd2, bufff, 32);
            printf("sockfd2 read len:%d,read:%s\\n", ret, bufff);
        }
        else
        {
            printf("unknown recevied.\\n");
        }
    }
}
select监听UDP服务端

 

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <linux/input.h>

void main()
{
    printf("hello world!\\n");
    
    int fd1 = -1;
    int fd2 = -1;
    int p1 = 17166;
    int p2 = 17177;
    
    struct sockaddr_in sin1;
    struct sockaddr_in sin2;
    
    fd1 = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    fd2 = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    printf("fd1:%d, fd2:%d\\n", fd1, fd2);
    
    bzero(&sin1, sizeof(sin1));
    bzero(&sin2, sizeof(sin2));
    
    sin1.sin_family = AF_INET;
    sin1.sin_port = htons(p1);
    
    if(inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", (void *)&sin1.sin_addr) != 1)
    {
        printf("cannot prepare udp ip address.\\n");
        return 0;
    }
    
    sin2.sin_family = AF_INET;
    sin2.sin_port = htons(p2);
    if(inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", (void *)&sin2.sin_addr) != 1)
    {
        printf("cannot prepare udp ip address.\\n");
        return 0;
    }
    
    char *buf;
    char cmd[5];
    int fd;
    struct socketaddr *sin;
    while(1)
    {
        bzero(cmd, 5);
        if(fgets(cmd, 4, stdin) == NULL)
        {
            printf("\\n");
            continue;
        }

        if(strlen(cmd) == 2)
        {
            if(*cmd == \'1\')
            {
                printf("send to sockfd1\\n");
                fd = fd1;
                buf = "This is from sockfd1.";
                sin = (struct socketaddr *)&sin1;
            }
            else if(*cmd == \'2\')
            {
                printf("send to sockfd2\\n");
                fd = fd2;
                buf = "Hi,lemontea.";
                sin = (struct socketaddr *)&sin2;
            }
            else
            {
                continue;
            }
        }
        else if(strlen(cmd) == 1)
        {
            continue;
        }
        
        sendto(fd, buf, strlen(buf), 0, sin, sizeof(sin1));
    }
    
}
select监听UDP客户端

以上示例代码的功能是:服务端利用 select() 监听2个UDP端口。客户端通过键盘输入决定给哪个端口发送数据,以此演示 select() 模型。

 

这里额外提一点:当 select() 模型监听到有事件发生时,最好将这一事件消费掉,即上例中在监听到有 UDP 消息过来时,一定要通过 read() 将消息读出来。否则 select() 函数将在下一次监听时立即返回。

 

 

poll 函数:

int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);

函数执行成功时返回大于0的值,失败时返回 EOF,超时返回值0。

参数 pollfd 是一个系统结体体,它的原型如下:

struct pollfd {

    int fd;  //要监听的文件描述符号。

    short events;  // 请求的事件。

    short revents;  // 返回的事件。

};

参数 nfds 与 timeout 就不再赘述了。

以下是一个示例程序,程序来自于 https://www.jianshu.com/p/6a6845464770

 

epoll 函数:

略。

 

信号驱动 IO

略。

 


 

以上是关于Linux 下网络 IO 的多路复用的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

#导入Word文档图片# Linux下IO多路复用: Selectpollepoll

IO模型以及多路复用基本原理

Linux网络编程——多路复用之epoll

Linux IO多路复用之epoll网络编程及源码(转)

[Linux网络编程]多路IO复用Epoll Select问题补充

Linux IO多路复用