Linux IO多路复用

Posted 2022-06-15 xzj8023tp

1、什么是I/O多路复用？？

I/O复用无非就是多个进程共同使用一个I/O输入输出流。一旦发现进程指定的一个或者多个描述符可进行无阻塞IO访问时，它就通知该进程。

2、IO多路复用适用以下场合:

(1) 当客户处理多个描述字时(一般是交互式输入和网络套接口)，必须使用I/O复用。

(2) 当一个客户同时处理多个套接口时，而这种情况是可能的，但很少出现。

(3) 如果一个TCP服务器既要处理监听套接口，又要处理已连接套接口，一般也要用到I/O复用。

(4) 如果一个服务器既要处理TCP，又要处理UDP，一般要使用I/O复用。

(5) 如果一个服务器要处理多个服务或多个协议，一般要使用I/O复用。

与多进程和多线程技术相比，I/O多路复用技术的大优势是系统开销小，系统不必创建进程/线程，也不必维护这些进程/线程，从而大大减少了系统的开销。

对于应用层来说，使用非阻塞I/O的应用程序通常会使用select()和poll()系统调用查询是否可对设备进行无阻塞的访问。

总的来说，I/O处理的模型有5种：

● 阻塞I/O模型：在这种模型下，若所调用的I/O函数没有完成相关的功能，则会使进程挂起，直到相关数据到达才会返回。如常见对管道设备、终端设备和网络设备进行读写时经常会出现这种情况。
● 非阻塞I/O模型：在这种模型下，当请求的I/O操作不能完成时，则不让进程睡眠，而且立即返回。非阻塞I/O使用户可以调用不会阻塞的I/O操作，如open()、write()和read()。如果该操作不能完成，则会立即返回出错（如打不开文件）或者返回0（如在缓冲区中没有数据可以读取或者没空间可以写入数据）。
● I/O多路转接模型：在这种模型下，如果请求的I/O操作阻塞，且它不是真正阻塞I/O，而是让其中的一个函数等待，在此期间，I/O还能进行其他操作。如本小节要介绍的select()和poll()函数，就是属于这种模型。
● 信号驱动I/O模型：在这种模型下，进程要定义一个信号处理程序，系统可以自动捕获特定信号的到来，从而启动I/O。这是由内核通知用户何时可以启动一个I/O操作决定的。

它是非阻塞的。当有就绪的数据时，内核就向该进程发送SIGIO信号。 无论我们如何处理SIGIO信号，这种模型的好处是当等待数据到达时，可以不阻塞。主程序继续执行，只有收到SIGIO信号时才去处理数据即可。

● 异步I/O模型：在这种模型下，进程先让内核启动I/O操作，并在整个操作完成后通知该进程。这种模型与信号驱动模型的主要区别在于：信号驱动I/O是由内核通知我们何时可以启动一个I/O操作，而异步I/O模型是由内核通知进程I/O操作何时完成的。现在，并不是所有的系统都支持这种模型。

    可以看到，select()和poll()的I/O多路转接模型是处理I/O复用的一个高效的方法。它可以具体设置程序中每一个所关心的文件描述符的条件、希望等待的时间等，从select()和poll()函数返回时，内核会通知用户已准备好的文件描述符的数量、已准备好的条件（或事件）等。通过使用select()和poll()函数的返回结果（可能是检测到某个文件描述符的注册事件或是超时，或是调用出错），就可以调用相应的I/O处理函数了。

select()函数的语法要点

select()函数根据希望进行的文件操作对文件描述符进行了分类处理，这里对文件描述符的处理主要涉及4个宏函数，如下表所示。

select()文件描述符处理函数

一般来说，在每次使用select()函数之前，首先使用FD_ZERO()和FD_SET()来初始化文件描述符集（在需要重复调用select()函数时，先把一次初始化好的文件描述符集备份下来，每次读取它即可）。在select()函数返回后，可循环使用FD_ISSET()来测试描述符集，在执行完对相关文件描述符的操作后，使用FD_CLR()来清除描述符集。
另外，select()函数中的timeout是一个struct timeval类型的指针，该结构体如下所示：

 struct timeval 
    
        long tv_sec; /* 秒 */
        long tv_unsec; /* 微秒 */
    

当使用select()函数时，存在一系列的问题，例如，内核必须检查多余的文件描述符，每次调用select()之后必须重置被监听的文件描述符集，而且可监听的文件个数受限制（使用FD_SETSIZE宏来表示fd_set结构能够容纳的文件描述符的大数目）等。

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poll()函数的语法要点

每一个pollfd结构体指定了一个被监视的文件描述符，可以传递多个结构体，指示poll()监视多个文件描述符。每个结构体的events域是监视该文件描述符的事件掩码，由用户来设置这个域。revents域是文件描述符的操作结果事件掩码，内核在调用返回时设置这个域。

events域中请求的任何事件都可能在revents域中返回。合法的事件如下：

标志	解释
POLLIN	有数据可读。
POLLRDNORM	有普通数据可读。
POLLRDBAND	有优先数据可读。
POLLPRI	有紧迫数据可读。
POLLOUT	写数据不会导致阻塞。
POLLWRNORM	写普通数据不会导致阻塞。
POLLWRBAND	写优先数据不会导致阻塞。
POLLMSGSIGPOLL	消息可用。
POLLER	指定的文件描述符发生错误。
POLLHUP	指定的文件描述符挂起事件。
POLLNVAL	指定的文件描述符非法。

这些事件在events域中无意义，因为它们在合适的时候总是会从revents中返回。

使用poll()和select()不一样，你不需要显式地请求异常情况报告。