I/O复用

Posted 2020-10-16 guhowo

概念

内核一旦发现进程指定的一个或者多个I/O条件就绪（也就是说输入已准备好被读取，或者描述符已能承受更多的输出），它就通知进程。这个能力称为I/O复用（I/O multiplexing）。

使用场景

当处理多个多个文件描述符或者监听多个socket时，必须使用I/O复用。

如果一个服务器要同时处理TCP和UDP，一般要使用I/O复用。

I/O模型

阻塞式I/O模型

非阻塞式I/O模型

I/O复用（select和poll）

信号驱动式I/O模型

异步I/O模型

 

什么叫数据准备好？

数据准备分两个阶段：1、等待网络数据到达，数据被复制到内核缓冲区，即内核空间；2、把内核数据复制到用户进程缓冲区，即用户空间。

 

阻塞式I/O模型

以recvfrom系统调用为例，用户调用recvfrom，然后切换到内核态，内核等待数据到来，此时有可能阻塞（如果网络数据还没到达的话）。然后网络数据到达后将内核缓冲区数据复制到用户空间，返回成功。这时候从内核态再切换到用户态，处理数据报。

类似这种进程一直等待数据到来，从系统调用开始到它返回，整段时间是被阻塞的。成功返回后开始处理数据报。 （进程等待的时候是被挂起休眠么？还是在干嘛？）

非阻塞式I/O模型

把一个套接字或FD设置为非阻塞，就是通知内核，当数据没准备好时，返回一个错误，而不是一直等待。 如果有数据准备好，则复制到用户空间并返回成功指示。

常见的用法是用一个循环去不断的调用recvfrom，去查看属否有数据准备好，这种方式被称为轮询（polling）。应用进程持续轮询内核，这么做消耗大量CPU资源。所以这种模型很少见。

I/O复用模型

有了I/O复用，如select，poll，我们就可以调用select或者poll，阻塞在这两个系统调用上，而不是阻塞在真正的I/O系统调用上。

我们调用select，等待fd或者socket变为可读。当select返回套接字可读这一条件时，我们再调用recvfrom把所有可读数据从内核复制到用户空间。 

信号驱动式I/O模型

 用的非常少，项目中目前还没有见过。略。

异步I/O模型

Linux的AIO目前还不成熟，故不做深入。 

同步、异步、阻塞、非阻塞

 同步和异步关注的是事件就绪时消息通知的方式。由调用者主动询问的方式是同步，由被调用方（往往是内核）主动通知调用方任务完成的方式是异步调用。

阻塞和非阻塞关注的是接口调用后等待数据返回时的状态。被挂起无法执行其他操作的是阻塞，可以理解返回去完成其他认识的是非阻塞模型。

select函数

该函数让进程指示内核等待多个socket，只有在任何一个socket准备好了（可读，可写）或者等待超时后才唤醒该进程。

函数原型如下：

1 #include <sys/select.h>
2 #include <sys/time.h>
3 
4 int select(int maxfdp1,fd_set *readset,fd_set *writeset,fd_set *exceptset,const struct timeval *timeout)

返回值：就绪描述符的数目，超时返回0，出错返回-1

 函数参数介绍如下：

（1）第一个参数maxfdp1指定待测试的描述符的个数，其值为最大待测试的fd+1。（因此把该参数命名为maxfdp1），描述字0、1、2...maxfdp1-1均将被测试。因为文件描述符是从0开始的。

（2）中间的三个参数readset、writeset和exceptset指定我们要让内核测试读、写和异常条件的描述字。如果对某一个的条件不感兴趣，就可以把它设为空指针。struct fd_set可理解为一个字符集，可用以下四个宏进行设置：

　　　void FD_ZERO(fd_set *fdset);           //清空集合

          void FD_SET(int fd, fd_set *fdset);   //将一个给定的文件描述符加入集合之中

          void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset);   //将一个给定的文件描述符从集合中删除

          int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset);   // 检查集合中指定的文件描述符是否可以读写 

 （3）struct timeval设定等待时间，告知内核等待所指定描述符最多多长时间，秒和微秒组成。

struct timeval {
    long tv_sec;       //seconds
    long tv_usec;      //micro seconds    
}

timeval参数有三种可能：

第一种是空指针，表示无限等待下去，此时select为阻塞模式；

第二种为一个有效值，表示等待时间。在等待时间内描述符就绪则返回描述符，否则返回0；

第三种是设置为0，根本不等待直接返回，这称为轮询。