Linux I/O多路复用
luyinlian 2016-11-05
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。
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。
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)); //sleep print 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fd FD_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System V提出的一种基于select的改良机制，其针对select的诸多明显的缺陷进行了重新设计，包括只遍历被触发个数个文件描述符，不需要备份fd_set等等
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fd
fds[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<maxnum; 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，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
