IO多路轉接模型：select/poll/epoll

對大量描述符進行事件監控(可讀/可寫/異常)

select模型

1. 用戶定義描述符的事件監控集合 fd_set（這是一個位圖，用于存儲要監控的描述符）; 用戶將需要監控的描述符添加到集合中，這個描述符集合的大小取決于一個宏 _FD_SETSIZE = 1024
2. 將集合拷貝到內核中進行監控；在內核中對所有描述符進行輪詢遍歷判斷是否有關心的事件就緒
3. 若有描述符就緒，從監控集合中將未就緒的描述符移除；然后調用返回（返回給用戶就緒描述符饑集合）
4. 用戶遍歷所有描述符，判斷描述符是否在集合中，若在集合中，則這個描述符是就緒描述符
5. 用戶針對這個就緒的描述符事件進行相應的處理，用戶僅僅對大量描述符中就緒的描述符進行處理，sock程序就可以避免accept/recv處因為沒有數據到來而阻塞

#include <sys/select.h> 
/* According to earlier standards */ 
#include <sys/time.h> 
#include <sys/types.h> 
#include <unistd.h> int select(int nfds, fd_set *readfds,fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

• nfds: 監控的文件描述符集里最大文件描述符加1，因為此參數會告訴內核檢測前多少個文件描述符的狀態
• readfds： 監控有讀數據到達文件描述符集合，傳入傳出參數
• writefds： 監控寫數據到達文件描述符集合，傳入傳出參數
• exceptfds： 監控異常發生達文件描述符集合,如帶外數據到達異常，傳入傳出參數
• timeout： 定時阻塞監控時間，3種情況
  1. NULL，永遠等下去
  2. 設置timeval，等待固定時間
  3. 設置timeval里時間均為0，檢查描述字后立即返回，輪詢

struct timeval 
{ 
long tv_sec; /* seconds */ //秒
long tv_usec; /* microseconds */ //微秒 
}; 

• void FD_CLR(int fd, fd_set *set); //把文件描述符集合里fd清0 將指定的描述符從集合中移除
• int FD_ISSET(int fd, fd_set *set); //測試文件描述符集合里fd是否置1 判斷指定的描述符是否在集合中
• void FD_SET(int fd, fd_set *set); //把文件描述符集合里fd位置1 將指定的描述符添加到集合中
• void FD_ZERO(fd_set *set); //把文件描述符集合里所有位清0 清空描述符集合

select優缺點

1. select 能監聽的文件描述符個數受限于 FD_SETSIZE,一般為 1024，單純改變進程打開的文件描述符個數并不 能改變 select 監聽文件個數
2. 每次都需要重新將監控集合拷貝到內核（select會修改集合）
3. 解決 1024 以下客戶端時使用 select 是很合適的，但如果鏈接客戶端過多，select 采用的是輪詢模型，會大大降低服務器響應效率
4. select返回給用戶就緒的描述符集合（將未就緒的描述符從集合中移除），但是并沒有告訴用戶具體哪一個描述符就緒，需要用戶遍歷描述符是否在集合中來判斷哪個描述符就緒，這個判斷是一個遍歷的過程，性能隨著描述符增多而下降，并且復雜度更高
5. select每次返回都會修改監控集合，因此每次都需要用戶重新向集合中添加所有描述符
6. select遵循posix標準，支持跨平臺；
7. 監控的超時等待時間可以精細到微秒

class Select
{
public:Add(TcpSocket &sock); //將用戶關心socket描述符添加到監控集合中Del(TcpSocket &sock); //從監控集合中移除不再關心的socket描述符Wait(std::vector<TcpSocket>&list,init timeout_sec,int timeout_sec); //從開始監控，并且向用戶返回就緒的socket
private:fd_set _rfds;int_max_fd;
};

實現

select服務端

/** 這個文件封裝一個select類，向外界提供更加簡單點的select監控接口*  將用戶關心socket描述符添加到監控集合中* 從監控集合中移除不再關心的socket描述符* 從開始監控，并且向用戶返回就緒的socket*/#include<vector>
#include<sys/select.h>
#include"tcpsocket.hpp"class Select
{public:Select(): _max_fd (-1){FD_ZERO(&_rfds);//清空集合}   bool Add(TcpSocket &sock){int fd = sock.GetFd();//void FD_SET(int fd,fd_set *set)//向set描述符集合中添加fd描述符FD_SET(fd,&_rfds);_max_fd = _max_fd > fd ? _max_fd : fd; return true;}   bool Del(TcpSocket &sock){int fd = sock.GetFd();//void FD_CLR(int fd, fd_set *set)//從set描述符集合中移除FD_CLR(fd,&_rfds);//從最大的往前遍歷for(int i = _max_fd ; i >= 0; i--){//int FD_ISSET(int fd, fd_set *set);//判斷fd描述符是否還在set集合中if(FD_ISSET(i,&_rfds)){_max_fd = i;break;}}} bool Wait(std::vector<TcpSocket>&list,int timeout_sec = 3){struct timeval tv; //超時時間tv.tv_sec = timeout_sec;tv.tv_usec = 0;fd_set set = _rfds;int ret =select(_max_fd + 1, &set, NULL ,NULL,&tv);if(ret < 0){perror("select error");return false;}else if(ret == 0){std::cout<< "select wait timeout\n";return false;}for(int i =0 ;i <= _max_fd; i++){if(FD_ISSET(i,&set)){TcpSocket sock;sock.SetFd(i);list.push_back(sock);}}return true;} private:fd_set _rfds;int _max_fd;
};int main()
{TcpSocket sock;CHECK_RET(sock.Socket());CHECK_RET(sock.Bind("192.168.145.132",9000));CHECK_RET(sock.Listen());Select s;s.Add(sock);                                                                while(1){std::vector<TcpSocket>list;if(s.Wait(list)==false){continue;}for(int i =0 ; i < list.size(); i++){//判讀socket是監聽socket還是通信socketif(list[i].GetFd() == sock.GetFd()){TcpSocket clisock;std::string cli_ip;uint16_t cli_port;if(sock.Accept(clisock,cli_ip,cli_port) == false){continue;}s.Add(clisock);}else{std::string buf;if(list[i].Recv(buf) == false){s.Del(list[i]);list[i].Close();continue;}std::cout<<"client say:"<<buf <"\n";}}}sock.Close();return 0;
}    

客戶端

  
#include <signal.h>
#include "tcpsocket.hpp"void sigcb(int signo){printf("connection closed\n");
}
int main(int argc, char *argv[])
{if (argc != 3) {std::cout<<"./tcp_cli 192.168.122.132 9000\n";return -1; }   std::string ip = argv[1];uint16_t port = atoi(argv[2]);signal(SIGPIPE, sigcb);TcpSocket sock;CHECK_RET(sock.Socket());CHECK_RET(sock.Connect(ip, port));while(1) {std::string buf;std::cout <<"client say:";fflush(stdout);std::cin >>buf;sock.Send(buf);}sock.Close();return 0;
}       

poll模型

poll函數接口

#include <poll.h>int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);// pollfd結構 
struct pollfd {  int   fd;         /* 用戶監控的描述符 */   short events;     /* 描述符關心的事件 POLLIN/POLLOUT */  short revents;    /* 描述符實際就緒的事件 */ }

參數說明

• fds是一個poll函數監聽的結構列表. 每一個元素中, 包含了三部分內容: 文件描述符, 監聽的事件集合, 返回的事件集合. 描述事件結構數組
• nfds表示fds數組的長度. 要監控事件個數
• timeout表示poll函數的超時時間, 單位是毫秒(ms).

events和revents的取值:

1. POLLIN 普通或帶外優先數據可讀,即POLLRDNORM | POLLRDBAND
2. POLLRDNORM 數據可讀
3. POLLRDBAND 優先級帶數據可讀
4. POLLPRI 高優先級可讀數據
5. POLLOUT 普通或帶外數據可寫
6. POLLWRNORM 數據可寫
7. POLLWRBAND 優先級帶數據可寫
8. POLLERR 發生錯誤
9. POLLHUP 發生掛起
10. POLLNVAL 描述字不是一個打開的文件

實現原理

1. 用戶定義描述符事件數組，向數組中添加關心的描述符事件
2. 將pollfd事件數組，拷貝到內核中進行遍歷輪詢監控，判斷是否就緒了關心的事件
3. 將描述符實際就緒的事件信息，標記到revents中
4. 當poll返回。用戶遍歷pollfd事件數組，通過revents判斷描述符就緒了什么事件，進而進行相應操作

使用poll監控標準輸入

#include <poll.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>int main() { struct pollfd poll_fd;  //一個結構就是一個事件poll_fd.fd = 0;  poll_fd.events = POLLIN;  //可讀事件for (;;) {    //開始監控int ret = poll(&poll_fd, 1, 1000); //遍歷輪詢   if (ret < 0) {    //出錯perror("poll");    continue;    }if (ret == 0) {      //超時printf("poll timeout\n");     continue;   } //ret>0if (poll_fd.revents == POLLIN) {  //看事件是否為我們所關心的事件 //對事件進行操作    char buf[1024] = {0};      read(0, buf, sizeof(buf) - 1);     printf("stdin:%s", buf);    }  } 
} 

poll有缺點分析

優點：

1. poll采用事件結構形式對描述符關心的事件進行監控，簡化了select三種集合操作的流程
2. poll沒有描述符上限的設置

缺點

1. 不能跨平臺，只能用于Linux下
2. 在內核中進行輪詢遍歷判斷就緒，性能隨著描述符事件增多而下降
3. 也不會告訴用戶具體哪一個描述符就緒，需要用戶輪詢遍歷判斷事件中的revents；進而對描述符進行相應事件操作 revents & POLLIN/POLLOUT
4. 需要每次都向內核中拷貝監控信息