1.select

初識select

系統提供 select 函數來實現多路復用輸入 / 輸出模型 .

select 系統調用是用來讓我們的程序監視多個文件描述符的狀態變化的 ;

程序會停在 select 這里等待，直到被監視的文件描述符有一個或多個發生了狀態改變 ;

select函數模型

select的函數原型如下: #include <sys/select.h>

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,

??????????????????fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout)；

參數解釋

參數 nfds 是需要監視的最大的文件描述符值 +1 ；

rdset,wrset,exset 分別對應于需要檢測的可讀文件描述符的集合，可寫文件描述符的集 合及異常文件描述符的集合;

參數 timeout 為結構 timeval ，用來設置 select() 的等待時間

參數timeout取值

NULL ：則表示 select （）沒有 timeout ， select 將一直被阻塞，直到某個文件描述符上發生了事件 ;

0 ：僅檢測描述符集合的狀態，然后立即返回，并不等待外部事件的發生。

特定的時間值：如果在指定的時間段里沒有事件發生， select 將超時返回。

關于fd_set結構

void FD_CLR(int fd, fd_set *set); // 用來清除描述詞組 set 中相關 fd 的位

int FD_ISSET(int fd, fd_set *set); // 用來測試描述詞組 set 中相關 fd 的位是否為真

void FD_SET(int fd, fd_set *set); // 用來設置描述詞組 set 中相關 fd 的位

void FD_ZERO(fd_set *set); // 用來清除描述詞組 set 的全部位

timeval結構

函數返回值

執行成功則返回文件描述詞狀態已改變的個數

如果返回 0 代表在描述詞狀態改變前已超過 timeout 時間，沒有返回

當有錯誤發生時則返回 -1 ，錯誤原因存于 errno ，此時參數 readfds ， writefds, exceptfds 和 timeout 的值變成不可預測。

錯誤值可能為：

EBADF 文件描述詞為無效的或該文件已關閉

EINTR 此調用被信號所中斷

EINVAL 參數 n 為負值。

ENOMEM 核心內存不足

select執行流程

* （ 1 ）執行 fd_set set; FD_ZERO(&set); 則 set 用位表示是 0000,0000 。 * （ 2 ）若 fd ＝ 5, 執行 FD_SET(fd,&set); 后set 變為 0001,0000( 第 5 位置為 1) * （ 3 ）若再加入 fd ＝ 2 ， fd=1, 則 set 變為 0001,0011 * （ 4 ）執行select(6,&set,0,0,0)阻塞等待 * （ 5 ）若 fd=1,fd=2 上都發生可讀事件，則 select 返回，此時 set 變為0000,0011。注意：沒有事件發生的 fd=5 被清空

select就緒條件

讀就緒

socket 內核中 , 接收緩沖區中的字節數 , 大于等于低水位標記 SO_RCVLOWAT. 此時可以無阻塞的讀該文件描述符, 并且返回值大于 0;

socket TCP 通信中 , 對端關閉連接 , 此時對該 socket 讀 , 則返回 0;

監聽的 socket 上有新的連接請求 ;

socket 上有未處理的錯誤 ;

寫就緒

socket 內核中 , 發送緩沖區中的可用字節數 ( 發送緩沖區的空閑位置大小 ), 大于等于低水位標記SO_SNDLOWAT, 此時可以無阻塞的寫 , 并且返回值大于 0;

socket 的寫操作被關閉 (close 或者 shutdown). 對一個寫操作被關閉的 socket 進行寫操作 , 會觸發 SIGPIPE信號;

socket 使用非阻塞 connect 連接成功或失敗之后 ;

socket 上有未讀取的錯誤 ;

異常就緒

socket 上收到帶外數據 . 關于帶外數據 , 和 TCP 緊急模式相關 ( 回憶 TCP 協議頭中 , 有一個緊急指針的字段 )

select的特點

可監控的文件描述符個數取決與 sizeof(fd_set) 的值 . 我這邊服務器上 sizeof(fd_set) ＝ 512 ，每 bit 表示一個文件描述符，則我服務器上支持的最大文件描述符是512*8=4096.

將 fd 加入 select 監控集的同時，還要再使用一個數據結構 array 保存放到 select 監控集中的 fd ，

一是用于再 select 返回后， array 作為源數據和 fd_set 進行 FD_ISSET 判斷。

二是 select 返回后會把以前加入的但并無事件發生的 fd 清空，則每次開始 select 前都要重新從 array 取得fd逐一加入 (FD_ZERO 最先 ) ，掃描 array 的同時取得 fd 最大值 maxfd ，用于 select 的第一個參數。

select的優點

1.可移植性好：select幾乎在所有的平臺上都支持，具有良好的跨平臺兼容性。

2.超時精度高：select對于超時值的精度可以達到微秒級別，比poll的毫秒級別精度更高。

select的缺點

1.每次調用 select, 都需要手動設置 fd 集合 , 從接口使用角度來說也非常不便 .

2.每次調用 select ，都需要把 fd 集合從用戶態拷貝到內核態，這個開銷在 fd 很多時會很大

3.同時每次調用 select 都需要在內核遍歷傳遞進來的所有 fd ，這個開銷在 fd 很多時也很大

4.select 支持的文件描述符數量太小

5.代碼編寫難度大

?select的一般編碼格式

1.需要有一個第三方數組，用來保存所以合法的fd

2.while(true)

{

? ? ? ? 1.遍歷數組，更新出最大值

? ? ? ? 2.遍歷數組，添加所有需要關心的fd到fd_set位圖中

? ? ? ? 3.調用select進行事件檢測

? ? ? ? 4.遍歷數組，找到就緒的事件，根據就緒事件，完成對應的動作

}

2.poll

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; /* file descriptor */

????????short events; /* requested events */

????????short revents; /* returned events */

};

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.

nfds 表示 fds 數組的長度 .

timeout 表示 poll 函數的超時時間 , 單位是毫秒 (ms)?

events和revents的取值

返回結果

返回值小于 0, 表示出錯 ;

返回值等于 0, 表示 poll 函數等待超時 ;

返回值大于 0, 表示 poll 由于監聽的文件描述符就緒而返回 .

poll的優點

1.效率高

2.輸入輸出參數分離，不需要進行大量的重置

3.poll參數級別，沒有可以管理的fd上限

poll的缺點

1.poll依舊需要不少的遍歷，在用戶層檢測事件就緒與內核檢測fd就緒，都是一樣的，用戶還需要維護數組

2.poll需要內核到用戶的拷貝

3.poll的代碼也比較復雜?

3.epoll

按照man手冊的說法: 是為處理大批量句柄而作了改進的poll.

?int epoll_create(int size);

2.epoll_ctl

int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

它不同于 select() 是在監聽事件時告訴內核要監聽什么類型的事件 , 而是在這里先注冊要監聽的事件類型 .

第一個參數是 epoll_create() 的返回值 (epoll 的句柄 ).

第二個參數表示動作，用三個宏來表示 .

第三個參數是需要監聽的 fd.

第四個參數是告訴內核需要監聽什么事

第二個參數的取值

EPOLL_CTL_ADD ：注冊新的 fd 到 epfd 中；

EPOLL_CTL_MOD ：修改已經注冊的 fd 的監聽事件；

EPOLL_CTL_DEL ：從 epfd 中刪除一個 fd

struct epoll_event結構如下：

EPOLLIN : 表示對應的文件描述符可以讀 ( 包括對端 SOCKET 正常關閉 );

EPOLLOUT : 表示對應的文件描述符可以寫 ;

EPOLLPRI : 表示對應的文件描述符有緊急的數據可讀 ( 這里應該表示有帶外數據到來 );

EPOLLERR : 表示對應的文件描述符發生錯誤 ;

EPOLLHUP : 表示對應的文件描述符被掛斷 ;

EPOLLET : 將 EPOLL 設為邊緣觸發 (Edge Triggered) 模式 , 這是相對于水平觸發 (Level Triggered) 來說的 .

EPOLLONESHOT ：只監聽一次事件 , 當監聽完這次事件之后 , 如果還需要繼續監聽這個 socket 的話 , 需要再次把這個socket 加入到 EPOLL 隊列里 .

3.epoll_wait

int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);?

參數 events 是分配好的 epoll_event 結構體數組 .

epoll 將會把發生的事件賦值到 events 數組中 (events 不可以是空指針，內核只負責把數據復制到這個events數組中，不會去幫助我們在用戶態中分配內存 ).

maxevents 告之內核這個 events 有多大，這個 maxevents 的值不能大于創建 epoll_create() 時的 size.

參數 timeout 是超時時間 ( 毫秒， 0 會立即返回， -1 是永久阻塞 ).

如果函數調用成功，返回對應 I/O 上已準備好的文件描述符數目，如返回 0 表示已超時 , 返回小于 0 表示函數失敗.

epoll的工作原理?

首先，epoll區別于select和poll的點在于，就緒是通過下層主動來的。

?

epoll模型：?

當某一進程調用 epoll_create 方法時， Linux 內核會創建一個 eventpoll 結構體，這個結構體中有兩個成員與epoll 的使用方式密切相關。

每一個 epoll 對象都有一個獨立的 eventpoll 結構體，用于存放通過 epoll_ctl 方法向 epoll 對象中添加進來的事件.

這些事件都會掛載在紅黑樹中，如此，重復添加的事件就可以通過紅黑樹而高效的識別出來 ( 紅黑樹的插入時間效率是lgn ，其中 n 為樹的高度 ).

而所有添加到 epoll 中的事件都會與設備 ( 網卡 ) 驅動程序建立回調關系，也就是說，當響應的事件發生時會調用這個回調方法.

這個回調方法在內核中叫 ep_poll_callback, 它會將發生的事件添加到 rdlist 雙鏈表中 .

在 epoll 中，對于每一個事件，都會建立一個 epitem 結構體 .

struct eventpoll{

....

/* 紅黑樹的根節點，這顆樹中存儲著所有添加到 epoll 中的需要監控的事件 */

struct rb_root rbr;

/* 雙鏈表中則存放著將要通過 epoll_wait 返回給用戶的滿足條件的事件 */

struct list_head rdlist;

....

};

struct epitem{

struct rb_node rbn;// 紅黑樹節點

struct list_head rdllink;// 雙向鏈表節點

struct epoll_filefd ffd; // 事件句柄信息

struct eventpoll *ep; // 指向其所屬的 eventpoll 對象

struct epoll_event event; // 期待發生的事件類型

}

當調用 epoll_wait 檢查是否有事件發生時，只需要檢查 eventpoll 對象中的 rdlist 雙鏈表中是否有 epitem元素即可.

如果 rdlist 不為空，則把發生的事件復制到用戶態，同時將事件數量返回給用戶 . 這個操作的時間復雜度

是 O(1).

epoll的優點

1.接口使用方便 : 雖然拆分成了三個函數 , 但是反而使用起來更方便高效 . 不需要每次循環都設置關注的文件描述符, 也做到了輸入輸出參數分離開

2.數據拷貝輕量 : 只在合適的時候調用 EPOLL_CTL_ADD 將文件描述符結構拷貝到內核中 , 這個操作并不頻繁( 而 select/poll 都是每次循環都要進行拷貝 )

3.事件回調機制 : 避免使用遍歷 , 而是使用回調函數的方式 , 將就緒的文件描述符結構加入到就緒隊列中 ,epoll_wait 返回直接訪問就緒隊列就知道哪些文件描述符就緒 . 這個操作時間復雜度 O(1). 即使文件描述符數目很多, 效率也不會受到影響 .

4.沒有數量限制 : 文件描述符數目無上限

epoll工作方式

epoll有2種工作方式-水平觸發(LT)和邊緣觸發(ET).

epoll 默認狀態下就是 LT 工作模式 .

當 epoll 檢測到 socket 上事件就緒的時候 , 可以不立刻進行處理 . 或者只處理一部分 .

如上面的例子 , 由于只讀了 1K 數據 , 緩沖區中還剩 1K 數據 , 在第二次調用 epoll_wait 時 , epoll_wait 仍然會立刻返回并通知socket 讀事件就緒 .

直到緩沖區上所有的數據都被處理完 , epoll_wait 才不會立刻返回 .

支持阻塞讀寫和非阻塞讀寫

如果我們在第 1 步將 socket 添加到 epoll 描述符的時候使用了 EPOLLET 標志 , epoll 進入 ET 工作模式 .

當 epoll 檢測到 socket 上事件就緒時 , 必須立刻處理 .

如上面的例子 , 雖然只讀了 1K 的數據 , 緩沖區還剩 1K 的數據 , 在第二次調用 epoll_wait 的時候 ,

epoll_wait 不會再返回了 .

也就是說 , ET 模式下 , 文件描述符上的事件就緒后 , 只有一次處理機會 .

ET 的性能比 LT 性能更高 ( epoll_wait 返回的次數少了很多 ). Nginx 默認采用 ET 模式使用 epoll.

只支持非阻塞的讀寫