IO多路復用(select/epoll)

目錄

一、概念

二、語法

1.select

1.1 select函數的語法

1.2 文件描述符集合操作

1.3 select函數的優缺點

2.epoll

2.1 epoll語法

2.2 epoll的工作模式

2.3 epoll的優缺點

三、select服務端代碼

四、epoll服務端代碼

五、客戶端代碼

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一、概念

IO多路復用是一種同步的I/O模型，它允許一個進程同時監視多個文件描述符，一旦某個文件描述符就緒（可以進行I/O操作），就能夠通知程序進行相應的讀寫操作。

IO多路復用有三種實現方式：select、poll、epoll。

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二、語法

1.select

select是最早的I/O多路復用技術之一，它使用fd_set數據結構來存儲和跟蹤文件描述符。

select是基于線性方式處理待檢測集合的，因此每次都要遍歷集合；對于返回的集合，還需要判斷文件描述符是否就緒。

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1.1 select函數的語法

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。
  • readfds：文件描述符集合，內核會監視此集合中的文件是否有數據可讀，傳入傳出參數。
  • writefds：文件描述符集合，內核會監視此集合中的文件是否有數據可寫，傳入傳出參數。
  • exceptfds：文件描述符集合，用于監視此集合中的文件是否有異常情況，傳入傳出參數。
  • timeout：設置為NULL：阻塞，若檢測到就緒的文件描述符則返回其數量；設置時間：等待固定時間，若沒有就緒的文件描述符則返回0。

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1.2 文件描述符集合操作

  • FD_ZERO(fd_set *set)：清空文件描述符集合。
  • FD_SET(int fd, fd_set *set)：將文件描述符fd添加到集合set中。
  • FD_CLR(int fd, fd_set *set)：從集合set中移除文件描述符fd。
  • FD_ISSET(int fd, fd_set *set)：檢查文件描述符fd是否在集合set中。

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1.3 select函數的優缺點

  • 優點：適用于多種操作系統，具有較好的兼容性。
  • 缺點：當文件描述符數量較多時，效率會比較低。此外，select有一個固定的文件描述符數量限制，通常為1024。

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2.epoll

epoll是一種高效且可擴展的I/O多路復用技術。epoll是基于紅黑樹來處理待檢測集合的，使用回調機制，處理效率高；其返回的集合中的文件描述符都是就緒的，無需再次進行檢測。

epoll主要通過以下三個函數來實現其功能：epoll_create、epoll_ctl、epoll_wait。

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2.1 epoll語法

①epoll_create函數

epoll_create (int size);

創建一個epoll對象，返回一個文件描述符，用于后續的操作，參數size大于0即可。

②epoll_ctl函數

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

向epoll對象中添加、修改或刪除文件描述符。

  • epfd：epoll_create函數返回的epoll文件描述符。
  • op：操作類型，EPOLL_CTL_ADD（添加）、EPOLL_CTL_MOD（修改）或EPOLL_CTL_DEL（刪除）。
  • fd：要監聽的文件描述符。
  • event：指向epoll_event結構體的指針，用于指定要監聽的事件類型。
epoll_event和epoll_data：

struct epoll_event
{
? uint32_t events;
? epoll_data_t data;
};

typedef union epoll_data
{
? void *ptr;
? int fd;
? uint32_t u32;
? uint64_t u64;
};

epoll_event結構體用于描述事件，成員events表示事件類型：

  • EPOLLIN：讀事件，接收數據，檢測讀緩沖區，如果可讀則該文件描述符已就緒。
  • EPOLLOUT：寫事件，發送數據，檢測寫緩沖區，如果可寫則該文件描述符已就緒。
  • EPOLLET：設置為邊沿模式，默認是水平模式。

epoll_data為聯合體，通常使用int類型的fd，用于存儲發生對應事件的文件描述符。

?③epoll_wait函數

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

等待epoll對象中的事件發生，返回發生事件的文件描述符集合。

  • epfd：epoll_create函數返回的epoll文件描述符。
  • events：一個數組，用來存儲就緒的事件信息。
  • maxevents：數組events的大小，即最多可以返回多少個就緒的文件描述符。
  • timeout：表示epoll_wait阻塞等待的時間(毫秒)。若為負數則會阻塞，直到有事件就緒；若為0則不阻塞，立即返回當前已就緒的事件。

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2.2 epoll的工作模式

①水平觸發(LT)模式：

水平觸發是epoll的默認工作模式。在這種模式下，當文件描述符上的事件就緒時，epoll_wait函數會返回，并且如果該事件沒有被處理，epoll_wait函數會在下一次調用時再次返回，直到該事件被處理。例如，當一個套接字上有數據可讀時，epoll_wait會返回，并且如果數據沒有被讀取，epoll_wait會在下一次調用時再次返回，直到數據被讀取。

②邊沿觸發(ET)模式：

邊沿觸發模式下，epoll_wait函數只會在文件描述符的狀態發生變化時返回。例如，當一個套接字上有數據可讀時，epoll_wait會返回，但是如果數據沒有被讀取，epoll_wait不會在下一次調用時再次返回，直到有新的數據到達。因此在邊沿觸發模式下，程序需要在一次epoll_wait調用返回后，立即處理所有就緒的事件。

③總結：
  • 邊沿觸發模式通常比水平觸發模式的性能更高，因為它調用epoll_wait函數的次數比較少。
  • 水平觸發模式更適合處理阻塞式I/O，而邊沿觸發模式更適合處理非阻塞式I/O。

epoll在邊沿模式下，必須將套接字設置為非阻塞模式，此時需要循環讀取讀緩沖區的數據，讀取完后recv函數會返回-1，此時需要特殊處理。

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2.3 epoll的優缺點

  • 優點：高效的事件驅動模型，支持大量并發連接，沒有固定的文件描述符數量限制。
  • 缺點：僅適用于Linux系統，不具備跨平臺性。

?

三、select服務端代碼

#include<iostream>
#include<cstring>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<unistd.h>using namespace std;int main(int argc, char* argv[])
{int lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (lfd == -1) {cerr << "error" << endl;return -1;}struct sockaddr_in local;local.sin_family = AF_INET;local.sin_port = htons(8080);local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;if (bind(lfd, (struct sockaddr*)&local, sizeof(local)) == -1) {cerr << "error" << endl;return -1;}if (listen(lfd, 128) == -1) {cerr << "error" << endl;return -1;}fd_set readset;FD_ZERO(&readset);FD_SET(lfd, &readset);int maxfd = lfd;while (true) {fd_set tmp = readset;int ret = select(maxfd + 1, &tmp, NULL, NULL, NULL);if (FD_ISSET(lfd, &tmp)) {int cfd = accept(lfd, NULL, NULL);FD_SET(cfd, &readset);maxfd = max(maxfd, cfd);cout << "connect: " << cfd << endl;}for (int i = 0; i <= maxfd; i++) {if (i != lfd && FD_ISSET(i, &tmp)) {char buffer[1024] = { 0 };int len = recv(i, buffer, sizeof buffer, 0);if (len == -1) {cerr << "error" << endl;return -1;}else if (len == 0) {cout << "client disconnect: " << i << endl;FD_CLR(i, &readset);close(i);break;}cout << buffer << endl;for (int i = 0; i < len; i++) {buffer[i] = toupper(buffer[i]);}len = send(i, buffer, strlen(buffer) + 1, 0);if (len == -1) {cerr << "error" << endl;return -1;}}}}close(lfd);return 0;
}

?

四、epoll服務端代碼

#include<iostream>
#include<cstring>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<sys/epoll.h>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
#include<errno.h>using namespace std;int main(int argc, char* argv[])
{int lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (lfd == -1) {cerr << "error" << endl;return -1;}struct sockaddr_in local;local.sin_family = AF_INET;local.sin_port = htons(8080);local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;if (bind(lfd, (struct sockaddr*)&local, sizeof(local)) == -1) {cerr << "error" << endl;return -1;}if (listen(lfd, 128) == -1) {cerr << "error" << endl;return -1;}int epfd = epoll_create(1);struct epoll_event event;event.events = EPOLLIN;event.data.fd = lfd;epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, lfd, &event);struct epoll_event events[1024];while (true) {int fds = epoll_wait(epfd, events, 1024, -1);for (int i = 0; i < fds; i++) {int fd = events[i].data.fd;if (fd == lfd) {int cfd = accept(lfd, NULL, NULL);struct epoll_event client_event;int flag = fcntl(cfd, F_GETFL);flag |= O_NONBLOCK;fcntl(cfd, F_SETFL, flag);client_event.events = EPOLLIN | EPOLLET;client_event.data.fd = cfd;epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, cfd, &client_event);cout << "connect: " << cfd << endl;}else {while(true) {char buffer[128] = { 0 };int len = recv(fd, buffer, sizeof buffer, 0);if (len == 0) {cout << "client disconnect: " << fd << endl;epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, fd, NULL);close(fd);break;}else if (len > 0) {cout << buffer << endl;for (int i = 0; i < len; i++) {buffer[i] = toupper(buffer[i]);}len = send(fd, buffer, strlen(buffer) + 1, 0);if (len == -1) {cerr << "error" << endl;return -1;}}else if (len == -1) {if (errno = EAGAIN) {cout << "Data read complete." << endl;break;}else {cerr << "error" << endl;return -1;}}}}}}close(lfd);return 0;
}

?

五、客戶端代碼

#include<iostream>
#include<cstring>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<unistd.h>using namespace std;int main(void)
{int client_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (client_socket == -1) {cerr << "error" << endl;return -1;}struct sockaddr_in target;target.sin_family = AF_INET;target.sin_port = htons(8080);inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &target.sin_addr.s_addr);if (connect(client_socket, (struct sockaddr*)&target, sizeof target) == -1) {cerr << "error" << endl;close(client_socket);return -1;}while (true) {char buffer1[1024] = { 0 };cout << "enter: ";cin >> buffer1;send(client_socket, buffer1, strlen(buffer1), 0);char buffer2[1024] = { 0 };int ret = recv(client_socket, buffer2, sizeof buffer2, 0);if (ret <= 0) {cout << "server disconnect." << endl;}cout << buffer2 << endl;}close(client_socket);return 0;
}

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參考內容：
愛編程的大丙

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