Linux多路转接select,poll

同步，就是在发出一个调用的时候，在没有得到结果之前，该调用就不返回。但是一旦调用返回，就得到了返回值。换句话说，就是由调用者主动等待这个调用的结果。

异步则相反，调用在发出后，这个调用结果就直接返回，所以没有返回结果。换句话说，当一个异步调用发出后，调用者不会立刻得到返回结果；而是在调用发出后，被调用者通过状态、通知来通知调用者，或者通过回调函数处理这个调用。

在多进程多线程的时候，也有提到同步和互斥。这里的是完全不同的概念。

进程/线程同步也是进程/线程之间直接的制约关系，是为完成某种任务而建立的两个或多个线程，这个线程需要在某些位置上协调他们的工作次序而等待、传递信息所产生的制约关系，尤其是在访问临界资源的时候。

2.阻塞和非阻塞

阻塞和非阻塞关注的是等待调用结果（消息，返回值）时的状态

阻塞调用的指调用结果返回之前，当前线程会被挂起，调用线程只有在得到结果之后才会返回。

非阻塞调用是指在不能立刻得到结果之前，该调用者不会阻塞当前线程。

三、其他高级IO

非阻塞io,纪录锁，系统V流机制，io多路转接（io 多路复用），read v和write v 函数以及存储映射IO（MMAP)，这些统称为高级IO

本文重点讨论IO多路转接

四、非阻塞IO

1.fctl函数

fcntl 一个文件描述符，默认都是阻塞IO

#include&lt;unistd.h&gt;
#include<fcntl.h&gt;

int fcntl(int fd,int cmd, .../*args */);

传入的cmd不同，后面追加的参数也不同

fcntl函数有5种功能：

复制一个现有的描述符(cmd = F_DUPFD)
获得/设置文件描述符标记（cmd = F_GETFD或F_SETFD)
获得/设置文件状态标记（cmd = F_GETFL或F_SETFL)
获得/设置异步 io 所有权（cmd = F_GETOWN或F_SETOWN)
获得/设置记录锁（cmd = F_GETLK,F_SETLK或F_SETLKW)

此处使用第三个功能，获取/设置文件状态标记，就可以将一个文件描述符设置为非阻塞

2.实现 setNoBlock 函数，将文件描述符设置为非阻塞

基于fcntl实现一个SetNoBlock函数

void SetNoBlock(int fd)
{
    int fl = fcntl(fd,F_GETFL);
    if(fl <0)
    {
        perror("fcntl");
        return;
    }

    fcntl(fd,F_SETFL,fl|O_NONBLOCK);
}

使用F_GETFL将当前的文件描述符的属性取出来(这是一个位图).

然后再使用F_SETFL将文件描述符设置回去. 设置回去的同时, 加上一个O_NONBLOCK参数.

3.轮询 方式 读取 标准 输入

#include<stdio.h&gt;
#include<unistd.h&gt;
#include<fcntl.h>


void SetNoBlock(int fd)
{
    int fl = fcntl(fd,F_GETFL);
    if(fl <0)
    {
        perror("fcntl");
        return;
    }

    fcntl(fd,F_SETFL,fl|O_NONBLOCK);
}

int main()
{
    SetNoBlock(0);
    while(1)
    {
        char buf[1024] = {0};
        ssize_t read_size = read(0,buf,sizeof(buf)-1);
        if(read_size <0)
       {
         sleep(1);
         continue;
       }

       printf("input:%sn",buf);
       return 0;
}

五、IO多路转接之select

1.初始select

系统提供select函数来实现多路复用输入/输出模型

select系统调用是用来让我们的程序监视多个fd的状态变化的
程序会停在select 这里等待，直到被监视的fd有一个或者多个发生了状态改变

2.select函数原型

#include<sys/select.h>

int select(int nfds,fd_set * readfds,fd_set * writefds,fd_set * exceptfds,struct timeval * timeout);

//nfd 是需要监视的最大文件描述符值+1
//rdset,wrset,exset分别对应需要检测的可读文件描述符的集合，可写文件描述符的集合，以及异常文件描述符的集合
//timeout为结构timeval,用来设置select的等待时间

参数 timeout 取值：

NULL:则表示sel e ct()没有 timeout,sel e ct将一直被阻塞，直到某个文件描述符上发生了事件
0：仅检测描述符集合的状态，然后立即返回，并不等待外部事件的发生
特定的结构值：如果在指定的时间段内没有事件发生，sel e ct将超时返回。

fd_set结构

这个结构就是一个整数数组，更严格的说，是一个位图，使用位图中对应的位来表示要监视的文件描述符，有一组fd_set接口，来比较方便操作位图

void FD_CLR(int fd, fd_set *set); // 用来清除描述词组set中相关fd 的位
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set); // 用来测试描述词组set中相关fd 的位是否为真
void FD_SET(int fd, fd_set *set); // 用来设置描述词组set中相关fd的位
void FD_ZERO(fd_set *set); // 用来清除描述词组set的全部位

关于time val结构

time val结构用于描述一段时间长度，如果在这个时间内，需要监视的描述符没有事件发生则函数返回，返回值为0

strcut timeval
{
    __time_t tv_sec;   //seconds
    __suseconds_t tv_usec;   //microseconds
};

函数返回值：

执行成功则返回文件描述词状态已改变的个数
如果返回0代表在描述词状态改变前已经超过timeout 时间，没有返回
当有错误发生时则返回-1，错误原因存于err no,此时参数 re a dfds,writefds,exceptfds和timeout的值变成不可预测

错误值可能为：

EBADF 文件描述词为无效的或者该文件已关闭
EINTR 此调用被信号中断
EINVAL 参数n为负值
ENOMEN 核心内存不足

常见使用场景：

fs_set readset;
FD_SET(fd,&amp;readset);
select(fd+1,&amp;readset,NULL,NULL,NULL);
if(FD_ISSET(fd,readset)){...}

3.理解select执行 过程

理解select模型的关键在于理解ds_set，这里取fd_set长度为1字节，fd_set中的每一个bit可以对应一个文件描述符fd,则1字节长的fd_set最大可以对应8个fd

执行fd_set set; FD_ZERO(&set); 则set用位表示是0000 0000
若fd = 5 执行FD_SET(fd,&set);后变为0001 0000
若再加入fd = 2,fd = 1,则set变成 0001 0011
执行select(6,&set,0,0,0); 阻塞等待
若fd = 1,fd = 2 上都发生可读事件，则select返回，此时set变为0000 0011
注意，没有事件发生的fd = 5被清空

4.select的特点

可监控的文件描述符个数取决与sizeof(fd_set)的值，比如 sizeof(fd_set)=512,每bit 表示一个文件描述符，则服务器上支持的最大文件描述符是512*8 = 4096
将fd加入select监控集的同时，还要再使用一个数据结构 array进行FD_ISSET判断
select返回后会把以前加入但是没有发生事件的fd清空，则每次开始select前都要重新从array取得fd逐一加入，扫描 array的同时取得fd的最大 maxfd,用于select的第一个参数

5.select的缺点

每次调用select，都需要手动设置fd集合，从接口使用角度也非常不便
每次调用select,都需要把fd从用户态拷贝到内核态，这个开销在fd很多时会很大
同时每次调用select都需要在内核遍历传入的所有fd，fd很多的时候开销很大
select支持的文件描述符数量太少

6.select使用示例：检测标准 输入输出

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/select.h>

int main()
{
    fd_set read_fds;
    FD_ZERO(&amp;read_fds);
    FD_SET(0，&amp;read_fds);
    for(;;)
    {
        printf("> ");
        fflush(stdout);
        int ret = select(1,&amp;read_fds,NULL,NULL,NULL);
        if(ret <0)
        {
            perror("select");
            continue;
        }

        if(FD_ISSET(0,&amp;read_fds))
        {
            char buf[1024] = {0};
            read(0,buf,sizeof(buf)-1);
            printf("input:%s",buf);
        }

        else
        {
            printf("invalid fd");
            continue;
         }
        FD_ZERO(&amp;read_fds);
        FD_SET(0,&amp;read_fds);
    }
    return 0;
}

7.select使用实例

参照gitee，实现select字典服务器

六、IO多路转接之poll

1.poll函数接口

#include<poll.h>

int poll(struct pollfd * fds,nfds_t nfds, int timeout);

//pollfd结构
struct pollfd{
    int fd;
    short events;  //requested events
    short revents; // returned events
};

2.参数说明

fds是一个poll函数监听的结构列表，每一个元素中包含3部分内容：fd,监听的事件集合，返回的事件集合
nfds表示fds数组的长度
timeout 表示poll函数的超时时间，单位是ms

3.返回结果

返回值小于0，表示出错

返回值等于0，表示poll函数等待超时

返回值大于0，表示poll由于监听的fd就绪而返回

4.poll的优点

不同与select使用三个位图来表示fdset的方式，poll使用一个pollfd指针实现

pollfd结构包含了要监视的event和发生的event，不再使用select“参数-值”传递的方式，接口使用比select更方便
poll没有 max数量限制（但是数量过大后性能也是会下降）

5.poll的缺点

poll中监听的文件fd增多时

和select函数一样，poll返回后，需要轮询pollfd来获取就绪的fd
每次调用poll都需要把大量的pollfd结构从用户态拷贝到内核中
同时连接的大量客户端在一时刻可能只有很少的处于就绪状态，因此随着监视的fd数量增加，效率也会线性下降

6.poll使用实例：使用poll监控标准 输入

#include <poll.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
int main() {
 struct pollfd poll_fd;
 poll_fd.fd = 0;
 poll_fd.events = POLLIN;

 for (;;) {
 int ret = poll(&amp;poll_fd, 1, 1000);
 if (ret < 0) {
 perror("poll");
 continue;
 }
 if (ret == 0) {
 printf("poll timeoutn");
 continue;
 }
 if (poll_fd.revents == POLLIN) {
 char buf[1024] = {0};
 read(0, buf, sizeof(buf) - 1);
 printf("stdin:%s", buf);
 }
 }
}