Linux中一切皆文件，不論是我們儲存在磁碟上的字元文件，可執行檔案或是我們的存取電腦的I/O裝置等都被VFS抽象化了文件，例如標準輸入裝置預設是鍵盤，我們在操作標準輸入設備的時候，其實操作的是預設開啟的一個文件描述符是0的文件，而一切軟體操作硬體都需要通過OS，而OS操作一切硬體都需要相應的驅動程序，這個驅動程式裡配置了這個硬體的相應配置和使用方法。 Linux的I/O分為阻塞I/O,非阻塞I/O,I/O多工,訊號驅動I/O四種。對於I/O設備的驅動，一般都會提供關於阻塞和非阻塞兩種配置。我們最常見的I/O設備之一--鍵盤(標準輸入設備)的驅動程式預設是阻塞的。
多路復用就是為了讓進程能夠從多個阻塞I/O中獲得自己想要的資料並繼續執行接下來的任務。其主要的想法就是同時監視多個檔案描述符，如果有檔案描述符的設定狀態的被觸發，就繼續執行進程，如果沒有任何一個檔案描述符的設定狀態被觸發，則進程進入sleep
多路復用的一個主要用途就是實現"I/O多路復用並發伺服器"，和多線程並發或者多進程並發相比，這種伺服器的系統開銷更低，更適合做web伺服器。
阻塞I/O
阻塞I/O，就是當進程試圖存取這個I/O裝置而這個裝置並沒有準備好的時候，裝置的驅動程式會透過核心讓這個試圖存取的進程進入sleep狀態。阻塞I/O的一個好處就是可以大大的節約CPU時間，因為一旦一個進程試圖存取一個沒有準備好的阻塞I/O，就會進入sleep狀態，而進入sleep狀態的進程是不在核心的進程調度鍊錶中，直到目標I/O準備好了將其喚醒並加入調度鍊錶，這樣就可以節省CPU時間。當然阻塞I/O也有其固有的缺點，如果進程試圖存取一個阻塞I/O，但是否存取成功並不對接下來的任務有決定性影響，那麼直接使其進入sleep狀態顯然會延誤其任務的完成。
典型的預設阻塞IO有標準輸入設備，socket設備，管道設備等，當我們使用gets(),scanf(),read()等操作請求這些IO時而IO並沒有資料流入，就會造成進程的sleep 。
假設一個程序希望透過三個管道中任一個讀取資料並顯示，偽代碼如下
read(pipe_0,buf,sizeof(buf)); //sleepprint buf;
read(pipe_1,buf,sizeof(buf));
print buf;read(pipe_2,buf,sizeof(buf));
print buf;
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由於管道是阻塞I/O，所以如果pipe_0沒有資料流入，進程就是在第一個read()處進入sleep狀態而即使pipe_1和pipe_2有資料流入也不會被讀取。
如果我們使用下述程式碼重新設定管道的阻塞屬性，顯然，如果三個管道都沒有資料流入，那麼進程就無法獲得請求的資料而繼續執行，倘若這些資料很重要(所以我們才要用阻塞I /O)，那結果就會十分的糟糕，改為輪詢卻又大量的佔據CPU時間。
int fl = fcntl(pipe_fd, F_GETFL);
fcntl(pipe_fd, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK);
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如何讓進程同時監視三個管道，其中一個有資料就繼續執行而不會sleep，如果全部沒有資料流入再sleep，就是多路復用技術需要解決的問題。
非阻塞I/O
非阻塞I/O就是當一個進程試圖存取一個I/O裝置的時候，無論是否從中獲取了請求的資料都會返回並繼續執行接下來的任務。 ，但非常適合請求是否成功對接下來的任務影響不大的I/O請求。但如果存取一個非阻塞I/O，但這個請求如果失敗對進程接下來的任務有致命影響，最粗暴的就是使用while(1)｛read()｝輪詢。顯然，這種方式會佔用大量的CPU時間。
select機制
select是一種非常"古老"的同步I/O接口，但是提供了一種很好的I/O多路復用的
模型
fd_set //创建fd_set对象，将来从中增减需要监视的
fdFD_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
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Note:
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);
}登入後複製
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🎜Note:🎜🎜select的思路第一個參數nfds是指集合中的最大的檔案描述子+1，因為select會無差異遍歷整個檔案描述子表直到找到目標，而檔案描述子是從0開始的，所以一共是集合中的最大的檔案描述符+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);
}登入後複製
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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fdfds[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)登入後複製
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);
}登入後複製
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
模型
epoll_create() //创建epoll对象struct epoll_event //准备事件结构体和事件结构体数组
event.events event.data.fd ...
epoll_ctl() //配置epoll对象epoll_wait() //监控epoll对象中的fd及其相应的event登入後複製
例子_I/O多路复用并发服务器
/* ... */int main(){ /* ... */
/* 创建epoll对象 */
int epoll_fd = epoll_create(1024);
//准备一个事件结构体
struct epoll_event event = {0}; event.events = EPOLLIN; event.data.fd = listenfd; //data是一个共用体，除了fd还可以返回其他数据
//ctl是监控listenfd是否有event被触发
//如果发生了就把event通过wait带出。
//所以，如果event里不标明fd，我们将来获取就不知道哪个fd
epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, listenfd, &event);
struct epoll_event revents[MAXNFD] = {0}; int nready; char buf[MAXNFD][BUFSIZE] = {0}; while(1){ //wait返回等待的event发生的数目
//并把相应的event放到event类型的数组中
nready = epoll_wait(epoll_fd, revents, MAXNFD, -1) int i = 0; for(;i<nready; i++){ //wait通过在events中设置相应的位来表示相应事件的发生
//如果输入可用，那么下面的这个结果应该为真
if(revents[i].events & EPOLLIN){ //如果是listenfd有数据输入
if(revents[i].data.fd == listenfd){ int sockfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &len); struct epoll_event event = {0}; event.events = EPOLLIN; event.data.fd = sockfd;
epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, sockfd, &event);
} else{ int ret = read(revents[i].data.fd, buf[revents[i].data.fd], sizeof buf[0]); if(0 == ret){
close(revents[i].data.fd);
epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_DEL, revents[i].data.fd, &revents[i]);
}
revents[i].events = EPOLLOUT;
epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_MOD, revents[i].data.fd, &revents[i]);
}
} else if(revents[i].events & EPOLLOUT){ int ret = write(revents[i].data.fd, buf[revents[i].data.fd], sizeof buf[0]);
revents[i].events = EPOLLIN;
epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_MOD, revents[i].data.fd, &revents[i]);
}
}
}
close(listenfd);
}登入後複製
