UNIX编程专题-I/O复用：select、pselect、poll和epoll解析

发布时间：2020-12-15 16:41:52 所属栏目：安全来源：网络整理

导读：1.什么是I/O复用进程需要一种预先告知内核的能力，使得内核一旦发现进程指定的一个或多个I/O条件就绪（输入已准备好被读取，或者描述符已能承接更多的输出），就会通知进程。这个能力称为I/O复用。 2.I/O复用的应用场合当客户同时处理多个描述符（通常是交

1.什么是I/O复用

进程需要一种预先告知内核的能力，使得内核一旦发现进程指定的一个或多个I/O条件就绪（输入已准备好被读取，或者描述符已能承接更多的输出），就会通知进程。这个能力称为I/O复用。

2.I/O复用的应用场合

当客户同时处理多个描述符（通常是交互式输入和网络套接字）时，必须使用I/O复用
一个客户同时处理多个套接字是可能的
如果一个TCP服务器既要处理监听套接字，又要处理已连接套接字，一般就要使用I/O复用
如果一个服务器既要处理TCP，又要处理UDP，一般就要使用I/O复用
如果一个服务器要处理多个服务或者多个协议，一般就要使用I/O复用。

3.I/O复用模型

select、poll都是系统调用

select调用后将被阻塞，等待数据报套接字变为可读。当select返回套接字可读这一条件时，调用recvfrom把所读数据复制到应用进程缓冲区

使用select的优势在于我们可以等待多个描述符就绪

相当于中间多了一层。I/O是否准备就绪管理层，进程受阻于此层的调用，一直到规定时间截止或者在管理层注册中的某个或多个事件发生。

4.在多线程中使用阻塞式I/O

与I/O复用密切相关的另一种I/O模型：多线程中使用阻塞式I/O,取代select阻塞在多个文件描述符，此模型使用多个线程（每个文件描述符一个线程），这样每个线程都可以自由地调用recvfrom之类的阻塞式I/O系统调用

5.描述符集的介绍及其相关操作

参见我的另一篇博文：点击此处

6.select函数详解

该函数允许进程指示内核等待多个事件的任何一个发生、并只在有一个或多个事件发生或经历一段指定的时间后才唤醒。

#include<sys/select.h>
#include<sys/time.h>
int select(int maxfdp1,fd_set *readset,fd_set *writeset,fd_set *exceptset,const struct timeval *timeout);
//若有就绪描述符则为其数目，若超时则为0，若出错则为-1

timeout:指定等待时间（可到微秒级，但不是很准）
struct timeval
{
  long tv_sec; /*seconds*/
  long tv_usec;/*microseconds*/
}
1.若把timeout设置为空指针，则select阻塞永远等待，仅在有一个描述符准备好I/O时才返回
2.在有一个描述符准备好I/O时返回，但不超过该参数指定的时间
3.不等待（传入timeval结构指针，指针指向的结构体变量都置为0）。检查描述符后立即返回，称为轮询

readset writeset exceptset都是值-结果参数。我们每次重新调用select函数时，我们都得再次把所有描述符集内所关心的位均设置为1

7.pselect函数详解

此函数由POSIX定义。

#include<sys/select.h>
#include<signal.h>
#include<time.h>
int pselect(int maxfdp1,fd_set *readfds,fd_set *writefds,fd_set *exceptfds,const struct timespec *tsptr,const sigset_t *sigmask);

pselect相对于select的两个变化：

pselect使用timespec结构，能指定到纳秒级（旧结构只能指定到微秒级）
pselect增加了指向信号集的指针sigmask（此时的信号集表示信号掩码）
pselect函数是一个防止信号干扰的增强型 select函数（重点啊小哥们）
对于pselect可使用一可选择的信号屏蔽字。若sigmask为空，那么在与信号有关的方面，pselect的运行状况和select相同。否则，sigmask指向一信号屏蔽字，在调用pselect时，以原子操作的方式安装该信号屏蔽字。在返回时恢复以前的信号屏蔽字。

用pselect()函数

#include        <time.h>
#include        <stdio.h>
#include        <stdlib.h>
#include        <signal.h>
#include        <unistd.h>
#include        <sys/select.h>

#define BUFFSIZE 80
void
sig_int(int signo)  //SIGINT的信号处理函数
{
        char    s[] = "received";

        psignal(signo,s);

        return;
}
void err_sys(const char *p_error) //错误包裹函数，内部调用exit强制退出
{
        perror(p_error);

        exit(1);
}void sig_alrm(int signo) //SIGALRM信号处理函数{ char s[] = "receive"; psignal(signo,s); return;}intmain(int argc,char **argv){ int maxfdp1; fd_set rset; //文件描述符集 sigset_t sigmask; //信号集，用来设置信号屏蔽字 ssize_t nread; char buf[BUFFSIZE];
 sigset_t sigset; struct sigaction act; // set SIGALRM signal handler act.sa_handler = sig_alrm; if (sigemptyset(&act.sa_mask) == -1) err_sys("sigemptyset"); act.sa_flags = 0; if (sigaction(SIGALRM,&act,NULL) == -1) err_sys("sigaction"); // initialize signal
 set and addition SIGALRM into sigset if (sigemptyset(&sigset) == -1) err_sys("sigemptyet"); if (sigaddset(&sigset,SIGALRM) == -1) err_sys("sigaddset"); alarm(1); FD_ZERO(&rset); FD_SET(STDIN_FILENO,&rset); maxfdp1 = STDIN_FILENO + 1; if (pselect(maxfdp1,&rset,NULL,&sigset) <= 0) err_sys("pselect error"); if (FD_ISSET(STDIN_FILENO,&rset)) { if ((nread = read(STDIN_FILENO,buf,BUFFSIZE)) == -1) err_sys("read error"); if (write(STDOUT_FILENO,nread) != nread) err_sys("write error"); } exit(0);}上段代码如果没有CTRL+C送上一个SIGINT信号,将永远阻塞在与用户的交互上,ALARM产生的SIGALRM信号打断不了PSELECT,ALARM信号被成功屏蔽
8.poll函数详解
#include<poll.h>
int poll(struct pollfd *fdarray,unisgned long nfds,int timeout);


poll功能与select类似，不过在处理流设备时，它能够提供额外的信息
struct pollfd{

 
 

  
  int fd; 
 

  
  short events; 
 

  
  shot revents;
 

 
 
}







9.epoll函数详解（现今最常用的linux2.6及其之后内核支持）
具体参见我的另一篇博文：epoll机制详解



10.select、poll、epoll比较






notes;
当要保持很多的长连接，而且连接的开关很频繁的情况下，能够发挥epoll最大优势（高效的模型：非阻塞、异步IO模型）。不使用select/poll,这些函数机制复杂度O(N).
Linux2.6及其之后：使用epoll
BSD：使用kqueue
windows：IOCP
实际项目中我们使用libevent封装了统一接口（不同操作系统采用各个平台特有接口），这些平台特有API时间复杂度O(1)
在非阻塞、异步I/O模型下，我们需要亲自管理维护每个连接的状态，小心的对报文解析，为了充分利用CPU，还需采取线程池机制。
















 
 

  
   
    
    系统调用 
    select 
    poll 
    epoll 
    函数原型 
    int select(int nfds,fd_set* readfds,fd_set* writefds,fd_set* exceptfds,struct timeval* timeout) 
    int poll(struct pollfd* fds,nfds_t nfds,int timeout) 
     int epoll_create(int size)
 int epoll_ctl(int epfd,int op,int fd,struct epoll_event* event)
 int epoll_wait(int epfd,struct epoll_event* events,int maxevents,int timeout)
  
    事件集合 
       统一处理所有事件类型，因此只需一个事件集参数。用户通过pollfd.events传入感兴趣的事件，内核通过修改pollfd.revents反馈其中就绪的事件 
      内核通过一个事件表直接管理用户感兴趣的所有事件。因此每次调用epoll_wait时，无须反复传入用户感兴趣的事件。epoll_wait系统调用的参数events仅用来反馈就绪的事件 
    应用程序索引就绪文件描述符的事件复杂度 
    O(n) 
    O(n) 
    O(1) 
    最大文件描述符数 
    一般有最大值限制（由FD_SETSIZE指定） 
    系统允许打开的最大文件描述符数目 
    系统允许打开的最大文件描述符数目 
    工作模式 
    Level Trigger 
    Level Trigger 
    Level/Edge Trigger 
    内核实现和工作效率 
    采用轮询方式来检测就绪事件，算法时间复杂度为O(n) 
    采用轮询方式来检测就绪事件，算法时间复杂度为O(n) 
     采用回调方式来检测就绪事件，算法时间复杂度为O(1)。无论是select，poll还是epoll都需要内核把FD消息通知给用户空间，如何避免不必要的内存拷贝就很重要，在这点上，epoll是通过内核与用户空间mmap同一块内存实现的。
 epoll因为采用mmap的机制,使得内核socket buffer和用户空间的buffer共享,从而省去了socket data copy,这也意味着,当epoll回调上层的callback函数来处socket 数据时,数据已经从内核层 "自动" 到了用户空间,虽然和用poll 一样,用户层的代码还必须要调用 read/write,但这个函数内部实现所触发的深度不同了.
  
    使用差别 
     
      
      fd_set read_fds;
FD_ZERO(&read_fds);
while(1){
    FD_SET(connfd,&read_fds);
    ret = select(connfd + 1,&read_fds,NULL);
    if(FD_ISSET(connfd,&read_fds)){
          //事件处理
    } 
} 
     
   
     
      
      int ret = poll(fds,MAX_EVENT_NUMBER,-1）;
for(int i = 0; i < MAX_EVENT_NUMBER; ++i){
    if(fds[i].revents &POLLIN){
        int sockfd = fds[i].fd;
        //事件处理
    }      
} 
     
   
     
      
      int ret = epoll_wait(epollfd,events,-1);
for(int i = 0; i < ret; i++){
    int sockfd = events[i].data.fd;
    //事件处理
}

（编辑：李大同）

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