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一、什么是多路复用：
二、select
1 基本原理
2 参数
3 使用例子
4 select的缺点
三、epoll
使用用例
一、什么是多路复用：
- 多路: 指的是多个socket网络连接;
- 复用: 指的是复用一个线程、使用一个线程来检查多个文件描述符（Socket）的就绪状态
- 多路复用主要有三种技术：select，poll，epoll。epoll是最新的, 也是目前最好的多路复用技术
I/O多路复用就是通过一种机制，一个进程可以监视多个描述符，一旦某个描述符就绪（一般是读就绪或者写就绪），能够通知程序进行相应的读写操作。但select，poll，epoll本质上都是同步I/O，因为他们都需要在读写事件就绪后自己负责进行读写，也就是说这个读写过程是阻塞的，而异步I/O则无需自己负责进行读写，异步I/O的实现会负责把数据从内核拷贝到用户空间
二、select
1 基本原理
#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);
返回值：
若有就绪描述符返回其数目，若超时则为0，若出错则为-1
2 参数
第一个参数——int maxfdp1
第一个参数maxfdp1指定待测试的描述字个数。
它的值是待测试的最大描述字加1（因此把该参数命名为maxfdp1），描述字0、1、2…maxfdp1-1均将被测试。
因为文件描述符是从0开始的。
fd_set *readset
fd_set *writeset
fd_set *exceptset
中间的三个参数readset、writeset和exceptset指定我们要让内核测试读、写和异常条件的描述字。
如果对某一个的条件不感兴趣，就可以把它设为空指针。struct fd_set可以理解为一个集合，这个集合中存放的是文件描述符，可通过以下四个宏进行设置：
void FD_ZERO(fd_set *fdset);
//清空集合
void FD_SET(int fd, fd_set *fdset);
//将一个给定的文件描述符加入集合之中
void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset);
//将一个给定的文件描述符从集合中删除
int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset);
// 检查集合中指定的文件描述符是否可以读写
3 使用例子
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#define MYPORT 1234 // the port users will be connecting to
#define BACKLOG 5 // how many pending connections queue will hold
#define BUF_SIZE 1024
int fd_A[BACKLOG]; // accepted connection fd
int conn_amount; // current connection amount
void showclient()
{
int i;
printf("client amount: %d/n", conn_amount);
for (i = 0; i < BACKLOG; i++) {
printf("[%d]:%d ", i, fd_A[i]);
}
printf("/n/n");
}
int main(void)
{
int sock_fd, new_fd; // listen on sock_fd, new connection on new_fd
struct sockaddr_in server_addr; // server address information
struct sockaddr_in client_addr; // connector's address information
socklen_t sin_size;
int yes = 1;
char buf[BUF_SIZE];
int ret;
int i;
if ((sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1) {
perror("socket");
exit(1);
}
if (setsockopt(sock_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &yes, sizeof(int)) == -1) {
perror("setsockopt");
exit(1);
}
server_addr.sin_family = AF_INET; // host byte order
server_addr.sin_port = htons(MYPORT); // short, network byte order
server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // automatically fill with my IP
memset(server_addr.sin_zero, '/0', sizeof(server_addr.sin_zero));
if (bind(sock_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {
perror("bind");
exit(1);
}
if (listen(sock_fd, BACKLOG) == -1) {
perror("listen");
exit(1);
}
printf("listen port %d/n", MYPORT);
fd_set fdsr;
int maxsock;
struct timeval tv;
conn_amount = 0;
sin_size = sizeof(client_addr);
maxsock = sock_fd;
while (1)
{
// initialize file descriptor set
FD_ZERO(&fdsr);
FD_SET(sock_fd, &fdsr); // add fd
// timeout setting
tv.tv_sec = 30;
tv.tv_usec = 0;
// add active connection to fd set
for (i = 0; i < BACKLOG; i++) {
if (fd_A[i] != 0) {
FD_SET(fd_A[i], &fdsr);
}
}
ret = select(maxsock + 1, &fdsr, NULL, NULL, &tv);
if (ret < 0) { // error
perror("select");
break;
} else if (ret == 0) { // time out
printf("timeout/n");
continue;
}
// check every fd in the set
for (i = 0; i < conn_amount; i++)
{
if (FD_ISSET(fd_A[i], &fdsr)) // check which fd is ready
{
ret = recv(fd_A[i], buf, sizeof(buf), 0);
if (ret <= 0)
{ // client close
printf("ret : %d and client[%d] close/n", ret, i);
close(fd_A[i]);
FD_CLR(fd_A[i], &fdsr); // delete fd
fd_A[i] = 0;
conn_amount--;
}
else
{ // receive data
if (ret < BUF_SIZE)
memset(&buf[ret], '/0', 1); // add NULL('/0')
printf("client[%d] send:%s/n", i, buf);
}
}
}
// check whether a new connection comes
if (FD_ISSET(sock_fd, &fdsr)) // accept new connection
{
new_fd = accept(sock_fd, (struct sockaddr *)&client_addr, &sin_size);
if (new_fd <= 0)
{
perror("accept");
continue;
}
// add to fd queue
if (conn_amount < BACKLOG)
{
fd_A[conn_amount++] = new_fd;
printf("new connection client[%d] %s:%d/n", conn_amount,
inet_ntoa(client_addr.sin_addr), ntohs(client_addr.sin_port));
if (new_fd > maxsock) // update the maxsock fd for select function
maxsock = new_fd;
}
else
{
printf("max connections arrive, exit/n");
send(new_fd, "bye", 4, 0);
close(new_fd);
break;
}
}
showclient();
}
// close other connections
for (i = 0; i < BACKLOG; i++)
{
if (fd_A[i] != 0)
{
close(fd_A[i]);
}
}
exit(0);
}4 select的缺点
1.每次调用select，都需要把fd集合从用户态拷贝到内核态，这个开销在fd很多时会很大
2.同时每次调用select都需要在内核遍历传递进来的所有fd，这个开销在fd很多时也很大
3.select支持的文件描述符数量太小了，默认是1024
select图解
三、epoll
在linux的网络编程中，很长的时间都在使用select来做事件触发。在linux新的内核中，有了一种替换它的机制，就是epoll。相比于select，epoll最大的好处在于它不会随着监听fd数目的增长而降低效率。如前面我们所说，在内核中的select实现中，它是采用轮询来处理的，轮询的fd数目越多，自然耗时越多。并且，在linux/posix_types.h头文件有这样的声明：
#define __FD_SETSIZE 1024
表示select最多同时监听1024个fd，当然，可以通过修改头文件再重编译内核来扩大这个数目，但这似乎并不治本。
创建一个epoll的句柄，size用来告诉内核这个监听的数目一共有多大。这个参数不同于select()中的第一个参数，给出最大监听的fd+1的值。需要注意的是，当创建好epoll句柄后，它就是会占用一个fd值，在linux下如果查看/proc/进程id/fd/，是能够看到这个fd的，所以在使用完epoll后，必须调用close()关闭，否则可能导致fd被耗尽。
epoll的接口非常简单，一共就三个函数：
- epoll_create：创建一个epoll句柄
- epoll_ctl：向 epoll 对象中添加/修改/删除要管理的连接
- epoll_wait：等待其管理的连接上的 IO 事件
epoll_create 函数
int epoll_create(int size);
- 功能：该函数生成一个 epoll 专用的文件描述符。
- 参数size: 用来告诉内核这个监听的数目一共有多大，参数 size 并不是限制了 epoll 所能监听的描述符最大个数，只是对内核初始分配内部数据结构的一个建议。自从 linux 2.6.8 之后，size 参数是被忽略的，也就是说可以填只有大于 0 的任意值。
- 返回值：如果成功，返回poll 专用的文件描述符，否者失败，返回-1。
epoll_ctl 函数
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
- 功能：epoll 的事件注册函数，它不同于 select() 是在监听事件时告诉内核要监听什么类型的事件，而是在这里先注册要监听的事件类型。
- 参数epfd: epoll 专用的文件描述符，epoll_create()的返回值
- 参数op: 表示动作，用三个宏来表示：
- EPOLL_CTL_ADD：注册新的 fd 到 epfd 中；
- EPOLL_CTL_MOD：修改已经注册的fd的监听事件；
- EPOLL_CTL_DEL：从 epfd 中删除一个 fd；
- 参数fd: 需要监听的文件描述符
- 参数event: 告诉内核要监听什么事件，struct epoll_event 结构如:
- events可以是以下几个宏的集合：
- EPOLLIN ：表示对应的文件描述符可以读（包括对端 SOCKET 正常关闭）；
- EPOLLOUT：表示对应的文件描述符可以写；
- EPOLLPRI：表示对应的文件描述符有紧急的数据可读（这里应该表示有带外数据到来）；
- EPOLLERR：表示对应的文件描述符发生错误；
- EPOLLHUP：表示对应的文件描述符被挂断；
- EPOLLET ：将 EPOLL 设为边缘触发(Edge Trigger)模式，这是相对于水平触发(Level Trigger)来说的。
- EPOLLONESHOT：只监听一次事件，当监听完这次事件之后，如果还需要继续监听这个 socket 的话，需要再次把这个 socket 加入到 EPOLL 队列里
- 返回值：0表示成功，-1表示失败。
epoll_wait函数
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);
- 功能：等待事件的产生，收集在 epoll 监控的事件中已经发送的事件，类似于 select() 调用。
- 参数epfd: epoll 专用的文件描述符，epoll_create()的返回值
- 参数events: 分配好的 epoll_event 结构体数组，epoll 将会把发生的事件赋值到events 数组中（events 不可以是空指针，内核只负责把数据复制到这个 events 数组中，不会去帮助我们在用户态中分配内存）。
- 参数maxevents: maxevents 告之内核这个 events 有多少个 。
- 参数timeout: 超时时间，单位为毫秒，为 -1 时，函数为阻塞。
- 返回值：
- 如果成功，表示返回需要处理的事件数目
- 如果返回0，表示已超时
- 如果返回-1，表示失败
epoll图解
使用用例
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
#include <cassert>
#include <sys/epoll.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <string.h>
#include<iostream>
const int MAX_EVENT_NUMBER = 10000; //最大事件数
// 设置句柄非阻塞
int setnonblocking(int fd)
{
int old_option = fcntl(fd, F_GETFL);
int new_option = old_option | O_NONBLOCK;
fcntl(fd, F_SETFL, new_option);
return old_option;
}
int main(){
// 创建套接字
int nRet=0;
int m_listenfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if(m_listenfd<0)
{
printf("fail to socket!");
return -1;
}
//
struct sockaddr_in address;
bzero(&address, sizeof(address));
address.sin_family = AF_INET;
address.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
address.sin_port = htons(6666);
int flag = 1;
// 设置ip可重用
setsockopt(m_listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &flag, sizeof(flag));
// 绑定端口号
int ret = bind(m_listenfd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address));
if(ret<0)
{
printf("fail to bind!,errno :%d",errno);
return ret;
}
// 监听连接fd
ret = listen(m_listenfd, 200);
if(ret<0)
{
printf("fail to listen!,errno :%d",errno);
return ret;
}
// 初始化红黑树和事件链表结构rdlist结构
epoll_event events[MAX_EVENT_NUMBER];
// 创建epoll实例
int m_epollfd = epoll_create(5);
if(m_epollfd==-1)
{
printf("fail to epoll create!");
return m_epollfd;
}
// 创建节点结构体将监听连接句柄
epoll_event event;
event.data.fd = m_listenfd;
//设置该句柄为边缘触发（数据没处理完后续不会再触发事件，水平触发是不管数据有没有触发都返回事件），
event.events = EPOLLIN | EPOLLET | EPOLLRDHUP;
// 添加监听连接句柄作为初始节点进入红黑树结构中，该节点后续处理连接的句柄
epoll_ctl(m_epollfd, EPOLL_CTL_ADD, m_listenfd, &event);
//进入服务器循环
while(1)
{
int number = epoll_wait(m_epollfd, events, MAX_EVENT_NUMBER, -1);
if (number < 0 && errno != EINTR)
{
printf( "epoll failure");
break;
}
for (int i = 0; i < number; i++)
{
int sockfd = events[i].data.fd;
// 属于处理新到的客户连接
if (sockfd == m_listenfd)
{
struct sockaddr_in client_address;
socklen_t client_addrlength = sizeof(client_address);
int connfd = accept(m_listenfd, (struct sockaddr *)&client_address, &client_addrlength);
if (connfd < 0)
{
printf("errno is:%d accept error", errno);
return false;
}
epoll_event event;
event.data.fd = connfd;
//设置该句柄为边缘触发（数据没处理完后续不会再触发事件，水平触发是不管数据有没有触发都返回事件），
event.events = EPOLLIN | EPOLLRDHUP;
// 添加监听连接句柄作为初始节点进入红黑树结构中，该节点后续处理连接的句柄
epoll_ctl(m_epollfd, EPOLL_CTL_ADD, connfd, &event);
setnonblocking(connfd);
}
else if (events[i].events & (EPOLLRDHUP | EPOLLHUP | EPOLLERR))
{
//服务器端关闭连接，
epoll_ctl(m_epollfd, EPOLL_CTL_DEL, sockfd, 0);
close(sockfd);
}
//处理客户连接上接收到的数据
else if (events[i].events & EPOLLIN)
{
char buf[1024]={0};
read(sockfd,buf,1024);
printf("from client :%s");
// 将事件设置为写事件返回数据给客户端
events[i].data.fd = sockfd;
events[i].events = EPOLLOUT | EPOLLET | EPOLLONESHOT | EPOLLRDHUP;
epoll_ctl(m_epollfd, EPOLL_CTL_MOD, sockfd, &events[i]);
}
else if (events[i].events & EPOLLOUT)
{
std::string response = "server response \n";
write(sockfd,response.c_str(),response.length());
// 将事件设置为读事件，继续监听客户端
events[i].data.fd = sockfd;
events[i].events = EPOLLIN | EPOLLRDHUP;
epoll_ctl(m_epollfd, EPOLL_CTL_MOD, sockfd, &events[i]);
}
//else if 可以加管道，unix套接字等等数据
}
}
}
