Linux I/O 多路复用机制详解

news2024/9/22 21:37:35

本文将详细解释文件描述符、文件描述符集合，以及 select() 和 poll() 的底层工作原理，以帮助理解 Linux 系统的 I/O 多路复用机制。

1 文件描述符（File Descriptor）

在 Unix 和 Linux 系统中，文件描述符（File Descriptor, FD） 是一个非负整数，用于表示已打开的文件、网络套接字、管道等 I/O 资源。每个进程都有一个文件描述符表，这个表记录了进程当前打开的所有文件。

当一个进程打开一个文件（或其他 I/O 资源），内核会为这个文件分配一个文件描述符，并将其返回给进程。这个文件描述符可以用来标识和访问该文件。例如：

int fd = open("example.txt", O_RDWR);

在这段代码中，open() 函数返回的 fd 就是文件描述符，它指向已打开的 example.txt 文件。之后，进程可以使用 fd 来读取或写入文件。

文件描述符集合 是一组文件描述符的集合，通常用于 I/O 多路复用函数 select() 中。它们用来表示一组文件描述符的状态（如可读、可写或有错误）。在 Linux 中，文件描述符集合通常由 fd_set 结构体表示。

fd_set 是一个位图，每个比特位对应一个文件描述符。如果集合中包含某个文件描述符，则该比特位被设置为 1，否则为 0。以下是常用的操作：

select() 是一种 I/O 多路复用技术，用于同时监视多个文件描述符的状态（如可读、可写或有错误），并在其中一个或多个文件描述符的状态发生变化时返回。select() 的函数签名如下：

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

初始化文件描述符集合：
- 使用 FD_ZERO 清空集合，然后用 FD_SET 将感兴趣的文件描述符加入集合。
调用 select()：
- 内核将挂起进程，并同时监控 readfds、writefds 和 exceptfds 中的文件描述符，直到其中一个或多个文件描述符的状态发生变化，或者超时。
内核检查文件描述符状态：
- 内核会遍历所有文件描述符，检查它们的状态。如果一个文件描述符变得可读、可写或发生异常，内核会设置相应集合中的比特位。
select() 返回并处理结果：
- select() 返回文件描述符集合的状态。应用程序可以使用 FD_ISSET 检查哪些文件描述符已经准备好进行 I/O 操作。

poll() 是另一种 I/O 多路复用技术，与 select() 类似，但它使用不同的方式来表示文件描述符集合。poll() 的函数签名如下：

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

pollfd 结构体包含了一个文件描述符及其感兴趣的事件和返回的状态：

struct pollfd {
    int fd;         /* 监视的文件描述符 */
    short events;   /* 感兴趣的事件 */
    short revents;  /* 返回的事件 */
};

初始化 pollfd 结构体数组：
- 填充 pollfd 结构体数组，指定每个文件描述符和感兴趣的事件。
调用 poll()：
- 内核将挂起进程，并监视 fds 数组中所有文件描述符的状态，直到某个文件描述符的状态发生变化，或者超时。
内核检查文件描述符状态：
- 内核逐个检查 fds 数组中的文件描述符，并更新 revents 字段，表示实际发生的事件。
poll() 返回并处理结果：
- poll() 返回后，应用程序检查 revents 字段，确定哪些文件描述符已经准备好进行 I/O 操作。

效率：
- select() 使用位图来表示文件描述符集合，这意味着它最多只能监视 FD_SETSIZE（通常是 1024）个文件描述符。同时，由于每次调用 select() 都需要重新设置位图集合，因此在处理大量文件描述符时效率较低。
- poll() 使用数组来表示文件描述符集合，理论上可以监视任意数量的文件描述符。而且 poll() 不需要每次重置整个数组，只需更新感兴趣的事件即可，因此效率更高。
灵活性：
- poll() 提供了对更多事件类型的支持（如 POLLPRI，表示高优先级数据），而 select() 只支持基本的可读、可写和异常事件。
扩展性：
- select() 的文件描述符数量受限于 FD_SETSIZE，而 poll() 没有这个限制，因此在需要处理大量文件描述符的场景，poll() 更具扩展性。