Linux IO模型（多路复用）

news2024/11/15 11:32:40

【1】Linux IO模型：IO多路复用

场景假设二

假设妈妈有三个孩子，分别不同的房间里睡觉，需要及时获知每个孩子是否醒了，如何做？

1.一直在一个房间呆着：看不到其他两个孩子

2.每个房间不停的看：可以但是超级无敌累

3.听孩子哭不哭：不可行，因为只有一个信号，分辨不出来哪个孩子哭

4.妈妈在客厅呆着睡觉，孩子醒了之后会自己出来告诉妈妈醒了：既可以休息，也可以及时的获取还是是否醒了

应用程序中同时处理多路输入输出流，若采用阻塞模式，得不到预期的目的；

● 若采用非阻塞模式，对多个输入进行轮询，但又太浪费CPU时间；

● 若设置多个进程/线程，分别处理一条数据通路，将新产生进程/线程间的同步与通信问题，使程序变得更加复杂；

● 比较好的方法是使用I/O多路复用技术。其（select）基本思想是：

○ 先构造一张有关描述符的表（最大1024），然后调用一个函数。

○ 当这些文件描述符中的一个或多个已准备好进行I/O时函数才返回。

○ 函数返回时告诉进程哪个描述符已就绪，可以进行I/O操作。

select

1.特点
  1. 一个进程最多可以监听1024个文件描述符
  2. select每次被唤醒之后，要重新轮询表，效率低
  3. select每次都会清空未发生响应的文件描述符，每次都要经过用户空间拷贝内核空间，效率低，开销大
2.编程步骤
  1. 构造一张关于文件描述符的表
  2. 清空表 FD_ZERO
  3. 将关心的文件描述符添加到表中 FD_SET
  4. 调用select函数，监听 select
  5. 判断到底是哪一个或者是哪些文件描述符发生了事件 FD_ISSET
  6. 做对应的逻辑处理

3.函数接口
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,
           fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
功能：
	实现IO的多路复用
参数：
	nfds：关注的最大的文件描述符+1
    readfds：关注的读表
	writefds：关注的写表 
	exceptfds：关注的异常表
	timeout：超时的设置
		NULL：一直阻塞，直到有文件描述符就绪或出错
		时间值为0：仅仅检测文件描述符集的状态，然后立即返回
		时间值不为0：在指定时间内，如果没有事件发生，则超时返回0，并清空设置的时间值

struct timeval {
    long tv_sec;		/* 秒 */
    long tv_usec;	/* 微秒 = 10^-6秒 */
};

返回值：
	成功：准备好的文件描述符的个数
	失败：-1 
	0：超时检测时间到并且没有文件描述符准备好	

注意：
	select返回后，关注列表中只存在准备好的文件描述符
操作表：
void FD_CLR(int fd, fd_set *set); //清除集合中的fd位
void FD_SET(int fd, fd_set *set);//将fd放入关注列表中
int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set);//判断fd是否在集合中  是--》1   不是---》0
void FD_ZERO(fd_set *set);//清空关注列表

练习：

练习一：输入鼠标的时候， 响应鼠标事件， 输入键盘的时候， 响应键盘事件 (两路IO)

#include <stdio.h>
#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>

int main(int argc, char const *argv[])
{
    char buf[128] = {0};
    int fd = open("/dev/input/mouse0", O_RDONLY);
    if (fd < 0)
    {
        perror("open err");
        return -1;
    }
    // 1.构造一张关于文件描述符的表
    fd_set rfds;
    while (1)
    {
        // 2.清空表 FD_ZERO
        FD_ZERO(&rfds);
        // 3.将关心的文件描述符添加到表中 FD_SET
        FD_SET(fd, &rfds); // 鼠标
        FD_SET(0, &rfds);  // 键盘

        // 4.调用select函数，监听 select
        int ret = select(fd + 1, &rfds, NULL, NULL, NULL);
        if (ret < 0)
        {
            perror("select err");
            return -1;
        }
        // 5.判断到底是哪一个或者是哪些文件描述符发生了事件 FD_ISSET
        if (FD_ISSET(0, &rfds))
        {
            // 6.做对应的逻辑处理
            fgets(buf, sizeof(buf), stdin);
            printf("keybroad:%s\n", buf);
        }
        if (FD_ISSET(fd, &rfds))
        {
            read(fd, buf, sizeof(buf));
            printf("mouse:%s\n", buf);
        }
        memset(buf, 0, sizeof(buf));
    }
    close(fd);

    return 0;
}

练习二：用select创建并发服务器，可以同时连接多个客户端 （0，sockfd）（12min）

循环服务器：一个客户端可以连接多个客户端，但是不能同时

并发服务器：一个服务器可以同时处理多个客户端的请求

#include <stdio.h>
#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdlib.h>

int main(int argc, char const *argv[])
{
    char buf[128] = {0};
    int acceptfd, ret;
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sockfd < 0)
    {
        perror("socket err");
        return -1;
    }
    printf("sockfd:%d\n", sockfd); // 3
    // 2.指定网络信息---------------------------》有号码
    struct sockaddr_in saddr, caddr;
    saddr.sin_family = AF_INET;            // IPV4
    saddr.sin_port = htons(atoi(argv[1])); // 端口号
    // saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.50.13"); // 虚拟机IP
    // saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("0.0.0.0");
    saddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    int len = sizeof(caddr);
    // 3.绑定套接字（bind）------------------》绑定手机（插卡）
    if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&saddr, sizeof(saddr)) < 0)
    {
        perror("bind err");
        return -1;
    }
    printf("bind ok\n");
    // 4.监听套接字（listen）-----------------》待机
    if (listen(sockfd, 6) < 0)
    {
        perror("listen err");
        return -1;
    }
    printf("listen ok\n");
    // 1.构造一张关于文件描述符的表
    fd_set rfds, tempfds;
    int maxfd; // 保存最大的文件描述符
    // 2.清空表 FD_ZERO
    FD_ZERO(&rfds);
    FD_ZERO(&tempfds);
    // 3.将关心的文件描述符添加到表中 FD_SET
    FD_SET(sockfd, &rfds); // sockfd
    FD_SET(0, &rfds);      // 键盘
    while (1)
    {
        maxfd = sockfd;
        //将原来的表,复制给新表(备份表)
        tempfds = rfds;
        // 4.调用select函数，监听 select
        ret = select(maxfd + 1, &tempfds, NULL, NULL, NULL);
        if (ret < 0)
        {
            perror("select err");
            return -1;
        }
        // 5.判断到底是哪一个或者是哪些文件描述符发生了事件 FD_ISSET
        if (FD_ISSET(0, &tempfds))
        {
            // 6.做对应的逻辑处理
            fgets(buf, sizeof(buf), stdin);
            printf("keybroad:%s\n", buf);
        }
        if (FD_ISSET(sockfd, &tempfds))
        {
            acceptfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&caddr, &len);
            if (acceptfd < 0)
            {
                perror("accept err");
                return -1;
            }
            printf("port:%d ip:%s\n", ntohs(caddr.sin_port), inet_ntoa(caddr.sin_addr));
            printf("acceptfd:%d\n", acceptfd);
        }
        memset(buf, 0, sizeof(buf));
    }
    close(sockfd);

    return 0;
}

练习三：用select创建并发服务器，可以与多个客户端进行通信（监听键盘、socket、多个acceptfd）

#include <stdio.h>
#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdlib.h>

int main(int argc, char const *argv[])
{
    char buf[128] = {0};
    int acceptfd, ret;
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sockfd < 0)
    {
        perror("socket err");
        return -1;
    }
    printf("sockfd:%d\n", sockfd); // 3
    // 2.指定网络信息---------------------------》有号码
    struct sockaddr_in saddr, caddr;
    saddr.sin_family = AF_INET;            // IPV4
    saddr.sin_port = htons(atoi(argv[1])); // 端口号
    // saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.50.13"); // 虚拟机IP
    // saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("0.0.0.0");
    saddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    int len = sizeof(caddr);
    // 3.绑定套接字（bind）------------------》绑定手机（插卡）
    if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&saddr, sizeof(saddr)) < 0)
    {
        perror("bind err");
        return -1;
    }
    printf("bind ok\n");
    // 4.监听套接字（listen）-----------------》待机
    if (listen(sockfd, 6) < 0)
    {
        perror("listen err");
        return -1;
    }
    printf("listen ok\n");
    // 1.构造一张关于文件描述符的表
    fd_set rfds, tempfds;
    int maxfd; // 保存最大的文件描述符
    // 2.清空表 FD_ZERO
    FD_ZERO(&rfds);
    FD_ZERO(&tempfds);
    // 3.将关心的文件描述符添加到表中 FD_SET
    FD_SET(sockfd, &rfds); // sockfd
    FD_SET(0, &rfds);      // 键盘
    maxfd = sockfd;
    while (1)
    {
        // 将原来的表,复制给新表(备份表)
        tempfds = rfds;
        // 4.调用select函数，监听 select
        ret = select(maxfd + 1, &tempfds, NULL, NULL, NULL);
        if (ret < 0)
        {
            perror("select err");
            return -1;
        }
        // 5.判断到底是哪一个或者是哪些文件描述符发生了事件 FD_ISSET
        if (FD_ISSET(0, &tempfds))
        {
            // 6.做对应的逻辑处理
            fgets(buf, sizeof(buf), stdin);
            printf("keybroad:%s\n", buf);
        }
        if (FD_ISSET(sockfd, &tempfds))
        {
            acceptfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&caddr, &len);
            if (acceptfd < 0)
            {
                perror("accept err");
                return -1;
            }
            printf("port:%d ip:%s\n", ntohs(caddr.sin_port), inet_ntoa(caddr.sin_addr));
            printf("acceptfd:%d\n", acceptfd);
            // 将用于通信的文件描述符放到表中
            FD_SET(acceptfd, &rfds);
            if (acceptfd > maxfd)
                maxfd = acceptfd;
            // 4 5 6 7 8 9
        }
        for (int i = sockfd + 1; i <= maxfd; i++)
        {
            if (FD_ISSET(i, &tempfds))
            {
                ret = recv(i, buf, sizeof(buf), 0);
                if (ret < 0)
                {
                    perror("recv err");
                    break;
                }
                else if (ret == 0)
                {
                    printf("client exit\n");
                    close(i);         // 关闭对应的用于通信的文件描述符
                    FD_CLR(i, &rfds); // 将文件描述符从原表中删除
                    //4 5 6    
                    while (!FD_ISSET(maxfd, &rfds))
                        maxfd--;
                }
                else
                {
                    printf("buf:%s\n", buf);
                }
            }
        }
        memset(buf, 0, sizeof(buf));
    }
    close(sockfd);

    return 0;
}

超时检测

1.概念

什么是网络超时检测呢，比如某些设备的规定，发送请求数据后，如果多长时间后没有收到来自设备的回复，那么需要做出一些特殊的处理

比如: 链接wifi的时候，等了好长时间也没有连接上，此时系统会发送一个消息： 网络连接失败；

2.必要性

1. 避免进程在没有数据时无限制的阻塞;

2.规定时间未完成语句应有的功能,则会执行相关功能;

poll

1.特点
  1. 优化了文件描述符的限制
  2. poll每次唤醒之后，需要重新轮询，效率低，耗费CPU
  3. poll不需要构造文件描述符的表，采用结构体数组，每次调用也要经过用户空间到内核空间的拷贝

2.编程步骤
  1. 创建结构体数组
  2. 将关心的文件描述符添加到数组中，并赋予事件
  3. 保存数组内最后一个有效元素的下标
  4. 调用poll函数，监听
  5. 判断结构体内文件描述符实际触发的事件
  6. 根据不同文件描述符触发的不同事件做对应的逻辑处理

3.函数接口
int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
功能: 监视并等待多个文件描述符的属性变化
参数：
	  1.struct pollfd *fds:   关心的文件描述符数组,大小自己定义
   若想检测的文件描述符较多,则建 立结构体数组struct pollfd fds[N]; 
           struct pollfd{
	                  int fd;	 //文件描述符
	             short events;//等待的事件触发条件----POLLIN读时间触发
	             short revents;	//实际发生的事件(未产生事件: 0 ))
                            }
	    2.   nfds:    最大文件描述符个数
	    3.  timeout： 超时检测 (毫秒级)：1000 == 1s      
                    如果-1，阻塞          如果0,不阻塞
返回值：  <0 出错		>0 表示有事件产生;
              如果设置了超时检测时间：&tv	   ==0 表示超时时间已到;

练习：

输入键盘事件，响应键盘事件，输入鼠标事件，响应鼠标事件（两路IO）

#include <stdio.h>
#include <poll.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>

int main(int argc, char const *argv[])
{
    int ret;
    char buf[128] = {0};
    int fd = open("/dev/input/mouse0", O_RDONLY);
    if (fd < 0)
    {
        perror("open err");
        return -1;
    }
    // 1.创建结构体数组
    struct pollfd fds[2];
    // 2.将关心的文件描述符添加到数组中，并赋予事件
    fds[0].fd = 0;          // 键盘
    fds[0].events = POLLIN; // 想要发生的事件
    // fds[0].revents=;//实际发生的事件

    fds[1].fd = fd;
    fds[1].events = POLLIN;
    // 3.保存数组内最后一个有效元素的下标
    int last = 1;
    // 4.调用poll函数，监听
    while (1)
    {

        ret = poll(fds, last + 1, 2000);
        if (ret < 0)
        {
            perror("poll err");
            return -1;
        }
        else if (ret == 0)
        {
            printf("time out\n");
        }
        // 5.判断结构体内文件描述符实际触发的事件
        if (fds[0].revents == POLLIN)
        {
            // 6.根据不同文件描述符触发的不同事件做对应的逻辑处理
            fgets(buf, sizeof(buf), stdin);
            printf("keybroad:%s\n", buf);
        }
        if (fds[1].revents == POLLIN)
        {
            read(fd, buf, sizeof(buf));
            printf("mouse:%s\n", buf);
        }
        memset(buf, 0, sizeof(buf));
    }

    close(fd);

    return 0;
}

练习：使用poll实现client的收发功能（下期更新答案）

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参考文献 代码随想录 一、长度最小的子数组 给定一个含有 n 个正整数的数组和一个正整数 target 。 找出该数组中满足其总和大于等于 target 的长度最小的 子数组 [numsl, numsl1, ..., numsr-1, numsr] &#xff0c;并返回其长度。如果不存在符合条件的子数组&#xff0c…
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单细胞拟时序/轨迹分析原理及monocle2流程学习和整理

单细胞拟时序/轨迹分析原理及monocle2流程学习和整理

在生命演进的过程中机体会随着时间的变化而产生不同的变化。从婴幼儿长大为成年人再到老年人的过程中&#xff0c;我们的身体机能经历了从"弱-强-弱"的变化过程(宽泛的说)&#xff0c;以年为单位来看&#xff0c;有可能我们在10多岁的时候一年内一下子长高了几十厘米…
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ArcGIS中怎么合并多个点图层并删除重复点？

ArcGIS中怎么合并多个点图层并删除重复点？

最近&#xff0c;我接到了一个怎么合并多个点图层并删除其中的重复点的咨询。 下面是我对这个问题的解决思路&#xff1a; 1、合并图层 在地理处理工具里面 选择合并 并设置好要合并的图层即可 2、接下来在 数据管理工具→常规→删除相同项 即可 希望这些建议能对大家有所帮…
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blender云渲染来了，blender云渲染教程！

blender云渲染来了，blender云渲染教程！

朋友们&#xff0c;成都渲染101农场blender云渲染上线了&#xff0c;继3DMAX/C4D/maya/UE5云渲染上线后&#xff0c;又上线了blender云渲染&#xff0c;今天&#xff0c;成都渲染101渲染农场用四步教会您blender云渲染&#xff01; 第一步&#xff0c;云渲码6666注册个渲染101…
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关于elasticsearch的terms查询超过最大terms数

关于elasticsearch的terms查询超过最大terms数

当我使用es的terms查询时&#xff0c;报错了这段内容。 failed to create query: The number of terms [80306] used in the Terms Query request has exceeded the allowed maximum of [65536]. This maximum can be set by changing the [index.max_terms_count] index leve…
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Web日志分析工具GoAccess

Web日志分析工具GoAccess

目录 1. 介绍 2. 功能 3. 支持的格式 4. 安装 从发布版本构建 从GitHub构建&#xff08;开发&#xff09; 命令行安装 5. 使用 5.1 监视Apache日志 5.2 通过web仪表板查看日志 浏览器访问 5.3 汉化设置 测试访问 1. 介绍 GoAccess是一个开源的实时网络日志分析器和…
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VS Code 文件定位功能

VS Code 文件定位功能

1、取消“当前打开文件”的自动定位功能。 设置 ->搜索 Explorer: Auto Reveal -> 将配置改为 false 2.在vs2017中定位文件 Tools->Option->Projects And Solutions->General, tick “track Active Item in Solution Explorer” 工具-> 选项->项目和…
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网络基础入门指南（一）

网络基础入门指南（一）

前言 在这个高度互联的世界里&#xff0c;互联网已成为日常生活不可或缺的一部分。然而&#xff0c;对于许多人来说&#xff0c;网络是如何工作的仍然是个谜。本文旨在为那些对网络基础知识感兴趣的朋友提供一个简单的介绍&#xff0c;帮助大家更好地理解互联网的基本原理和技…
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输出CAD图中第一个图元类型——c#实现

输出CAD图中第一个图元类型——c#实现

复制改图元到一个新dwg中&#xff0c;启动代码可实现 如下图设置&#xff1a; using Autodesk.AutoCAD.ApplicationServices; using Autodesk.AutoCAD.DatabaseServices; using Autodesk.AutoCAD.Runtime; using System; using System.Collections.Generic; using System.Linq…
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wordpress做后台的资讯类小程序源码

wordpress做后台的资讯类小程序源码

WordPress博客系统资讯资源变现下载小程序源码。这个就比较牛逼了&#xff0c;直接用wordpress做后台 因为由于微信的新规从2022-11月9号后新上线的小程序将不能获取用户头像和名字了 所以微信放需要适配全新的,支持让用户自定义头像和昵称了 不然统一返回默认头像和显示(微…
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转义字符笔记

转义字符笔记

\ &#xff08;在行尾时&#xff09;续行符 \ 反斜杠符号 &#xff0c;用 \ 在字符串里表示反斜杠 ’ 单引号&#xff0c;用 ’ 在字符串里表示单引号 " 双引号&#xff0c;用 " 在字符串里表示双引号 \t 制表符&#xff0c;作用是列对齐&#xff0c;一个Tab键的…
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力扣hot100速览（2）

力扣hot100速览（2）

全排列&#xff1a; 原理&#xff1a; 经典回溯。回溯的原理&#xff1a;用一个数组来记录路径&#xff0c;每次递归&#xff0c;都访问没访问到的元素&#xff08;怎么访问&#xff1a;当然是遍历&#xff09;&#xff0c;访问完弹出上一步。 解&#xff1a; 同原理&#…
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