I/O模型
Unix下可用的I/O模型有五种：
- 阻塞式I/O
- 非阻塞式I/O
- I/O复用（select和poll、epoll）
- 信号驱动式I/O（SIGIO）
- 异步I/O（POSIX的aio_系列函数）
详见Unix网络编程卷一第六章
select()和poll()在Unix系统中存在时间长，主要优势在于可移植性，主要缺点在于当同时检查大量的文件描述符时性能拓展性不佳。
epoll API的关键优势在于能让应用高效地检查大量的文件描述符，主要缺点是专属于Linux系统的API。
I/O复用-select
select()首次出现在BSD系统的套接字API中。
select()系统调用的用途：在一段指定的时间内，监听用户感兴趣的文件描述符上的可读、可写和异常事件。
系统调用select()会一直阻塞，直到一个或多个文件描述符集合成为就绪态。
#include#include//若有就绪描述符则返回其数目，若超时则返回0，若出错则返回-1 int select(int maxfdp1, fd_set *readset, fd_set *writeset, fd_set *exceptset, const struct timeval *timeout);
探究下fd_set的结构
/*typesizes.h*/
#define __FD_SETSIZE 1024
/*select.h*/
typedef long int __fd_mask;
//long int类型共有多少bits
#define __NFDBITS (8 * (int) sizeof (__fd_mask))
typedef struct
{
//long int型数组，数组大小 = 描述符最大数 / long int的位数
//数组大小为 __FD_SETSIZE bits
__fd_mask fds_bits[__FD_SETSIZE / __NFDBITS];
} fd_set;select()程序示例：
#include#include#include#include#include#include#include#include#include#include#include#includestatic void usageError(const char* progName){
fprintf(stderr, "Usage: %s {timeout | -} fd-num[rw]...\n", progName);
fprintf(stderr, " - means infinite timeout; \n");
fprintf(stderr, " r = monitor for read\n");
fprintf(stderr, " w = monitor for wirite\n\n");
fprintf(stderr, " e.g.: %s - 0rw 1w\n", progName);
exit(1);
}
void cmdLineErr(const char *format, ...)
{
va_list argList;
fflush(stdout); /* Flush any pending stdout */
fprintf(stderr, "Command-line usage error: ");
va_start(argList, format);
vfprintf(stderr, format, argList);
va_end(argList);
fflush(stderr); /* In case stderr is not line-buffered */
exit(EXIT_FAILURE);
}
int main(int argc, char* argv[]){
fd_set readfds, writefds;
int ready, nfds, fd, numRead, j;
struct timeval timeout;
struct timeval *pto;
char buf[10];
if(argc < 2 || strcmp(argv[1], "--help") == 0){
usageError(argv[0]);
}
if(strcmp(argv[1], "-") == 0){
pto = NULL;
}
else{
pto = &timeout;
timeout.tv_sec = strtol(argv[1], NULL, 0);
timeout.tv_usec = 0;
}
nfds = 0;
FD_ZERO(&readfds);
FD_ZERO(&writefds);
for(j = 2; j < argc; j++){
numRead = sscanf(argv[j], "%d%2[rw]", &fd, buf);
if(numRead != 2){
usageError(argv[0]);
}
if(fd >= FD_SETSIZE){
cmdLineErr("file descriptor exceeds limit (%d)\n", FD_SETSIZE);
}
if(fd >= nfds){
nfds = fd + 1;
}
if(strchr(buf, 'r') != NULL){
FD_SET(fd, &readfds);
}
if(strchr(buf, 'w') != NULL){
FD_SET(fd, &writefds);
}
}
ready = select(nfds, &readfds, &writefds, NULL, pto);
if(ready == -1){
printf("errExit(select)");
exit(1);
}
printf("ready = %d\n", ready);
for(fd = 0; fd < nfds; fd++){
printf("%d: %s%s\n",fd, FD_ISSET(fd, &readfds) ? "r" : "",
FD_ISSET(fd, &writefds) ? "w" : "");
}
if(pto != NULL){
printf("timeout after select(): %ld.%03ld\n",
(long) timeout.tv_sec, (long) timeout.tv_usec / 1000);
}
exit(0);
}select处理正常数据和带外数据：
#include#include#include#include#include#include#include#include#include#include#includeint main(int argc, char* argv[]){
if(argc = 0);
ret = bind(listenfd, (struct sockaddr*)&address, sizeof(address));
assert(ret != -1);
ret = listen(listenfd, 5);
assert(ret != -1);
struct sockaddr_in client_address;
socklen_t client_addrlength = sizeof(client_address);
int connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)&client_address, &client_addrlength);
if(connfd < 0){
printf("error is: %d\n", errno);
close(listenfd);
}
char buf[1024];
fd_set read_fds;
fd_set exception_fds;
FD_ZERO(&read_fds);
FD_ZERO(&exception_fds);
while(true){
memset(buf, '\0', sizeof(buf));
FD_SET(connfd, &read_fds);
FD_SET(connfd, &exception_fds);
ret = select(connfd + 1, &read_fds, NULL, &exception_fds, NULL);
if(ret < 0){
printf("selection failure\n");
break;
}
if(FD_ISSET(connfd, &read_fds)){
ret = recv(connfd, buf, sizeof(buf)-1, 0);
if(ret <= 0){
break;
}
printf("get %d bytes of normal data: %s\n", ret, buf);
}
else if(FD_ISSET(connfd, &exception_fds)){
ret = recv(connfd, buf, sizeof(buf)-1, MSG_OOB);
if(ret <= 0){
break;
}
printf("get %d bytes of oob data: %s\n", ret, buf);
}
}
close(connfd);
close(listenfd);
return 0;
}I/O复用-poll
poll函数起源于SVR3，最初局限于流设备，SVR4取消了这种限制，允许poll工作在任何描述符上。
poll提供的功能与select类似，不过在处理流设备时，它能够提供额外的信息。
#includestruct pollfd{
int fd;
short events; //指定要测试的条件
short revents;//返回描述符的状态
}
//若有就绪描述符返回其数目，超时返回0，出错返回-1
int poll(struct pollfd *fdarray, unsigned long nfds, int timeout);select()同poll()返回正整数的区别：如果一个文件描述符在返回的集合中出现了不止一次，系统调用select()会将同一个文件描述符计数多次。而系统调用poll()返回的是就绪态文件描述符个数，且一个文件描述符只会统计一次，就算在相应的revents字段中设定了多个位掩码也是如此。
poll示例程序：
#include#include#include#include#include#include#include#include#include#include#include#include#include#includestatic void usageError(const char* progName){
fprintf(stderr, "Usage: %s {timeout | -} fd-num[rw]...\n", progName);
fprintf(stderr, " - means infinite timeout; \n");
fprintf(stderr, " r = monitor for read\n");
fprintf(stderr, " w = monitor for wirite\n\n");
fprintf(stderr, " e.g.: %s - 0rw 1w\n", progName);
exit(1);
}
int main(int argc, char* argv[]){
int numPipes, j, ready, randPipe, numWrites;
int (*pfds)[2];//指向数组的指针
struct pollfd *pollFd;
if(argc < 2 || strcmp(argv[1], "--help") == 0){
printf("%s num-pipes [num-writes]\n", argv[0]);
exit(1);
}
numPipes = strtol(argv[1], NULL, 10);
pfds = (int (*)[2])calloc(numPipes, sizeof(int [2]));
if(pfds == NULL){
printf("error malloc");
exit(1);
}
pollFd = (pollfd*)calloc(numPipes, sizeof(struct pollfd));
if(pollFd == NULL){
printf("error malloc");
exit(1);
}
for(j = 0; j < numPipes; j++){
if(pipe(pfds[j]) == -1){
printf("error pipe %d", j);
exit(1);
}
}
numWrites = (argc > 2) ? strtol(argv[2], NULL, 10) : 1;
srandom((int)time(NULL));
for(j = 0; j < numWrites; j++){
randPipe = random() % numPipes;
printf("Writing to fd: %3d (read fd: %3d)\n",
pfds[randPipe][1], pfds[randPipe][0]);
if (write(pfds[randPipe][1], "a", 1) == -1){
printf("write %d", pfds[randPipe][1]);
exit(1);
}
}
for(j = 0; j < numPipes; j++){
pollFd[j].fd = pfds[j][0];
pollFd[j].events = POLLIN;
}
ready = poll(pollFd, numPipes, -1);
if(ready == -1){
printf("poll error");
exit(1);
}
printf("poll() returned: %d\n", ready);
for(j = 0; j < numPipes; j++){
if(pollFd[j].revents & POLLIN){
printf("Readable: %d %3d\n", j, pollFd[j].fd);
}
}
return 0;
}I/O复用-epoll
epoll API由三组系统调用组成;
- epoll_create()创建一个epoll实例
- epoll_ctl()操作同epoll实例相关联的兴趣列表
- epoll_wait()返回与epoll相关联的就绪列表中的成员
epoll实例：epoll API的核心数据结构，和一个打开的文件描述符相关联。这个文件描述符不用来做IO操作，相反它是内核数据结构的句柄，这些内核数据结构实现了两个目的：
- 记录兴趣列表
- 维护就绪列表
epoll_create
#includeint epoll_create(int size);
参数size指定我们想要通过epoll实例来检查的描述符个数，不是上限，只是告知内核应该如何为内部数据结构划分初始大小。
函数返回epoll实例的文件描述符，该文件描述符不需要时需要close()。
当所有与epoll实例相关的文件描述符都被关闭时，实例被销毁，相关资源释放。（多个文件描述符可能引用到相同的epoll实例，这是由于调用了fork()或dup()这样的类似函数所致）。
linux2.6.8版以来，size参数被忽略不用。
linux2.6.27以来，Linux支持一个新的系统调用epoll_create1()：
- 去掉了无用的参数size
- 增加了一个可用来修改系统调用行为的flags参数
- flag目前只支持一个标志：EPOLL_CLOEXEC，使内核在新的文件描述符上启动了执行即关闭（close-on-exec）标志（FD_CLOEXEC)
epoll_ctl
#includeint epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll *ev);
成功返回0，失败返回-1并设置errno。
参数fd：指明修改兴趣列表中哪一个文件描述符的设定
参数op：指定需要执行的操作
- EPOLL_CTL_ADD：添加
- EPOLL_CTL_MOD：修改
- EPOLL_CTL_DEL：删除
参数ev：
struct epoll_event{
uint32_t events;//epoll事件，位掩码
epoll_data_t data; //用户数据
}typedef union epoll_data{
void *ptr;
int fd;
uint32_t u32;
uint64_t u64;
}epoll_data_t;- 结构体epoll_event在的events字段是一个位掩码，指定待检查的描述符fd上感兴趣的事件集合
- data字段是一个联合体，当描述符fd成为就绪态时，联合体的成员可用来指定传回给调用进程的信息
- 联合体成员不能一起使用，常用fd
- 想要将文件描述符和用户数据关联起来，以实现快速的数据访问，只能使用其它手段，比如放弃使用fd，而在ptr指向的用户数据中包含fd
max_user_watches上限
每个注册到epoll实例上的文件描述符需要占用一小段不能被交换的内核内存空间，因此内核提供了一个接口用来定义每个用户可以注册到epoll实例上的文件描述符总数。
这个上限值可以通过max_user_watches来查看和修改，max_user_watches是专属于Linux系统的/proc/sys/fd/epoll目录下的一个文件。默认上限值根据可用系统内存计算得出。
epoll_wait
#includeint epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *evlist, int maxevents, int timeout);
成功返回就绪态的文件描述符的个数，失败返回-1并设置errno
参数evlist指向的结构体数组中返回的是有关就绪态文件描述符的信息。数组evlist的空间由调用者负责申请，所包含的元素个数在参数maxevents中指定。
在数组evlist中每个元素返回的都是单个就绪态文件描述符的信息：
- events字段返回在该描述符上已经发生的事件掩码
- data字段返回的是适用epoll_ctl()注册监听事件时在ev.data中所指定的值。data字段是唯一可获知同这个事件相关的文件描述符号的途径，因此，在调用epoll_ctl()时要么将ev.data.fd设为文件描述符号，要么将ev.data.ptr设为指向包含文件描述符号的结构体
参数timeout用来确定epoll_wait()的阻塞行为：
- timeout为-1，调用将一直阻塞，直到兴趣列表中的文件描述符上有事件发生，或者直到捕获到一个信号为止
- timeout为0，执行一次非阻塞式的检查
- timeout大于0，调用将阻塞至多timeout毫秒，直到文件描述符上有事件发生，或者直到捕获到一个信号为止
在多线程程序中，可以在一个线程中使用epoll_ctl()将文件描述符添加到另一个线程中由epoll_wait()所监视的epoll实例的兴趣列表中去。这些对兴趣列表的修改将立刻得到处理，而epoll_wait()调用将返回有关新添加的文件描述符的就绪信息。
epoll事件：除了有一个额外的前缀E外，大多数位掩码的名称同poll中对应的事件掩码名称相同。例外情况：
- EPOLLET：epoll支持边缘触发
- EPOLLONESHOT：只触发一次，触发完标记为非激活状态，需要使用EPOLL_CTL_MOD操作重新激活对这个文件描述符的检查
程序示例
epoll程序示例：
#include#include#include#include#include#include#include#define MAX_BUF 1000
#define MAX_EVENTS 5
int main(int argc, char* argv[]){
int epfd, ready, fd, s, j, numOpenFds;
struct epoll_event ev;
struct epoll_event evlist[MAX_EVENTS];
char buf[MAX_BUF];
if(argc < 2 || strcmp(argv[1], "--help")==0){
printf("usage: %s file...\n", argv[0]);
exit(1);
}
epfd = epoll_create(argc - 1);
if(epfd == -1){
printf("error epoll_create");
exit(1);
}
for(j = 1; j < argc; j++){
fd = open(argv[j], O_RDONLY);
if(fd == -1){
printf("error open");
exit(1);
}
printf("Opened \"%s\" on fd %d\n", argv[j], fd);
ev.events = EPOLLIN;
ev.data.fd = fd;
if(epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &ev) == -1){
printf("error epoll_ctl");
exit(1);
}
}
numOpenFds = argc - 1;
while(numOpenFds > 0){
printf("About to epoll_wait()\n");
ready = epoll_wait(epfd, evlist, MAX_EVENTS, -1);
if(ready == -1){
if(errno == EINTR)continue;
else{
printf("error epoll_wait");
exit(1);
}
}
printf("Ready: %d\n", ready);
for(j = 0; j < ready; j++){
printf(" fd = %d; events: %s%s%s\n", evlist[j].data.fd,
(evlist[j].events & EPOLLIN) ? "EPOLLIN ":"",
(evlist[j].events & EPOLLHUP) ? "EPOLLHUP":"",
(evlist[j].events & EPOLLERR) ? "EPOLLERR":"");
if(evlist[j].events & EPOLLIN){
s = read(evlist[j].data.fd, buf, MAX_BUF);
if(s == -1){
printf("error read");
}
printf(" read %d bytes : %.*s",s,s,buf);
}
else if(evlist[j].events & (EPOLLHUP | EPOLLERR)){
printf(" closing fd %d\n", evlist[j].data.fd);
if(close(evlist[j].data.fd) == -1){
printf("error close");
exit(1);
}
numOpenFds--;
}
}
}
printf("All file descriptors closed; bye\n");
exit(0);
}ET模式比LT模式触发事件的次数更少：
#include#include#include#include#include#include#include#include#include#include#include#include#include#define MAX_EVENT_NUMBER 1024
#define BUFFER_SIZE 10
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;
}
void addfd(int epollfd, int fd, bool enable_et){
epoll_event event;
event.data.fd = fd;
event.events = EPOLLIN;
if(enable_et){
event.events |= EPOLLET;
}
epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &event);
setnonblocking(fd);
}
void lt(epoll_event *events, int number, int epollfd, int listenfd){
char buf[BUFFER_SIZE];
for(int i = 0; i < number; i++){
int sockfd = events[i].data.fd;
if(sockfd == listenfd){
struct sockaddr_in client_address;
socklen_t client_addrlength = sizeof(client_address);
int connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)&client_address, &client_addrlength);
addfd(epollfd, connfd, false);
}
else if(events[i].events & EPOLLIN){
printf("event trigger once\n");
memset(buf, '\0', BUFFER_SIZE);
int ret = recv(sockfd, buf, BUFFER_SIZE-1,0);
if(ret <= 0){
close(sockfd);
continue;
}
printf("get %d bytes of content: %s\n", ret, buf);
}
else{
printf("something else happened \n");
}
}
}
void et(epoll_event* events, int number, int epollfd, int listenfd){
char buf[BUFFER_SIZE];
for(int i = 0; i < number; i++){
int sockfd = events[i].data.fd;
if(sockfd == listenfd){
struct sockaddr_in client_address;
socklen_t client_addrlength = sizeof(client_address);
int connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)&client_address, &client_addrlength);
addfd(epollfd, connfd, true);
}
else if(events[i].events & EPOLLIN){
printf("event trigger once\n");
while(true){
memset(buf, '\0',BUFFER_SIZE);
int ret = recv(sockfd, buf, BUFFER_SIZE-1, 0);
if(ret < 0){
if((errno == EAGAIN) || (errno == EWOULDBLOCK)){
printf("read later\n");
break;
}
close(sockfd);
break;
}
else if(ret == 0){
close(sockfd);
}
else{
printf("get %d bytes of content: %s\n",ret, buf);
}
}
}
else{
printf("something else happend \n");
}
}
}
int main(int argc, char* argv[]){
if(argc = 0);
ret = bind(listenfd, (struct sockaddr*)&address, sizeof(address));
assert(ret != -1);
ret = listen(listenfd, 5);
assert(ret != -1);
epoll_event events[MAX_EVENT_NUMBER];
int epollfd = epoll_create(5);
assert(epollfd != -1);
addfd(epollfd, listenfd, true);
while(true){
int ret = epoll_wait(epollfd, events, MAX_EVENT_NUMBER, -1);
if(ret < 0){
printf("epoll failure\n");
break;
}
lt(events, ret, epollfd, listenfd);
//et(events, ret, epollfd, listenfd);
}
close(listenfd);
return 0;
}EPOLLONESHOT程序示例
#include#include#include#include#include#include#include#include#include#include#include#include#include#define MAX_EVENT_NUMBER 1024
#define BUFFER_SIZE 1024
struct fds{
int epollfd;
int sockfd;
};
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;
}
void addfd(int epollfd, int fd, bool oneshot){
epoll_event event;
event.data.fd = fd;
event.events = EPOLLIN | EPOLLET;
if(oneshot){
event.events |= EPOLLONESHOT;
}
epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &event);
setnonblocking(fd);
}
void reset_oneshot(int epollfd, int fd){
epoll_event event;
event.data.fd = fd;
event.events = EPOLLIN | EPOLLET | EPOLLONESHOT;
epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_MOD, fd, &event);
}
void *worker(void *arg){
int sockfd = ((fds*)arg)->sockfd;
int epollfd = ((fds*)arg)->epollfd;
printf("start new thread to receive data on fd: %d\n", sockfd);
char buf[BUFFER_SIZE];
memset(buf, '\0', BUFFER_SIZE);
while(1){
int ret = recv(sockfd, buf, BUFFER_SIZE-1, 0);
if(ret == 0){
close(sockfd);
printf("foreiner closed the connection\n");
break;
}
else if(ret < 0){
if(errno == EAGAIN){
reset_oneshot(epollfd, sockfd);
printf("read later\n");
break;
}
}
else{
printf("get content: %s\n", buf);
sleep(5);
}
}
printf("end thread receving data on fd : %d\n", sockfd);
}
int main(int argc, char* argv[]){
if(argc < 2){
printf("usage: %s ip_address port_number\n", basename(argv[0]));
return 1;
}
const char* ip = argv[1];
int port = atoi(argv[2]);
int ret = 0;
struct sockaddr_in address;
bzero(&address, sizeof(address));
address.sin_family = AF_INET;
inet_pton(AF_INET, ip, &address.sin_addr);
address.sin_port = htons(port);
int listenfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
assert(listenfd >= 0);
ret = bind(listenfd, (struct sockaddr*)&address, sizeof(address));
assert(ret != -1);
ret = listen(listenfd, 5);
assert(ret != -1);
epoll_event events[MAX_EVENT_NUMBER];
int epollfd = epoll_create(5);
assert(epollfd != -1);
addfd(epollfd, listenfd, false);
while(1){
int ret = epoll_wait(epollfd, events, MAX_EVENT_NUMBER, -1);
if(ret < 0){
printf("epoll failure\n");
break;
}
for(int i = 0; i < ret; i++){
int sockfd = events[i].data.fd;
if(sockfd == listenfd){
struct sockaddr_in client_address;
socklen_t client_addrlength = sizeof(client_address);
int connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)&client_address, &client_addrlength);
addfd(epollfd, connfd, true);
}
else if(events[i].events & EPOLLIN){
pthread_t thread;
fds fds_for_new_worker;
fds_for_new_worker.epollfd = epollfd;
fds_for_new_worker.sockfd = sockfd;
pthread_create(&thread, NULL, worker, (void*)&fds_for_new_worker);
}
else{
printf("something else happened \n");
}
}
}
close(listenfd);
return 0;
}深入探究epoll的语义
当我们通过epoll_create创建一个epoll实例时，内核在内存中创建一个新的i-node，并打开文件描述，随后在调用epoll_create的进程中为打开的文件描述分配一个新的文件描述符。
同epoll实例的兴趣列表相关联的是打开的文件描述，而不是epoll文件描述符。
文件描述表示的是一个打开文件的上下文信息（大小、内容、编码等与文件有关的信息），这部分内容实际上由内核来管理的。
用户空间的应用程序通过open()等系统调用向内核请求，内核分配给用户空间一个文件描述符，用户空间的应用程序通过文件描述符操作文件。
一个文件描述可以对应多个文件描述符，当文件描述对应的文件描述符都关闭时，内核知道此时没有用户空间的程序需要使用文件描述了，则内核负责回收。
将文件描述比喻为一个抽屉，通过open()获得的文件描述符比喻为抽屉把手（句柄），通过把手操作抽屉里的内容。
文件描述实际上是内核中的一个数据结构，而用户空间中的文件描述符只不过是一个整数，epoll的兴趣列表实际关注的是内核中的数据结构。
重新释意：
epoll_ctl()的EPOLL_CTL_ADD操作：内核在兴趣列表中添加一个元素，这个元素同时记录了需要检查的文件描述符的数量以及对应的打开文件描述的引用。
epoll_wait()：调用的目的是让内核负责监视打开的文件描述。
- 之前的观点：如果一个文件描述符是epoll兴趣列表的成员，当关闭它后会自动从列表中移除
- 改进的观点：一旦所有指向打开的文件描述的文件描述符都被关闭后，这个打开的文件描述将从epoll兴趣列表中移除
参考书籍
- 《Unix网络编程》
- 《Linux/Unix系统编程手册》
- 《Linux高性能服务器编程》
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