IO多路复用(select/epoll)

目录

一、概念

二、语法

1.select

1.1 select函数的语法

1.2 文件描述符集合操作

1.3 select函数的优缺点

2.epoll

2.1 epoll语法

2.2 epoll的工作模式

2.3 epoll的优缺点

三、select服务端代码

四、epoll服务端代码

五、客户端代码

 

一、概念

IO多路复用是一种同步的I/O模型，它允许一个进程同时监视多个文件描述符，一旦某个文件描述符就绪（可以进行I/O操作），就能够通知程序进行相应的读写操作。

IO多路复用有三种实现方式：select、poll、epoll。

 

二、语法

1.select

select是最早的I/O多路复用技术之一，它使用fd_set数据结构来存储和跟踪文件描述符。

select是基于线性方式处理待检测集合的，因此每次都要遍历集合；对于返回的集合，还需要判断文件描述符是否就绪。

 

1.1 select函数的语法

select ( int nfds,

            fd_set *readfds,
            fd_set *writefds,
            fd_set *exceptfds,
            struct timeval *timeout );

  • nfds：监控的文件描述符集里最大文件描述符加1。
  • readfds：文件描述符集合，内核会监视此集合中的文件是否有数据可读，传入传出参数。
  • writefds：文件描述符集合，内核会监视此集合中的文件是否有数据可写，传入传出参数。
  • exceptfds：文件描述符集合，用于监视此集合中的文件是否有异常情况，传入传出参数。
  • timeout：设置为NULL：阻塞，若检测到就绪的文件描述符则返回其数量；设置时间：等待固定时间，若没有就绪的文件描述符则返回0。

 

1.2 文件描述符集合操作

  • FD_ZERO(fd_set *set)：清空文件描述符集合。
  • FD_SET(int fd, fd_set *set)：将文件描述符fd添加到集合set中。
  • FD_CLR(int fd, fd_set *set)：从集合set中移除文件描述符fd。
  • FD_ISSET(int fd, fd_set *set)：检查文件描述符fd是否在集合set中。

 

1.3 select函数的优缺点

  • 优点：适用于多种操作系统，具有较好的兼容性。
  • 缺点：当文件描述符数量较多时，效率会比较低。此外，select有一个固定的文件描述符数量限制，通常为1024。

 

2.epoll

epoll是一种高效且可扩展的I/O多路复用技术。epoll是基于红黑树来处理待检测集合的，使用回调机制，处理效率高；其返回的集合中的文件描述符都是就绪的，无需再次进行检测。

epoll主要通过以下三个函数来实现其功能：epoll_create、epoll_ctl、epoll_wait。

 

2.1 epoll语法

①epoll_create函数

epoll_create (int size);

创建一个epoll对象，返回一个文件描述符，用于后续的操作，参数size大于0即可。

②epoll_ctl函数

epoll_ctl ( int epfd, int op, int fd,
               struct epoll_event *event );

向epoll对象中添加、修改或删除文件描述符。

  • epfd：epoll_create函数返回的epoll文件描述符。
  • op：操作类型，EPOLL_CTL_ADD（添加）、EPOLL_CTL_MOD（修改）或EPOLL_CTL_DEL（删除）。
  • fd：要监听的文件描述符。
  • event：指向epoll_event结构体的指针，用于指定要监听的事件类型。
epoll_event和epoll_data：

struct epoll_event
{
  uint32_t events;
  epoll_data_t data;
};

typedef union epoll_data
{
  void *ptr;
  int fd;
  uint32_t u32;
  uint64_t u64;
};

epoll_event结构体用于描述事件，成员events表示事件类型：

  • EPOLLIN：读事件，接收数据，检测读缓冲区，如果可读则该文件描述符已就绪。
  • EPOLLOUT：写事件，发送数据，检测写缓冲区，如果可写则该文件描述符已就绪。
  • EPOLLET：设置为边沿模式，默认是水平模式。

epoll_data为联合体，通常使用int类型的fd，用于存储发生对应事件的文件描述符。

 ③epoll_wait函数

epoll_wait ( int epfd, struct epoll_event *events,
               int maxevents, int timeout );

等待epoll对象中的事件发生，返回发生事件的文件描述符集合。

  • epfd：epoll_create函数返回的epoll文件描述符。
  • events：一个数组，用来存储就绪的事件信息。
  • maxevents：数组events的大小，即最多可以返回多少个就绪的文件描述符。
  • timeout：表示epoll_wait阻塞等待的时间(毫秒)。若为负数则会阻塞，直到有事件就绪；若为0则不阻塞，立即返回当前已就绪的事件。

 

2.2 epoll的工作模式

①水平触发(LT)模式：

水平触发是epoll的默认工作模式。在这种模式下，当文件描述符上的事件就绪时，epoll_wait函数会返回，并且如果该事件没有被处理，epoll_wait函数会在下一次调用时再次返回，直到该事件被处理。例如，当一个套接字上有数据可读时，epoll_wait会返回，并且如果数据没有被读取，epoll_wait会在下一次调用时再次返回，直到数据被读取。

②边沿触发(ET)模式：

边沿触发模式下，epoll_wait函数只会在文件描述符的状态发生变化时返回。例如，当一个套接字上有数据可读时，epoll_wait会返回，但是如果数据没有被读取，epoll_wait不会在下一次调用时再次返回，直到有新的数据到达。因此在边沿触发模式下，程序需要在一次epoll_wait调用返回后，立即处理所有就绪的事件。

③总结：
  • 边沿触发模式通常比水平触发模式的性能更高，因为它调用epoll_wait函数的次数比较少。
  • 水平触发模式更适合处理阻塞式I/O，而边沿触发模式更适合处理非阻塞式I/O。

epoll在边沿模式下，必须将套接字设置为非阻塞模式，此时需要循环读取读缓冲区的数据，读取完后recv函数会返回-1，此时需要特殊处理。

 

2.3 epoll的优缺点

  • 优点：高效的事件驱动模型，支持大量并发连接，没有固定的文件描述符数量限制。
  • 缺点：仅适用于Linux系统，不具备跨平台性。

 

三、select服务端代码

#include<iostream>
#include<cstring>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<unistd.h>using namespace std;int main(int argc, char* argv[])
{int lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (lfd == -1) {cerr << "error" << endl;return -1;}struct sockaddr_in local;local.sin_family = AF_INET;local.sin_port = htons(8080);local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;if (bind(lfd, (struct sockaddr*)&local, sizeof(local)) == -1) {cerr << "error" << endl;return -1;}if (listen(lfd, 128) == -1) {cerr << "error" << endl;return -1;}fd_set readset;FD_ZERO(&readset);FD_SET(lfd, &readset);int maxfd = lfd;while (true) {fd_set tmp = readset;int ret = select(maxfd + 1, &tmp, NULL, NULL, NULL);if (FD_ISSET(lfd, &tmp)) {int cfd = accept(lfd, NULL, NULL);FD_SET(cfd, &readset);maxfd = max(maxfd, cfd);cout << "connect: " << cfd << endl;}for (int i = 0; i <= maxfd; i++) {if (i != lfd && FD_ISSET(i, &tmp)) {char buffer[1024] = { 0 };int len = recv(i, buffer, sizeof buffer, 0);if (len == -1) {cerr << "error" << endl;return -1;}else if (len == 0) {cout << "client disconnect: " << i << endl;FD_CLR(i, &readset);close(i);break;}cout << buffer << endl;for (int i = 0; i < len; i++) {buffer[i] = toupper(buffer[i]);}len = send(i, buffer, strlen(buffer) + 1, 0);if (len == -1) {cerr << "error" << endl;return -1;}}}}close(lfd);return 0;
}

 

四、epoll服务端代码

#include<iostream>
#include<cstring>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<sys/epoll.h>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
#include<errno.h>using namespace std;int main(int argc, char* argv[])
{int lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (lfd == -1) {cerr << "error" << endl;return -1;}struct sockaddr_in local;local.sin_family = AF_INET;local.sin_port = htons(8080);local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;if (bind(lfd, (struct sockaddr*)&local, sizeof(local)) == -1) {cerr << "error" << endl;return -1;}if (listen(lfd, 128) == -1) {cerr << "error" << endl;return -1;}int epfd = epoll_create(1);struct epoll_event event;event.events = EPOLLIN;event.data.fd = lfd;epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, lfd, &event);struct epoll_event events[1024];while (true) {int fds = epoll_wait(epfd, events, 1024, -1);for (int i = 0; i < fds; i++) {int fd = events[i].data.fd;if (fd == lfd) {int cfd = accept(lfd, NULL, NULL);struct epoll_event client_event;int flag = fcntl(cfd, F_GETFL);flag |= O_NONBLOCK;fcntl(cfd, F_SETFL, flag);client_event.events = EPOLLIN | EPOLLET;client_event.data.fd = cfd;epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, cfd, &client_event);cout << "connect: " << cfd << endl;}else {while(true) {char buffer[128] = { 0 };int len = recv(fd, buffer, sizeof buffer, 0);if (len == 0) {cout << "client disconnect: " << fd << endl;epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, fd, NULL);close(fd);break;}else if (len > 0) {cout << buffer << endl;for (int i = 0; i < len; i++) {buffer[i] = toupper(buffer[i]);}len = send(fd, buffer, strlen(buffer) + 1, 0);if (len == -1) {cerr << "error" << endl;return -1;}}else if (len == -1) {if (errno = EAGAIN) {cout << "Data read complete." << endl;break;}else {cerr << "error" << endl;return -1;}}}}}}close(lfd);return 0;
}

 

五、客户端代码

#include<iostream>
#include<cstring>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<unistd.h>using namespace std;int main(void)
{int client_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (client_socket == -1) {cerr << "error" << endl;return -1;}struct sockaddr_in target;target.sin_family = AF_INET;target.sin_port = htons(8080);inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &target.sin_addr.s_addr);if (connect(client_socket, (struct sockaddr*)&target, sizeof target) == -1) {cerr << "error" << endl;close(client_socket);return -1;}while (true) {char buffer1[1024] = { 0 };cout << "enter: ";cin >> buffer1;send(client_socket, buffer1, strlen(buffer1), 0);char buffer2[1024] = { 0 };int ret = recv(client_socket, buffer2, sizeof buffer2, 0);if (ret <= 0) {cout << "server disconnect." << endl;}cout << buffer2 << endl;}close(client_socket);return 0;
}

 

参考内容：
爱编程的大丙

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