IO复用：select、pselect、poll学习笔记

概述

当进程中用到多个IO，希望内核一旦发现指定的IO条件就绪，就通知进程，这个能力称为IO复用

Unix下可用的5中IO模型

5种IO模型包括：阻塞式IO、非阻塞式IO、IO复用、信号驱动式IO、异步IO

1.阻塞式IO模型

以recvfrom为例，进程等待内核准备好数据后，并复制到用户进程的缓冲区或者发生错误才返回。进程在调用recvfrom直到返回这段期间，都是处于等待状态。

2.非阻塞式IO模型

如果把一个套接字设置成非阻塞式，会通知内核，当请求IO的操作不能及时完成时，不要置进程休眠，而是返回一个错误。

3.IO复用模型

调用select、poll或epoll，进程阻塞在这几个函数调用上，而不是阻塞在某个特定的IO上，当关注的任何一个或多个IO准备就绪，这几个函数返回，进程执行下一步操作。

和IO复用模型一个类似的模型，就是针对每一个描述符，创建一个线程，阻塞的等待描述符就绪。

4.信号驱动式IO

让内核在描述符准备就绪的时候，发送SIGIO信号给我们的进程，在此期间进程可以做任何事。

5.异步IO模型

异步IO的工作机制是，告诉内核启动某个操作，并在内核完成数据等待、操作完成之后通知到进程。它和信号驱动式IO的区别在于，前者是内核操作完指定函数之后通知我们，后者是内核在IO就绪的时候通知我们，随后需要进程自己去做具体操作。

POSIX中定义，真正的IO操作由进程来完成的，称为同步IO操作，反之称为异步IO操作。根据这个定义，前四种IO模型属于同步IO操作，最后一种模型属于异步IO模型

select函数

函数说明

我们调用select函数，告诉内核进程对哪些描述符的读、写、异常事件感兴趣，并指定愿意等待的时长，等待期间进程阻塞在select函数上，直到有描述符就绪，返回就绪的描述符数目。描述符不局限于套接字，可以是任何描述符。

#include <sys/select.h>
int select (int maxfdpl, fd_set * restrict readfds, fd_set *restrict writefds, fd_set *restrict exceptfds, struct timeval *restrict timeout);
返回值：若有描述符准备就绪，返回描述符数目，若超时返回0，若出错返回-1

我们感兴趣的可读、可写、发生异常的描述符，分别通过readfds、writefds、exceptfds参数传递给select。它们的数据结构是fd_set，本质是一个整数数组，感兴趣的fd集合记录在这个数组当中，可以设置为NULL。我们无需关心fd_set的具体实现，只需要调用相应的宏对fd_set进程增删改查：

void FD_ZERO(fd_set *fdset);//初始化fd_set
void FD_SET(int fd, fd_set *fdset);//将fd加入fdset
void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset);//将fd从fdset中移除
int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset);//判断fd是否在fdset中

其中fdset会被select动态的修改，如select返回的时候，fdset中仅仅保留了已经准备就绪的fd，此时可以调用FD_ISSET来判断哪些fd准备就绪。

maxfdp1：传入的最大描述符内容+1，如我们传入描述符1、4、5，那么maxfdp1等于6

timeout：参数用于表示进程等待IO的超时时间

NULL:一直等待，直到有fd就绪
0:不等待
大于0的常数:等待指定时间

套接字描述符就绪

普通文件描述符可读、可写就绪的概念比较好理解，网络套接字描述符的就绪是什么概念？

如果网络套接字，接收缓存收到很少的数据，或只有很小的发送缓存，就给应用程序发送就绪信号，应用程序拿到这些数据可能没有办法执行业务，所以有必要对触发就绪设置一个最小值，如设置接收最小值和发送最小值。在接收数据大于接收最小值，触发select返回对应读fd，在发送缓存大于最小值，触发select返回对应写fd。接收最小值通过SO_RCVLOWAT设置，发送最小值通过SO_SNDLOWAT设置

（1）满足以下几个条件之一，网络套接字读就绪：

1. 接收缓存中的数据大于等于接收最小值
2. 监听套接字调用accept，且已完成连接队列中的连接数大于0
3. 收到对侧发FIN包，sockfd触发可读，此时返回0
4. 套接字有错误待处理，返回-1

（2）满足以下几个条件之一，网络套接字写就绪

1. 发送缓存可用空间大于发送最小值
2. TCP写方向关闭
3. 套接字有错误待处理，返回-1

（3）exceptfds对应的连接有带外数据，select会返回

pselect函数

#include <sys/select.h>
int pselect(int maxfdpl, fd_set *restrict readfds, fd_set *restrict writefds, fd_set *restrict exceptfds, const struct timespec *restrict tsptr, const sigset_t *restrict sigmask)

pselect与select的区别在于：

1. 使用timespec指定超时时间，时间颗粒度更加精细
2. 指定信号屏蔽字，并通过原子操作设定屏蔽字，可对select期间的未决信号进行屏蔽，select结束后恢复屏蔽字。

poll函数

poll函数和select函数功能类似，函数原型如下所示：

#include <poll.h>
int poll(struct pollfd *fdarray, unsigned long nfds, int timeout);
- 返回值：就绪的fd数目，超时返回0，出错返回-1
- fdarray：指向struct pollfd结构体数组的指针
- nfds：fdarray结构体数组的数目
- timeout：超时时间，INFTIM永远等待，0不阻塞，>0指定等待的毫秒数

其中struct pollfd结构体定义如下所示：

struct pollfd {
  int fd;//感兴趣的fd
  short events;//该fd感兴趣的事件
  short revents;//fd实际发生的事件
}

events是对fd感兴趣的事件，revents是fd实际发生的事件，两者区别开来的原因是，一些错误事件不可作为events传入poll，却可以通过revents返回给调用者。