linux网络编程之IO复用

本文介绍了Linux下三种主要的IO复用技术:select、poll和epoll。详细讲解了各自的API使用方法,包括参数含义及功能特点,并对比了三者之间的区别。

IO复用技术在编写网络程序经常需要用到,对他的需求可分为多种情况,具体就不讨论了。linux下实现IO复用主要有三种系统调用:select、poll和epoll。

1、select API

<sys/select.h>

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

nfds参数指定被监听文件描述符的总数。后面三个参数分别指向可读、可写和异常等事件对应的文件描述符集合,timeout参数用来设置select函数超时时间。

2、poll API

<poll.h>

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

fds参数是一个pollfd结构类型的结构体,他指定感兴趣的文件描述符上放生的可读、可写和异常等事件。

struct pollfd

{

int fd;                                 //文件描述符

short events;                   // 注册事件

short revents;                 //实际发生的事件,由内核填充

}

nfds参数指定被监听时间集合fds的大小。

timeout参数指定poll的超时时间。

3、epoll API

epoll是Linux特有的IO复用函数,epoll使用一组函数来完成任务,而不是单个函数。epoll把用户关心的文件描述符上的事件放在内核的一个事件表中,不像select和poll每次调用都要重复传入文件描述符集或事件集。epoll使用一个额外的文件描述符来唯一标示内核中的这个事件表。该文件描述符用如下函数创建:

<sys/epoll.h>

int epoll_create(int size)

该函数返回的文件描述符将用作其他所有epoll系统调用的第一个参数,一指定所访问的内核事件表。下面函数用来操作epoll的内核事件表:

<sys/epoll.h>

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

fd指定要操作的文件描述符,op指定操作类型(注册、修改和删除),event指定事件。

epoll_wait函数,在一段超时时间内等待一组文件描述符上的事件,原型如下:

<sys/epoll.h>

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

该函数成功返回时返回就绪文件描述符的个数。timeout为超时时间。maxevents为最多监听多少个事件。events数组存放是是就绪的事件,而不像select和poll的数组参数那样既用于传入用户注册事件,有用于输出内核检测的就绪事件。这就大大提高了应用程序索引就绪文件描述符的效率。

4、它们的区别





<think>嗯,用户想了解Linux环境下网络编程中的IO操作教程。首先,我需要回忆一下Linux网络编程的基础知识,特别是关于IO模型的部分。常见的IO模型包括阻塞IO、非阻塞IOIO多路复用、信号驱动IO和异步IO。这些模型各有优缺点,适用于不同的场景。 接下来,我应该从基础开始,比如套接字编程的步骤。创建套接字、绑定地址、监听连接、接受连接,这些步骤是必须的。可能需要用C语言示例代码来展示这些过程,因为C是Linux系统编程的主要语言。记得代码要正确,语法无误。 然后是各种IO模型的讲解。阻塞IO是最简单的,但效率可能不高,特别是在处理多个连接时。非阻塞IO通过轮询避免阻塞,但会占用CPU资源。IO多路复用,比如select、poll、epoll,这些是关键部分,尤其是epoll在Linux中的高效性。需要比较它们的区别和适用场景。 信号驱动IO和异步IO可能相对复杂,应用较少,但还是要简要介绍一下,让用户有全面的了解。此外,边缘触发和水平触发的区别也是需要强调的,这对性能优化很重要。 接着,要考虑实际应用中的问题,比如如何处理大量并发连接,如何优化性能。可能还需要提到Reactor和Proactor模式,但用户的问题主要集中在IO操作,所以可能暂时不需要深入这些设计模式。 用户可能需要了解如何选择合适的IO模型,比如高并发场景下epoll的优势,或者简单应用中使用select的方便性。此外,示例代码的正确性和可运行性也很重要,用户可能希望复制代码进行测试,所以代码必须准确,没有语法错误。 最后,生成的相关问题需要覆盖常见疑问,比如阻塞和非阻塞的区别、epoll的优势、水平触发与边缘触发的比较,以及实际应用中的错误处理。这些问题能够帮助用户进一步深入学习。 需要确保引用正确的资料,比如UNIX网络编程书籍,或者Linux的man手册,但用户提供的引用部分似乎没有具体的引用来源,可能需要添加通用的引用标识,如[^1]或[^2],并假设引用了经典书籍。 总之,回答需要结构清晰,从基础到进阶,涵盖主要IO模型,提供示例代码,并解答常见问题,帮助用户逐步掌握Linux网络编程中的IO操作。</think>### Linux 网络编程 I/O 操作教程 #### 一、基础概念与流程 在 Linux 网络编程中,I/O 操作的核心是通过**套接字(Socket)**实现数据通信。典型流程包括: 1. 创建套接字:`socket()` 函数 2. 绑定地址:`bind()` 函数 3. 监听连接:`listen()` 函数(服务端) 4. 接受连接:`accept()` 函数(服务端) 5. 数据读写:`read()`/`write()` 或 `recv()`/`send()` ```c #include <sys/socket.h> // 创建 TCP 套接字示例 int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); ``` #### 二、I/O 模型详解 ##### 1. 阻塞 I/O(Blocking I/O) - 默认模式,调用读写函数时会阻塞进程直到操作完成 - 简单但并发性能差,需多线程/多进程扩展 ##### 2. 非阻塞 I/O(Non-blocking I/O) - 通过 `fcntl()` 设置 `O_NONBLOCK` 标志 - 需要轮询检查状态,CPU 占用率高 ```c fcntl(sockfd, F_SETFL, O_NONBLOCK); ``` ##### 3. I/O 多路复用(I/O Multiplexing) 核心系统调用: - **select**:跨平台支持,但效率低(时间复杂度 $O(n)$) - **poll**:改进文件描述符数量限制,但性能仍不足 - **epoll**(Linux 特有):时间复杂度 $O(1)$,支持边缘触发(ET)模式[^1] ```c // epoll 使用示例 struct epoll_event ev; int epfd = epoll_create1(0); ev.events = EPOLLIN; epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, sockfd, &ev); ``` ##### 4. 信号驱动 I/O(Signal-driven I/O) - 通过 `SIGIO` 信号通知就绪事件 - 应用场景有限,适用于 UDP 等数据报协议 ##### 5. 异步 I/O(AIO) - 完全异步操作,通过回调函数处理结果 - 需使用 `libaio` 库,复杂性较高 #### 三、性能优化关键 1. **边缘触发(Edge-Triggered) vs 水平触发(Level-Triggered)** - 边缘触发只在状态变化时通知,需一次处理所有就绪数据 - 水平触发持续通知直到状态改变 2. **Reactor 模式** - 结合事件分发与非阻塞 I/O - 典型实现:libevent、libuv 3. **零拷贝技术** - 使用 `sendfile()` 系统调用减少内核态与用户态数据拷贝 ```c #include <sys/sendfile.h> sendfile(out_fd, in_fd, NULL, file_size); ``` #### 四、实际应用注意事项 - 正确处理 `EAGAIN`/`EWOULDBLOCK` 错误 - 设置合理的超时时间(`setsockopt()`) - 使用 `SO_REUSEADDR` 避免端口占用问题 ---
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