IO的多路复用

本文介绍如何利用select函数实现IO多路复用,包括select函数的基本语法、参数说明及其相关的宏函数,并通过具体步骤展示了如何创建并管理文件描述符集合,最终实现对多个IO操作的同时监听。

使用select函数实现io多路复用
#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

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

   nfds:最大的文件描述符加1
readfds:读文件描述符集合
writefds:写文件描述符集合
exceptfds:其他或者异常的
timeout:超时检测
     NULL  阻塞         成功:准备就绪的文件描述符的个数   失败:-1

2、相关的宏函数:

void FD_ZERO(fd_set *set);
清空一个集合set
void FD_SET(int fd, fd_set *set);
将文件描述符fd添加到集合set里面
void FD_CLR(int fd, fd_set *set);
将文件描述符fd从集合set里面移除
int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set);
判断文件描述符fd是否在集合里面
0  不存在
1  存在

3、实现的步骤举例;

第一步:
创建一个集合并清空集合
fd_set readfds(这是一个定义好的文件描述符列表的结构体)
int maxfd

FD_ZERO(&readfds);
maxfd = sockfd;

第二步:将需要执行io操作的文件描述符添加到集合里面       ( 用while(1)循环包含第二步到第四步,可多次实现复用)

FD_SET(0, &readfds);
FD_SET(sockfd, &readfds);

第三步:调用函数,阻塞等待文件描述符准备就绪
(注:当select函数返回之后,会从集合里面移除除当前准备就绪的文件描述符以外其他所有的)
select(maxfd + 1, &readfds, NULL, NULL, NULL)

第四步:判断当前集合里面还有哪个文件描述符,则直接执行相应操作即可

if(FD_ISSET(0, &readfds) == 1)
{
fgets(buf, N, stdin);
buf[strlen(buf) - 1] = '\0';

printf("buf = %s\n", buf);
}

if(FD_ISSET(sockfd, &readfds) == 1)
{
if((acceptfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&client_addr, &addrlen)) < 0)
{
ERRLOG("fail to accept");
}

printf("%s -- %d\n", inet_ntoa(client_addr.sin_addr), ntohs(client_addr.sin_port));
}
### 原理 在传统的阻塞IO模型中,每个IO操作都会导致线程阻塞,直到数据准备完毕或发送完毕,且每个线程只能处理一个IO操作,当面临大量并发连接时,需创建大量线程,消耗大量系统资源。而IO多路复用通过使用操作系统提供的IO复用机制,如select、poll或epoll,可同时监听多个文件描述符上的IO事件,实现高效的IO处理。例如select函数poll函数模型,进程告诉多路复用器(内核)所有的socket号,多路复用器去获取每个socket的状态,当程序获取到某个socket号有事件发生时,就去该socket号上处理对应的事件,如read事件或者recived事件。不过select函数底层是数组,有最大连接数的限制,poll函数底层是链表,无最大连接数的限制。这两种模型都存在需要遍历所有socket(O(N)复杂度)以及重复传递数据(内核无状态,每次都要从用户态向内核态传递所有的socket号去遍历获取状态)的缺点 [^2][^3]。 ### 应用 IO多路复用广泛应用于需要同时处理大量网络连接的场景中,如高并发服务器、即时通讯系统等。在高并发服务器中,可能会同时有大量客户端连接,使用IO多路复用可以高效地处理这些连接上的IO事件;在即时通讯系统里,也需要同时处理多个用户的消息收发,IO多路复用能提升系统的处理效率 [^1]。 ### 实现方式 常见的实现方式有select、pollepoll。 - **select**:进程将所有需要监听的socket号告知内核,内核会检查这些socket的状态,当有事件发生时通知进程。但由于其底层使用数组存储socket号,有最大连接数的限制,且每次调用都要将所有socket号从用户态复制到内核态,遍历所有socket,效率较低 [^3]。 - **poll**:与select类似,也是让内核检查多个socket的状态。不同的是,poll底层使用链表存储socket号,没有最大连接数的限制,但同样存在遍历所有socket重复传递数据的问题 [^3]。 - **epoll**:是一种更为高效的IO多路复用实现方式,它使用事件驱动的机制,只关注有事件发生的socket,避免了遍历所有socket,并且使用内存映射(mmap)技术避免了数据的重复复制,提高了效率。 ### 示例代码(Java中使用NIO模拟简单的IO多路复用) ```java import java.io.IOException; import java.net.InetSocketAddress; import java.nio.ByteBuffer; import java.nio.channels.SelectionKey; import java.nio.channels.Selector; import java.nio.channels.ServerSocketChannel; import java.nio.channels.SocketChannel; import java.util.Iterator; import java.util.Set; public class NioServer { public static void main(String[] args) throws IOException { // 创建选择器 Selector selector = Selector.open(); // 打开监听通道 ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open(); // 绑定端口 serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080)); // 设置为非阻塞模式 serverSocketChannel.configureBlocking(false); // 将通道注册到选择器上,并监听连接事件 serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT); while (true) { // 等待事件发生 int readyChannels = selector.select(); if (readyChannels == 0) continue; // 获取所有就绪的选择键 Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys(); Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator(); while (keyIterator.hasNext()) { SelectionKey key = keyIterator.next(); if (key.isAcceptable()) { // 处理新的连接 ServerSocketChannel serverChannel = (ServerSocketChannel) key.channel(); SocketChannel socketChannel = serverChannel.accept(); socketChannel.configureBlocking(false); // 注册读事件 socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ); } else if (key.isReadable()) { // 处理读事件 SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel(); ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024); int bytesRead = socketChannel.read(buffer); if (bytesRead > 0) { buffer.flip(); byte[] data = new byte[buffer.remaining()]; buffer.get(data); System.out.println("Received: " + new String(data)); } } // 移除处理过的键 keyIterator.remove(); } } } } ```
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