Linux C 网络编程——7.select poll epoll

上一节中我们讲到了IO复用，总结起来也就是分为同步和异步模型，以及阻塞和非阻塞模型，本文主要分析其中的异步阻塞模型。

IO的复用可以通过select poll epoll实现

1. select

头文件：sys/select.h   sys/time.h

int select( int maxfd, fd_set *readset, fd_set *writeset, fd_set *exceptset, const struct timeval *timeout );

（1）maxfd

maxfd = max( readset, writeset, exceptset ) + 1;

（2）timeout

经过timeout时间后无论如何都要返回

timeout = 0 ：非阻塞IO

timeout = NULL：永远等待

（3）当发生以下情况时select返回：

>readset中fd可读

>writeset中fd可写

>exceptset中fd发生异常

（4）返回值：

OK—— 准备好的fd的个数（0-n）

Fail—— -1   （非exceptset中的fd发生意外）

（5）FD_ISSET

如果返回值大于0，那么可用FD_ISSET测试readset中哪个文件准备好了

（6）实现

select对应于内核中的sys_select调用，sys_select首先将第二三四个参数指向的fd_set拷贝到内核，然后对每个被SET的描述符调用进行poll，并记录在临时结果中（fdset），如果有事件发生，select会将临时结果写到用户空间并返回；当轮询一遍后没有任何事件发生时，如果指定了超时时间，则select会睡眠到超时，睡眠结束后再进行一次轮询，并将临时结果写到用户空间，然后返回。

（7）缺点：

（1）每次调用select，都需要把fd集合从用户态拷贝到内核态，这个开销在fd很多时会很大

（2）同时每次调用select都需要在内核遍历传递进来的所有fd，这个开销在fd很多时也很大

（3）select支持的文件描述符数量太小了，默认是1024

FD_ZERO(int fd, fd_set* fds) 
FD_SET(int fd, fd_set* fds) 
FD_ISSET(int fd, fd_set* fds) 
FD_CLR(int fd, fd_set* fds) 
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout) 

	SOCKADDR_IN addrSrv;
	int reuse = 1;
	SOCKET sockSrv,connsock;
	SOCKADDR_IN addrClient;
	pool pool;
	int len=sizeof(SOCKADDR);
	/*创建TCP*/
	sockSrv=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
	/*地址、端口的绑定*/
	
	addrSrv.sin_addr.S_un.S_addr=htonl(INADDR_ANY);
	addrSrv.sin_family=AF_INET;
	addrSrv.sin_port=htons(port);
	
	if(bind(sockSrv,(SOCKADDR*)&addrSrv,sizeof(SOCKADDR))<0)
	{
		fprintf(stderr,"Failed to bind");
		return ;
	}
	
	if(listen(sockSrv,5)<0)
	{
		fprintf(stderr,"Failed to listen socket");
		return ;
	}
	setsockopt(sockSrv,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,(const char*)&reuse,sizeof(reuse));
	init_pool(sockSrv,&pool);
	while(1)
	{
		/*通过selete设置为异步模式*/
		pool.ready_set=pool.read_set;
		pool.nready=select(pool.maxfd+1,&pool.ready_set,NULL,NULL,NULL);
		if(FD_ISSET(sockSrv,&pool.ready_set))
		{
			connsock=accept(sockSrv,(SOCKADDR *)&addrClient,&len);
			//loadDeal()/*连接处理*/
			//printf("test\n");
			add_client(connsock,&pool);//添加到连接池
		}
		/*检查是否有事件发生*/
		check_client(&pool);
	}

上面是一个服务器代码的关键部分，设置为异步的模式，然后接受到连接将其添加到连接池中。监听描述符上使用select，接受客户端的连接请求，在check_client函数中，遍历连接池中的描述符，检查是否有事件发生。

         

2. poll 轮询函数

头文件：poll.h

poll函数类似于select，但是其调用形式不同。poll不是为每个条件构造一个描述符集，而是构造一个pollfd结构体数组，每个数组元素指定一个描述符标号及其所关心的条件。定义如下：

#include <sys/poll.h>
int poll (struct pollfd *fds, unsigned int nfds, int timeout);
struct pollfd {
int fd; /* file descriptor可为负数 */
short events; /* requested events to watch 用户设置*/
short revents; /* returned events witnessed 内核返回*/
};

（1）事件：

events：

POLLIN :可读除高优级外的数据，不阻塞

POLLRDNORM：可读普通数据，不阻塞

POLLRDBAND：可读O优先数据，不阻塞

POLLPRI：可读高优先数据，不阻塞

POLLOUT ：可写普数据，不阻塞

POLLWRNORM：与POLLOUT相同

POLLWRBAND：写非0优先数据，不阻塞

revents：

POLLERR ：已出错

POLLHUP：已挂起，当以描述符被挂起后，就不能再写向该描述符，但是仍可以从该描述符读取到数据。

POLLNVAL：此描述符并不引用一打开文件

（2）实现

poll的实现机制与select类似，其对应内核中的sys_poll，只不过poll向内核传递pollfd数组，然后对pollfd中的每个描述符进行poll，相比处理fdset来说，poll效率更高。
poll返回后，需要对pollfd中的每个元素检查其revents值，来得指事件是否发生。

（3）缺点：

基本上与select一样，只不过解决了描述符数量的限制。

3. epoll

epoll解决了select，poll的上述缺点。

（1）数据结构

typedef union epoll_data
{
  void        *ptr;
  int          fd;
  __uint32_t   u32;
  __uint64_t   u64;
} epoll_data_t;

struct epoll_event
{
  __uint32_t   events; /* Epoll events */
  epoll_data_t data;   /* User data variable */
};

事件：

EPOLLIN：表示对描述符的可以读

EPOLLOUT：表示对描述符的可以写

EPOLLPRI：表示对描述符的有紧急数据可以读

EPOLLERR：发生错误

EPOLLHUP：挂起

EPOLLET：边缘触发

EPOLLONESHOT：一次性使用，当监听完这次事件之后，如果还需要继续监听这个socket的话，需要再次把这个socket加入到EPOLL队列里

（2）函数

int epoll_creae(int size);  

功能：该函数生成一个epoll专用的文件描述符

参数：size为epoll上能关注的最大描述符数

int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event); 
功能：用于控制某个epoll文件描述符时间，可以注册、修改、删除
参数：epfd由epoll_create生成的epoll专用描述符
    op操作：EPOLL_CTL_ADD 注册   EPOLL_CTL_MOD修改  EPOLL_DEL删除
            fd：关联的文件描述符
    evnet告诉内核要监听什么事件

int epoll_wait(int epfd,struct epoll_event*events,int maxevents,int timeout);  
功能：该函数等待i/o事件的发生。
参数：epfd要检测的句柄
    events：用于回传待处理时间的数组
    maxevents：告诉内核这个events有多大，不能超过之前的size
    timeout：为超时时间

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netdb.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <errno.h>

#define MAXEVENTS 64

static int
make_socket_non_blocking (int sfd)
{
  int flags, s;

  flags = fcntl (sfd, F_GETFL, 0);
  if (flags == -1)
    {
      perror ("fcntl");
      return -1;
    }

  flags |= O_NONBLOCK;
  s = fcntl (sfd, F_SETFL, flags);
  if (s == -1)
    {
      perror ("fcntl");
      return -1;
    }

  return 0;
}

static int
create_and_bind (char *port)
{
  struct addrinfo hints;
  struct addrinfo *result, *rp;
  int s, sfd;

  memset (&hints, 0, sizeof (struct addrinfo));
  hints.ai_family = AF_UNSPEC;     /* Return IPv4 and IPv6 choices */
  hints.ai_socktype = SOCK_STREAM; /* We want a TCP socket */
  hints.ai_flags = AI_PASSIVE;     /* All interfaces */

  s = getaddrinfo (NULL, port, &hints, &result);
  if (s != 0)
    {
      fprintf (stderr, "getaddrinfo: %s\n", gai_strerror (s));
      return -1;
    }

  for (rp = result; rp != NULL; rp = rp->ai_next)
    {
      sfd = socket (rp->ai_family, rp->ai_socktype, rp->ai_protocol);
      if (sfd == -1)
        continue;

      s = bind (sfd, rp->ai_addr, rp->ai_addrlen);
      if (s == 0)
        {
          /* We managed to bind successfully! */
          break;
        }

      close (sfd);
    }

  if (rp == NULL)
    {
      fprintf (stderr, "Could not bind\n");
      return -1;
    }

  freeaddrinfo (result);

  return sfd;
}

int
main (int argc, char *argv[])
{
  int sfd, s;
  int efd;
  struct epoll_event event;
  struct epoll_event *events;

  if (argc != 2)
    {
      fprintf (stderr, "Usage: %s [port]\n", argv[0]);
      exit (EXIT_FAILURE);
    }

  sfd = create_and_bind (argv[1]);
  if (sfd == -1)
    abort ();

  s = make_socket_non_blocking (sfd);
  if (s == -1)
    abort ();

  s = listen (sfd, SOMAXCONN);
  if (s == -1)
    {
      perror ("listen");
      abort ();
    }

  efd = epoll_create1 (0);
  if (efd == -1)
    {
      perror ("epoll_create");
      abort ();
    }

  event.data.fd = sfd;
  event.events = EPOLLIN | EPOLLET;
  s = epoll_ctl (efd, EPOLL_CTL_ADD, sfd, &event);
  if (s == -1)
    {
      perror ("epoll_ctl");
      abort ();
    }

  /* Buffer where events are returned */
  events = calloc (MAXEVENTS, sizeof event);

  /* The event loop */
  while (1)
    {
      int n, i;

      n = epoll_wait (efd, events, MAXEVENTS, -1);
      for (i = 0; i < n; i++)
	{
	  if ((events[i].events & EPOLLERR) ||
              (events[i].events & EPOLLHUP) ||
              (!(events[i].events & EPOLLIN)))
	    {
              /* An error has occured on this fd, or the socket is not
                 ready for reading (why were we notified then?) */
	      fprintf (stderr, "epoll error\n");
	      close (events[i].data.fd);
	      continue;
	    }

	  else if (sfd == events[i].data.fd)
	    {
              /* We have a notification on the listening socket, which
                 means one or more incoming connections. */
              while (1)
                {
                  struct sockaddr in_addr;
                  socklen_t in_len;
                  int infd;
                  char hbuf[NI_MAXHOST], sbuf[NI_MAXSERV];

                  in_len = sizeof in_addr;
                  infd = accept (sfd, &in_addr, &in_len);
                  if (infd == -1)
                    {
                      if ((errno == EAGAIN) ||
                          (errno == EWOULDBLOCK))
                        {
                          /* We have processed all incoming
                             connections. */
                          break;
                        }
                      else
                        {
                          perror ("accept");
                          break;
                        }
                    }

                  s = getnameinfo (&in_addr, in_len,
                                   hbuf, sizeof hbuf,
                                   sbuf, sizeof sbuf,
                                   NI_NUMERICHOST | NI_NUMERICSERV);
                  if (s == 0)
                    {
                      printf("Accepted connection on descriptor %d "
                             "(host=%s, port=%s)\n", infd, hbuf, sbuf);
                    }

                  /* Make the incoming socket non-blocking and add it to the
                     list of fds to monitor. */
                  s = make_socket_non_blocking (infd);
                  if (s == -1)
                    abort ();

                  event.data.fd = infd;
                  event.events = EPOLLIN | EPOLLET;
                  s = epoll_ctl (efd, EPOLL_CTL_ADD, infd, &event);
                  if (s == -1)
                    {
                      perror ("epoll_ctl");
                      abort ();
                    }
                }
              continue;
            }
          else
            {
              /* We have data on the fd waiting to be read. Read and
                 display it. We must read whatever data is available
                 completely, as we are running in edge-triggered mode
                 and won't get a notification again for the same
                 data. */
              int done = 0;

              while (1)
                {
                  ssize_t count;
                  char buf[512];

                  count = read (events[i].data.fd, buf, sizeof buf);
                  if (count == -1)
                    {
                      /* If errno == EAGAIN, that means we have read all
                         data. So go back to the main loop. */
                      if (errno != EAGAIN)
                        {
                          perror ("read");
                          done = 1;
                        }
                      break;
                    }
                  else if (count == 0)
                    {
                      /* End of file. The remote has closed the
                         connection. */
                      done = 1;
                      break;
                    }

                  /* Write the buffer to standard output */
                  s = write (1, buf, count);
                  if (s == -1)
                    {
                      perror ("write");
                      abort ();
                    }
                }

              if (done)
                {
                  printf ("Closed connection on descriptor %d\n",
                          events[i].data.fd);

                  /* Closing the descriptor will make epoll remove it
                     from the set of descriptors which are monitored. */
                  close (events[i].data.fd);
                }
            }
        }
    }

  free (events);

  close (sfd);

  return EXIT_SUCCESS;
}

4. 参考文献

[1] Linux 环境下C编程指南

[2] select、poll、epoll的比较