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Linux I/O多路復(fù)用詳解及實(shí)例

 更新時(shí)間:2016年11月05日 11:42:51   投稿:lqh  
這篇文章主要介紹了Linux I/O多路復(fù)用詳解及實(shí)例的相關(guān)資料,并附實(shí)例代碼,需要的朋友可以參考下

Linux I/O多路復(fù)用

Linux中一切皆文件,不論是我們存儲(chǔ)在磁盤(pán)上的字符文件,可執(zhí)行文件還是我們的接入電腦的I/O設(shè)備等都被VFS抽象成了文件,比如標(biāo)準(zhǔn)輸入設(shè)備默認(rèn)是鍵盤(pán),我們?cè)诓僮鳂?biāo)準(zhǔn)輸入設(shè)備的時(shí)候,其實(shí)操作的是默認(rèn)打開(kāi)的一個(gè)文件描述符是0的文件,而一切軟件操作硬件都需要通過(guò)OS,而OS操作一切硬件都需要相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序,這個(gè)驅(qū)動(dòng)程序里配置了這個(gè)硬件的相應(yīng)配置和使用方法。Linux的I/O分為阻塞I/O,非阻塞I/O,I/O多路復(fù)用,信號(hào)驅(qū)動(dòng)I/O四種。對(duì)于I/O設(shè)備的驅(qū)動(dòng),一般都會(huì)提供關(guān)于阻塞和非阻塞兩種配置。我們最常見(jiàn)的I/O設(shè)備之一--鍵盤(pán)(標(biāo)準(zhǔn)輸入設(shè)備)的驅(qū)動(dòng)程序默認(rèn)是阻塞的。

多路復(fù)用就是為了使進(jìn)程能夠從多個(gè)阻塞I/O中獲得自己想要的數(shù)據(jù)并繼續(xù)執(zhí)行接下來(lái)的任務(wù)。其主要的思路就是同時(shí)監(jiān)視多個(gè)文件描述符,如果有文件描述符的設(shè)定狀態(tài)的被觸發(fā),就繼續(xù)執(zhí)行進(jìn)程,如果沒(méi)有任何一個(gè)文件描述符的設(shè)定狀態(tài)被觸發(fā),進(jìn)程進(jìn)入sleep

多路復(fù)用的一個(gè)主要用途就是實(shí)現(xiàn)"I/O多路復(fù)用并發(fā)服務(wù)器",和多線程并發(fā)或者多進(jìn)程并發(fā)相比,這種服務(wù)器的系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)更低,更適合做web服務(wù)器。

阻塞I/O

阻塞I/O,就是當(dāng)進(jìn)程試圖訪問(wèn)這個(gè)I/O設(shè)備而這個(gè)設(shè)備并沒(méi)有準(zhǔn)備好的時(shí)候,設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序會(huì)通過(guò)內(nèi)核讓這個(gè)試圖訪問(wèn)的進(jìn)程進(jìn)入sleep狀態(tài)。阻塞I/O的一個(gè)好處就是可以大大的節(jié)約CPU時(shí)間,因?yàn)橐坏┮粋€(gè)進(jìn)程試圖訪問(wèn)一個(gè)沒(méi)有準(zhǔn)備好的阻塞I/O,就會(huì)進(jìn)入sleep狀態(tài),而進(jìn)入sleep狀態(tài)的進(jìn)程是不在內(nèi)核的進(jìn)程調(diào)度鏈表中,直到目標(biāo)I/O準(zhǔn)備好了將其喚醒并加入調(diào)度鏈表,這樣就可以節(jié)約CPU時(shí)間。當(dāng)然阻塞I/O也有其固有的缺點(diǎn),如果進(jìn)程試圖訪問(wèn)一個(gè)阻塞I/O,但是否訪問(wèn)成功并不對(duì)接下來(lái)的任務(wù)有決定性影響,那么直接使其進(jìn)入sleep狀態(tài)顯然會(huì)延誤其任務(wù)的完成。
典型的默認(rèn)阻塞IO有標(biāo)準(zhǔn)輸入設(shè)備,socket設(shè)備,管道設(shè)備等,當(dāng)我們使用gets(),scanf(),read()等操作請(qǐng)求這些IO時(shí)而IO并沒(méi)有數(shù)據(jù)流入,就會(huì)造成進(jìn)程的sleep。

假設(shè)一個(gè)進(jìn)程希望通過(guò)三個(gè)管道中任意一個(gè)中讀取數(shù)據(jù)并顯示,偽代碼如下

read(pipe_0,buf,sizeof(buf));    //sleep
print buf;
read(pipe_1,buf,sizeof(buf));
print buf;
read(pipe_2,buf,sizeof(buf));
print buf;

由于管道是阻塞I/O,所以如果pipe_0沒(méi)有數(shù)據(jù)流入,進(jìn)程就是在第一個(gè)read()處進(jìn)入sleep狀態(tài)而即使pipe_1和pipe_2有數(shù)據(jù)流入也不會(huì)被讀取。
如果我們使用下述代碼重新設(shè)置管道的阻塞屬性,顯然,如果三個(gè)管道都沒(méi)有數(shù)據(jù)流入,那么進(jìn)程就無(wú)法獲得請(qǐng)求的數(shù)據(jù)而繼續(xù)執(zhí)行,倘若這些數(shù)據(jù)很重要(所以我們才要用阻塞I/O),那結(jié)果就會(huì)十分的糟糕,改為輪詢(xún)卻又大量的占據(jù)CPU時(shí)間。

int fl = fcntl(pipe_fd, F_GETFL);
fcntl(pipe_fd, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK);

如何讓進(jìn)程同時(shí)監(jiān)視三個(gè)管道,其中一個(gè)有數(shù)據(jù)就繼續(xù)執(zhí)行而不會(huì)sleep,如果全部沒(méi)有數(shù)據(jù)流入再sleep,就是多路復(fù)用技術(shù)需要解決的問(wèn)題。

非阻塞I/O

非阻塞I/O就是當(dāng)一個(gè)進(jìn)程試圖訪問(wèn)一個(gè)I/O設(shè)備的時(shí)候,無(wú)論是否從中獲取了請(qǐng)求的數(shù)據(jù)都會(huì)返回并繼續(xù)執(zhí)行接下來(lái)的任務(wù)。,但非常適合請(qǐng)求是否成功對(duì)接下來(lái)的任務(wù)影響不大的I/O請(qǐng)求。但如果訪問(wèn)一個(gè)非阻塞I/O,但這個(gè)請(qǐng)求如果失敗對(duì)進(jìn)程接下來(lái)的任務(wù)有致命影響,最粗暴的就是使用while(1){read()}輪詢(xún)。顯然,這種方式會(huì)占用大量的CPU時(shí)間。

select機(jī)制

select是一種非常"古老"的同步I/O接口,但是提供了一種很好的I/O多路復(fù)用的思路

模型

fd_set   //創(chuàng)建fd_set對(duì)象,將來(lái)從中增減需要監(jiān)視的fd
FD_ZERO()  //清空f(shuō)d_set對(duì)象
FD_SET()  //將一個(gè)fd加入fd_set對(duì)象中 
select()  //監(jiān)視fd_set對(duì)象中的文件描述符
pselect()  //先設(shè)定信號(hào)屏蔽,再監(jiān)視
FD_ISSET() //測(cè)試fd是否屬于fd_set對(duì)象
FD_CLR()  //從fd_set對(duì)象中刪除fd

Note:

select的第一個(gè)參數(shù)nfds是指集合中的最大的文件描述符+1,因?yàn)閟elect會(huì)無(wú)差別遍歷整個(gè)文件描述符表直到找到目標(biāo),而文件描述符是從0開(kāi)始的,所以一共是集合中的最大的文件描述符+1次。

上一條導(dǎo)致了這種機(jī)制的低效,如果需要監(jiān)視的文件描述符是0和100那么每一次都會(huì)遍歷101次

select()每次返回都會(huì)修改fd_set,如果要循環(huán)select(),需要先對(duì)初始的fd_set進(jìn)行備

例子_I/O多路復(fù)用并發(fā)服務(wù)器

關(guān)于server本身的編程模型,參見(jiàn)tcp/ip協(xié)議服務(wù)器模型和udp/ip協(xié)議服務(wù)器模型這里僅是使用select實(shí)現(xiàn)偽并行的部分模型

#define BUFSIZE 100
#define MAXNFD 1024 

int main()
{
  /***********服務(wù)器的listenfd已經(jīng)準(zhǔn)本好了**************/
  fd_set readfds;
  fd_set writefds;
  FD_ZERO(&readfds);
  FD_ZERO(&writefds);
  FD_SET(listenfd, &readfds);

  fd_set temprfds = readfds;
  fd_set tempwfds = writefds;
  int maxfd = listenfd;


  int nready;
  char buf[MAXNFD][BUFSIZE] = {0};
  while(1){
    temprfds = readfds;
    tempwfds = writefds;

    nready = select(maxfd+1, &temprfds, &tempwfds, NULL, NULL)
    if(FD_ISSET(listenfd, &temprfds)){     
      //如果監(jiān)聽(tīng)到的是listenfd就進(jìn)行accept
      int sockfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &len);
      
      //將新accept的scokfd加入監(jiān)聽(tīng)集合,并保持maxfd為最大fd
      FD_SET(sockfd, &readfds);
      maxfd = maxfd>sockfd?maxfd:sockfd;
      
      //如果意見(jiàn)檢查了nready個(gè)fd,就沒(méi)有必要再等了,直接下一個(gè)循環(huán)
      if(--nready==0)
        continue;
    }
    
    int fd = 0;
    //遍歷文件描述符表,處理接收到的消息
    for(;fd<=maxfd; fd++){  
      if(fd == listenfd)
        continue;

      if(FD_ISSET(fd, &temprfds)){
        int ret = read(fd, buf[fd], sizeof buf[0]);
        if(0 == ret){  //客戶(hù)端鏈接已經(jīng)斷開(kāi)
          close(fd);
          FD_CLR(fd, &readfds);
          if(maxfd==fd) 
            --maxfd;
          continue;
        }
        //將fd加入監(jiān)聽(tīng)可寫(xiě)的集合
        FD_SET(fd, &writefds); 
      }
      //找到了接收消息的socket的fd,接下來(lái)將其加入到監(jiān)視寫(xiě)的fd_set中
      //將在下一次while()循環(huán)開(kāi)始監(jiān)視
      if(FD_ISSET(fd, &tempwfds)){
        int ret = write(fd, buf[fd], sizeof buf[0]);
        printf("ret %d: %d\n", fd, ret);
        FD_CLR(fd, &writefds);
      }
    }
  }
  close(listenfd);
}

poll機(jī)制

poll是System V提出的一種基于select的改良機(jī)制,其針對(duì)select的諸多明顯的缺陷進(jìn)行了重新設(shè)計(jì),包括只遍歷被觸發(fā)個(gè)數(shù)個(gè)文件描述符,不需要備份fd_set等等

模型

struct pollfd  fds   //創(chuàng)建一個(gè)pollfd類(lèi)型的數(shù)組
fds[0].fd        //向fds[0]中放入需要監(jiān)視的fd
fds[0].events      //向fds[0]中放入需要監(jiān)視的fd的觸發(fā)事件
  POLLIN       //I/O有輸入
  POLLPRI       //有緊急數(shù)據(jù)需要讀取
  POLLOUT       //I/O可寫(xiě)
  POLLRDHUP      //流式套接字連接斷開(kāi)或套接字處于半關(guān)閉狀態(tài)
  POLLERR       //錯(cuò)誤條件(僅針對(duì)輸出)
  POLLHUP       //掛起(僅針對(duì)輸出)
  POLLNVAL      //無(wú)效的請(qǐng)求:fd沒(méi)有被打開(kāi)(僅針對(duì)輸出)

例子_I/O多路復(fù)用并發(fā)服務(wù)器

/* ... */

int main()
{
  /* ... */
  struct pollfd myfds[MAXNFD] = {0};
  myfds[0].fd = listenfd;
  myfds[0].events = POLLIN;
  int maxnum = 1;
  
  int nready;
  //準(zhǔn)備二維數(shù)組buf,每個(gè)fd使用buf的一行,數(shù)據(jù)干擾
  char buf[MAXNFD][BUFSIZE] = {0};
  while(1){
    //poll直接返回event被觸發(fā)的fd的個(gè)數(shù)
    nready = poll(myfds, maxnum, -1)
    int i = 0;
    for(;i<maxnum; i++){
      //poll通過(guò)將相應(yīng)的二進(jìn)制位置一來(lái)表示已經(jīng)設(shè)置
      //如果下面的條件成立,表示revent[i]里的POLLIN位已經(jīng)是1了
      if(myfds[i].revents & POLLIN){
        if(myfds[i].fd == listenfd){
          int sockfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &len);
          //將新accept的scokfd加入監(jiān)聽(tīng)集合
          myfds[maxnum].fd = sockfd;
          myfds[maxnum].events = POLLIN;
          maxnum++;
          
          //如果意見(jiàn)檢查了nready個(gè)fd,就直接下一個(gè)循環(huán)
          if(--nready==0)
            continue;
        }
        else{
          int ret = read(myfds[i].fd, buf[myfds[i].fd], sizeof buf[0]);
          if(0 == ret){  //如果連接斷開(kāi)了
            close(myfds[i].fd);
            
             //初始化將文件描述符表所有的文件描述符標(biāo)記為-1
             //close的文件描述符也標(biāo)記為-1
             //打開(kāi)新的描述符時(shí)從表中搜索第一個(gè)-1
             //open()就是這樣實(shí)現(xiàn)始終使用最小的fd
             //這里為了演示并沒(méi)有使用這種機(jī)制
             myfds[i].fd = -1; 
            continue;
          }
          myfds[i].events = POLLOUT;
        }
      }
      else if(myfds[i].revents & POLLOUT){
        int ret = write(myfds[i].fd, buf[myfds[i].fd], sizeof buf[0]);
        myfds[i].events = POLLIN;
      }
    }
  }
  close(listenfd);
}

epoll

epoll在poll基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的更為健壯的接口,也是現(xiàn)在主流的web服務(wù)器使用的多路復(fù)用技術(shù),epoll一大特色就是支持EPOLLET(邊沿觸發(fā))和EPOLLLT (水平觸發(fā)),前者表示如果讀取之后緩沖區(qū)還有數(shù)據(jù),那么只要讀取結(jié)束,剩余的數(shù)據(jù)也會(huì)丟棄,而后者表示里面的數(shù)據(jù)不會(huì)丟棄,下次讀的時(shí)候還在,默認(rèn)是EPOLLLT

模型

epoll_create()     //創(chuàng)建epoll對(duì)象
struct epoll_event   //準(zhǔn)備事件結(jié)構(gòu)體和事件結(jié)構(gòu)體數(shù)組
  event.events
  event.data.fd ...
epoll_ctl()       //配置epoll對(duì)象
epoll_wait()      //監(jiān)控epoll對(duì)象中的fd及其相應(yīng)的event

例子_I/O多路復(fù)用并發(fā)服務(wù)器

/* ... */

int main()
{
  /* ... */
  /* 創(chuàng)建epoll對(duì)象 */
  int epoll_fd = epoll_create(1024);
  
  //準(zhǔn)備一個(gè)事件結(jié)構(gòu)體
  struct epoll_event event = {0};
  event.events = EPOLLIN;
  event.data.fd = listenfd;  //data是一個(gè)共用體,除了fd還可以返回其他數(shù)據(jù)
  
  //ctl是監(jiān)控listenfd是否有event被觸發(fā)
  //如果發(fā)生了就把event通過(guò)wait帶出。
  //所以,如果event里不標(biāo)明fd,我們將來(lái)獲取就不知道哪個(gè)fd
  epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, listenfd, &event);
  
  struct epoll_event revents[MAXNFD] = {0};
  int nready;
  char buf[MAXNFD][BUFSIZE] = {0};
  while(1){
    //wait返回等待的event發(fā)生的數(shù)目
    //并把相應(yīng)的event放到event類(lèi)型的數(shù)組中
    nready = epoll_wait(epoll_fd, revents, MAXNFD, -1)
    int i = 0;
    for(;i<nready; i++){
      //wait通過(guò)在events中設(shè)置相應(yīng)的位來(lái)表示相應(yīng)事件的發(fā)生
      //如果輸入可用,那么下面的這個(gè)結(jié)果應(yīng)該為真
      if(revents[i].events & EPOLLIN){
        //如果是listenfd有數(shù)據(jù)輸入
        if(revents[i].data.fd == listenfd){
          int sockfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &len);
          struct epoll_event event = {0};
          event.events = EPOLLIN;
          event.data.fd = sockfd;
          epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, sockfd, &event);
        }
        else{
          int ret = read(revents[i].data.fd, buf[revents[i].data.fd], sizeof buf[0]);
          if(0 == ret){
            close(revents[i].data.fd);
            epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_DEL, revents[i].data.fd, &revents[i]);
          }
          
          revents[i].events = EPOLLOUT;
          epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_MOD, revents[i].data.fd, &revents[i]);
        }
      }
      else if(revents[i].events & EPOLLOUT){
        int ret = write(revents[i].data.fd, buf[revents[i].data.fd], sizeof buf[0]);
        revents[i].events = EPOLLIN;
        epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_MOD, revents[i].data.fd, &revents[i]);
      }
    }
  }
  close(listenfd);
}



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