1. Linux下的五种I/O模型
1)阻塞I/O（blocking I/O）
2)非阻塞I/O （nonblocking I/O）
3) I/O复用(select 和poll) （I/O multiplexing）
4)信号驱动I/O （signal driven I/O (SIGIO)）
5)异步I/O （asynchronous I/O (the POSIX aio_functions)）
（前四种都是同步，只有最后一种才是异步IO。）
五种I/O模型的比较：
2.多路复用--select
系统提供select函数来实现多路复用输入/输出模型。select系统调用是用来让我们的程序监视多个文件句柄的状态变化的。程序会停在select这里等待，直到被监视的文件句柄有一个或多个发生了状态改变。关于文件句柄，其实就是一个整数，我们最熟悉的句柄是0、1、2三个，0是标准输入，1是标准输出，2是标准错误输出。0、1、2是整数表示的，对应的FILE *结构的表示就是stdin、stdout、stderr。
select函数
int select(int maxfd,fd_set *rdset,fd_set *wrset, \ fd_set *exset,struct timeval *timeout);
参数说明：
参数maxfd是需要监视的最大的文件描述符值+1；rdset,wrset,exset分别对应于需要检测的可读文件描述符的集合，可写文件描述符的集合及异常文件描述符的集合。struct timeval结构用于描述一段时间长度，如果在这个时间内，需要监视的描述符没有事件发生则函数返回，返回值为0。
下面的宏提供了处理这三种描述词组的方式:
FD_CLR(inr fd,fd_set* set)；用来清除描述词组set中相关fd 的位
FD_ISSET(int fd,fd_set *set)；用来测试描述词组set中相关fd 的位是否为真
FD_SET（int fd,fd_set*set）；用来设置描述词组set中相关fd的位
FD_ZERO（fd_set *set）；用来清除描述词组set的全部位
参数timeout为结构timeval，用来设置select()的等待时间，其结构定义如下：
struct timeval
{
time_t tv_sec;//second
time_t tv_usec;//minisecond
};
如果参数timeout设为：
NULL，则表示select（）没有timeout，select将一直被阻塞，直到某个文件描述符上发生了事件。
0：仅检测描述符集合的状态，然后立即返回，并不等待外部事件的发生。
特定的时间值：如果在指定的时间段里没有事件发生，select将超时返回。
函数返回值：
执行成功则返回文件描述词状态已改变的个数，如果返回0代表在描述词状态改变前已超过timeout时间，没有返回；当有错误发生时则返回-1，错误原因存于errno，此时参数readfds，writefds，exceptfds和timeout的值变成不可预测。
理解select模型：
理解select模型的关键在于理解fd_set,为说明方便，取fd_set长度为1字节，fd_set中的每一bit可以对应一个文件描述符fd。则1字节长的fd_set最大可以对应8个fd。
（1）执行fd_set set; FD_ZERO(&set);则set用位表示是0000,0000。
（2）若fd＝5,执行FD_SET(fd,&set);后set变为0001,0000(第5位置为1)
（3）若再加入fd＝2，fd=1,则set变为0001,0011
（4）执行select(6,&set,0,0,0)阻塞等待
（5）若fd=1,fd=2上都发生可读事件，则select返回，此时set变为0000,0011。注意：没有事件发生的fd=5被清空。
基于上面的讨论，可以轻松得出select模型的特点：
- 可监控的文件描述符个数取决与sizeof(fd_set)的值。
- 将fd加入select监控集的同时，还要再使用一个数据结构array保存放到select监控集中的fd，一是用于再select 返回后，array作为源数据和fd_set进行FD_ISSET判断。二是select返回后会把以前加入的但并无事件发生的fd清空，则每次开始 select前都要重新从array取得fd逐一加入（FD_ZERO最先），扫描array的同时取得fd最大值maxfd，用于select的第一个 参数。
- 可见select模型必须在select前循环array（加fd，取maxfd），select返回后循环array（FD_ISSET判断是否有时间发生）。
select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，默认是1024
3.多路复用--poll
poll与select非常相似，不同之处在于，select使用三个位图来表示三种不同的事件，而poll使用一个 pollfd的指针实现。
poll函数
#include <poll.h> int poll (struct pollfd *fds, unsigned int nfds, int timeout);
参数说明:
fds：是一个struct pollfd结构类型的数组，其结构如下：
struct pollfd { int fd; /* file descriptor */
short events; /* requested events to watch */
short revents; /* returned events witnessed */
};
该结构用于存放需要检测其状态的Socket描述符；每当调用这个函数之后，系统不会清空这个数组，操作起来比较方便；特别是对于 socket连接比较多的情况下，在一定程度上可以提高处理的效率；这一点与select()函数不同，调用select()函数之后，select() 函数会清空它所检测的socket描述符集合，导致每次调用select()之前都必须把socket描述符重新加入到待检测的集合中；因 此，select()函数适合于只检测一个socket描述符的情况，而poll()函数适合于大量socket描述符的情况；
nfds：nfds_t类型的参数，用于标记数组fds中的结构体元素的总数量；
timeout：是poll函数调用阻塞的时间，单位：毫秒；如果timeout>0那么poll()函数会阻塞timeout所指定的毫秒时间长度之后返回。如果timeout==0，那么 poll() 函数立即返回而不阻塞，如果timeout==INFTIM，那么poll() 函数会一直阻塞下去，直到所检测的socket描述符上的感兴趣的事件发 生是才返回，如果感兴趣的事件永远不发生，那么poll()就会永远阻塞下去；
返回值:
>0：数组fds中准备好读、写或出错状态的那些socket描述符的总数量；
==0：数组fds中没有任何socket描述符准备好读、写，或出错；此时poll超时，超时时间是timeout毫秒；换句话说，如果所检测的 socket描述符上没有任何事件发生的话，
-1： poll函数调用失败，同时会自动设置全局变量errno；
poll() 函数的功能和返回值的含义与 select() 函数的功能和返回值的含义是完全一样的，两者之间的差别就是内部实现方式不一样。
4.select实例之网络服务器（poll实现类似）
服务器端
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/select.h>
#include <string.h>
#define _MAX_LISTEN_ 5
#define _MAX_SIZE_ 10
#define _BUF_SIZE_ 1024
int fd_arr[_MAX_SIZE_];
int max_fd = -1;
static void init_fd_arr()
{
int i = 0;
for(; i < _MAX_SIZE_; ++i)
{
fd_arr[i] = -1;
}
}
static int add_fd_arr(int fd)
{
int i = 0;
for(; i < _MAX_SIZE_; ++i)
{
if(fd_arr[i] == -1)
{
fd_arr[i] = fd;
return 0;
}
}
return 1;
}
static void remove_fd_arr(int fd)
{
int i = 0;
for(; i < _MAX_SIZE_; ++i)
{
if(fd_arr[i] == fd)
{
fd_arr[i] = -1;
break;
}
}
}
static void reload_fd_arr(fd_set* pset)
{
int i = 0;
max_fd = -1;
for(; i < _MAX_SIZE_; ++i)
{
if(fd_arr[i] != -1)
{
FD_SET(fd_arr[i], pset);
if(fd_arr[i] > max_fd)
max_fd = fd_arr[i];
}
}
}
static printf_msg(int i, const char* msg)
{
printf("client %d # %s\n", fd_arr[i], msg);
}
void Usage(const char* proc)
{
printf("%s usage: [ip] [port]\n", proc);
}
int startup(const char* _ip, const char* _port)
{
int sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if(sock < 0)
{
perror("socket");
exit(1);
}
int opt = 1;
if (setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt)) < 0)
{
perror("setsockopt");
exit(2);
}
struct sockaddr_in local;
local.sin_family = AF_INET;
local.sin_port = htons(atoi(_port));
local.sin_addr.s_addr = inet_addr(_ip);
if(bind(sock, (struct sockaddr*)&local, sizeof(local)) < 0)
{
perror("bind");
exit(3);
}
if(listen(sock, _MAX_LISTEN_) < 0)
{
perror("listen");
exit(4);
}
return sock;
}
int main(int argc, char* argv[])
{
if(argc != 3)
{
Usage(argv[0]);
return 1;
}
int listen_sock = startup(argv[1], argv[2]);
init_fd_arr();
add_fd_arr(listen_sock);
fd_set rfds;
FD_ZERO(&rfds);
struct timeval tv = {5, 0};
while(1)
{
reload_fd_arr(&rfds);
int fds = select(max_fd+1, &rfds, NULL, NULL, NULL);
switch(fds)
{
case -1:
perror("select");
exit(5);
break;
case 0:
printf("time out\n");
break;
default:
{
int index = 0;
for(; index < _MAX_SIZE_; ++index)
{
if(fd_arr[index] == listen_sock && FD_ISSET(fd_arr[index], &rfds)) //new accept
{
struct sockaddr_in peer;
socklen_t len = sizeof(peer);
int new_fd = accept(listen_sock, (struct sockaddr* )&peer, &len);
if(new_fd < 0)
{
perror("accept");
exit(6);
}
printf("get a new client %d -> ip: %s port: %d\n", new_fd, inet_ntoa(peer.sin_addr), ntohs(peer.sin_port));
if(1 == add_fd_arr(new_fd))
{
perror("fd_arr is full\n");
close(new_fd);
exit(7);
}
continue;
}
if(fd_arr[index] != -1 && FD_ISSET(fd_arr[index], &rfds)) //new read fd
{
char buf[_BUF_SIZE_];
memset(buf, ‘\0‘, sizeof(buf));
ssize_t _s = read(fd_arr[index], buf, sizeof(buf)-1);
if(_s > 0)
{
buf[_s] = ‘\0‘;
printf_msg(index, buf);
}
else if(_s == 0) //client closed
{
printf("client %d is closed...\n", fd_arr[index]);
FD_CLR(fd_arr[index], &rfds);
close(fd_arr[index]); // must before remove!!!
remove_fd_arr(fd_arr[index]);
}
else
{}
}
}
}
break;
}
}
return 0;
}
客户端
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
void Usage(const char* proc)
{
printf("usage: %s [ip] [port]\n", proc);
}
int main(int argc, char* argv[])
{
if(argc != 3)
{
Usage(argv[0]);
exit(1);
}
int conn_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
struct sockaddr_in conn;
conn.sin_family = AF_INET;
conn.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
conn.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
if(connect(conn_sock, (const struct sockaddr*)&conn, sizeof(conn)) < 0)
{
perror("connect");
exit(2);
}
char buf[1024];
memset(buf, ‘\0‘, sizeof(buf));
while(1)
{
printf("please enter # ");
fflush(stdout);
ssize_t _s = read(0, buf, sizeof(buf)-1);
if(_s > 0)
{
buf[_s-1] = ‘\0‘;
write(conn_sock, buf, strlen(buf));
}
}
return 0;
}
程序演示
使用Telnet测试
使用客户端测试
使用浏览器测试
Linux的I/O多路复用机制之--select&poll