我是一名来自帝都985高校的机械研究生

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I/O多路复用使得程序能同时监听多个文件描述符，能够提高程序的性能，Linux 下实现 I/O 多路复用的系统调用主要有 select、poll 和 epoll。

select

函数调用过程：

1. 首先要构造一个关于文件描述符的列表，将要监听的文件描述符添加到该列表中。
2. 调用一个系统函数，监听该列表中的文件描述符，直到这些描述符中的一个或者多个进行I/O操作时，该函数才返回。

• 这个函数是阻塞
• 函数对文件描述符的检测的操作是由内核完成的

3. 在返回时，它会告诉进程有多少（哪些）描述符要进行I/O操作。

// sizeof(fd_set) = 128   1024
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/select.h>
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,
     fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
- 参数：
  - nfds : 委托内核检测的最大文件描述符的值 + 1
  - readfds : 要检测的文件描述符的读的集合，委托内核检测哪些文件描述符读的属性
      - 一般检测读操作
      - 对应的是对方发送过来的数据，因为读是被动的接收数据，检测的就是读缓冲区
      - 是一个传入传出参数
  - writefds : 要检测的文件描述符的写的集合，委托内核检测哪些文件描述符写的属性
        - 委托内核检测写缓冲区是不是还可以写数据（不满的就可以写）
  - exceptfds : 检测发生异常的文件描述符的集合
  - timeout : 设置的超时时间
   
     struct timeval {
       long   tv_sec;     /* seconds */
       long   tv_usec;     /* microseconds */
     };    
      - NULL : 永久阻塞，直到检测到了文件描述符有变化
      - tv_sec = 0 tv_usec = 0， 不阻塞
      - tv_sec > 0 tv_usec > 0， 阻塞对应的时间
         
   - 返回值 :
      - -1 : 失败
      - >0(n) : 检测的集合中有n个文件描述符发生了变化

// 将参数文件描述符fd对应的标志位设置为0
void FD_CLR(int fd, fd_set *set);

// 将参数文件描述符fd对应的标志位设置为1
void FD_SET(int fd, fd_set *set);

// 判断fd对应的标志位是0还是1，
// 返回值：fd 对应标志位的值
// 0，返回0， 1，返回1
int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set);

// fd_set一共有1024 bit, 全部初始化为0
void FD_ZERO(fd_set *set);

• 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；
4. fds 集合不能重用，每次都需要重置。

#include <stdio.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/select.h>

int main() {

    // 创建socket
    int lfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    struct sockaddr_in saddr;
    saddr.sin_port = htons(9999);
    saddr.sin_family = AF_INET;
    saddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

    // 绑定
    bind(lfd, (struct sockaddr *)&saddr, sizeof(saddr));

    // 监听
    listen(lfd, 8);

    // 创建一个fd_set的集合，存放的是需要检测的文件描述符
    fd_set rdset, tmp;
    FD_ZERO(&rdset);
    FD_SET(lfd, &rdset);
    int maxfd = lfd;

    while(1) {

        tmp = rdset;

        // 调用select系统函数，让内核帮检测哪些文件描述符有数据
        int ret = select(maxfd + 1, &tmp, NULL, NULL, NULL);
        if(ret == -1) {
            perror("select");
            exit(-1);
        } else if(ret == 0) {
            continue;
        } else if(ret > 0) {
            // 说明检测到了有文件描述符的对应的缓冲区的数据发生了改变
            if(FD_ISSET(lfd, &tmp)) {
                // 表示有新的客户端连接进来了
                struct sockaddr_in cliaddr;
                int len = sizeof(cliaddr);
                int cfd = accept(lfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &len);

                // 将新的文件描述符加入到集合中
                FD_SET(cfd, &rdset);

                // 更新最大的文件描述符
                maxfd = maxfd > cfd ? maxfd : cfd;
            }

            for(int i = lfd + 1; i <= maxfd; i++) {
                if(FD_ISSET(i, &tmp)) {
                    // 说明这个文件描述符对应的客户端发来了数据
                    char buf[1024] = {0};
                    int len = read(i, buf, sizeof(buf));
                    if(len == -1) {
                        perror("read");
                        exit(-1);
                    } else if(len == 0) {
                        printf("client closed...\n");
                        close(i);
                        FD_CLR(i, &rdset);
                    } else if(len > 0) {
                        printf("read buf = %s\n", buf);
                        write(i, buf, strlen(buf) + 1);
                    }
                }
            }

        }

    }
    close(lfd);
    return 0;
}

poll

#include <poll.h>
struct pollfd {
int  fd;     /* 委托内核检测的文件描述符 */
short events;   /* 委托内核检测文件描述符的什么事件 */
short revents;   /* 文件描述符实际发生的事件 */
};

//栗子
struct pollfd myfd;
myfd.fd = 5;
myfd.events = POLLIN | POLLOUT;

int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
- 参数：
    - fds : 是一个struct pollfd 结构体数组，这是一个需要检测的文件描述符的集合
    - nfds : 这个是第一个参数数组中最后一个有效元素的下标 + 1
    - timeout : 阻塞时长
      0 : 不阻塞
      -1 : 阻塞，当检测到需要检测的文件描述符有变化，解除阻塞
      >0 : 阻塞的时长
  - 返回值：
    -1 : 失败
    >0（n） : 成功,n表示检测到集合中有n个文件描述符发生变化

#include <stdio.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <poll.h>


int main() {

    // 创建socket
    int lfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    struct sockaddr_in saddr;
    saddr.sin_port = htons(9999);
    saddr.sin_family = AF_INET;
    saddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

    // 绑定
    bind(lfd, (struct sockaddr *)&saddr, sizeof(saddr));

    // 监听
    listen(lfd, 8);

    // 初始化检测的文件描述符数组
    struct pollfd fds[1024];
    for(int i = 0; i < 1024; i++) {
        fds[i].fd = -1;
        fds[i].events = POLLIN;
    }
    fds[0].fd = lfd;
    int nfds = 0;

    while(1) {

        // 调用poll系统函数，让内核帮检测哪些文件描述符有数据
        int ret = poll(fds, nfds + 1, -1);
        if(ret == -1) {
            perror("poll");
            exit(-1);
        } else if(ret == 0) {
            continue;
        } else if(ret > 0) {
            // 说明检测到了有文件描述符的对应的缓冲区的数据发生了改变
            if(fds[0].revents & POLLIN) {
                // 表示有新的客户端连接进来了
                struct sockaddr_in cliaddr;
                int len = sizeof(cliaddr);
                int cfd = accept(lfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &len);

                // 将新的文件描述符加入到集合中
                for(int i = 1; i < 1024; i++) {
                    if(fds[i].fd == -1) {
                        fds[i].fd = cfd;
                        fds[i].events = POLLIN;
                        break;
                    }
                }

                // 更新最大的文件描述符的索引
                nfds = nfds > cfd ? nfds : cfd;
            }

            for(int i = 1; i <= nfds; i++) {
                if(fds[i].revents & POLLIN) {
                    // 说明这个文件描述符对应的客户端发来了数据
                    char buf[1024] = {0};
                    int len = read(fds[i].fd, buf, sizeof(buf));
                    if(len == -1) {
                        perror("read");
                        exit(-1);
                    } else if(len == 0) {
                        printf("client closed...\n");
                        close(fds[i].fd);
                        fds[i].fd = -1;
                    } else if(len > 0) {
                        printf("read buf = %s\n", buf);
                        write(fds[i].fd, buf, strlen(buf) + 1);
                    }
                }
            }

        }

    }
    close(lfd);
    return 0;
}

epoll

#include <sys/epoll.h>
// 创建一个新的epoll实例。在内核中创建了一个数据，这个数据中有两个比较重要的数据：
// 一个是需要检测的文件描述符的信息（红黑树）
// 还有一个是就绪列表，存放检测到数据发生改变的文件描述符信息（双向链表）

int epoll_create(int size);
- 参数：
    size : 目前没有意义了。随便写一个数，必须大于0
- 返回值：
    -1 : 失败
    > 0 : 文件描述符，操作epoll实例的

  
// 对epoll实例进行管理：添加文件描述符信息，删除信息，修改信息
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
- 参数：
  - epfd : epoll实例对应的文件描述符
  - op : 要进行什么操作
    EPOLL_CTL_ADD:  添加
    EPOLL_CTL_MOD: 修改
    EPOLL_CTL_DEL: 删除
  - fd : 要检测的文件描述符
  - event : 检测文件描述符对应的检测事件

    struct epoll_event {
    uint32_t   events;    /* Epoll events */
    epoll_data_t data;     /* User data variable */
    };

    常见的 Epoll 检测事件：
      - EPOLLIN
      - EPOLLOUT
      - EPOLLERR
      
    typedef union epoll_data {
    void     *ptr;
    int      fd;
    uint32_t   u32;
    uint64_t   u64;
    } epoll_data_t;

// 检测函数        
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);
- 参数：
  - epfd : epoll实例对应的文件描述符
  - events : 传出参数，保存发送变化的文件描述符的信息
  - maxevents : 第二个参数结构体数组的大小
  - timeout : 阻塞时间
    - 0 : 不阻塞
    - -1 : 阻塞，直到检测到fd数据发生变化，解除阻塞
    - > 0 : 阻塞的时长（毫秒）
       
- 返回值：
  - 成功，返回发送变化的文件描述符的个数 > 0
  - 失败 -1

#include <stdio.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/epoll.h>

int main() {

    // 创建socket
    int lfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    struct sockaddr_in saddr;
    saddr.sin_port = htons(9999);
    saddr.sin_family = AF_INET;
    saddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

    // 绑定
    bind(lfd, (struct sockaddr *)&saddr, sizeof(saddr));

    // 监听
    listen(lfd, 8);

    // 调用epoll_create()创建一个epoll实例
    int epfd = epoll_create(100);

    // 将监听的文件描述符相关的检测信息添加到epoll实例中
    struct epoll_event epev;
    epev.events = EPOLLIN;
    epev.data.fd = lfd;
    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, lfd, &epev);

    struct epoll_event epevs[1024];

    while(1) {

        int ret = epoll_wait(epfd, epevs, 1024, -1);
        if(ret == -1) {
            perror("epoll_wait");
            exit(-1);
        }

        printf("ret = %d\n", ret);

        for(int i = 0; i < ret; i++) {

            int curfd = epevs[i].data.fd;

            if(curfd == lfd) {
                // 监听的文件描述符有数据达到，有客户端连接
                struct sockaddr_in cliaddr;
                int len = sizeof(cliaddr);
                int cfd = accept(lfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &len);

                epev.events = EPOLLIN;
                epev.data.fd = cfd;
                epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, cfd, &epev);
            } else {
                if(epevs[i].events & EPOLLOUT) {
                    continue;
                }   
                // 有数据到达，需要通信
                char buf[1024] = {0};
                int len = read(curfd, buf, sizeof(buf));
                if(len == -1) {
                    perror("read");
                    exit(-1);
                } else if(len == 0) {
                    printf("client closed...\n");
                    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, curfd, NULL);
                    close(curfd);
                } else if(len > 0) {
                    printf("read buf = %s\n", buf);
                    write(curfd, buf, strlen(buf) + 1);
                }

            }

        }
    }

    close(lfd);
    close(epfd);
    return 0;
}

• Epoll 的工作模式：

1. LT 模式 （水平触发）

假设委托内核检测读事件 -> 检测fd的读缓冲区

读缓冲区有数据 - > epoll检测到了会给用户通知

a. 用户不读数据，数据一直在缓冲区，epoll 会一直通知

b. 用户只读了一部分数据，epoll会通知

c. 缓冲区的数据读完了，不通知

LT（level - triggered）是缺省的工作方式，并且同时支持 block 和 no-block socket。在这种做法中，内核告诉你一个文件描述符是否就绪了，然后你可以对这个就绪的 fd 进行 IO 操作。如果你不作任何操作，内核还是会继续通知你的。

2. ET 模式（边沿触发）

假设委托内核检测读事件 -> 检测fd的读缓冲区

读缓冲区有数据 - > epoll检测到了会给用户通知

a. 用户不读数据，数据一直在缓冲区中，epoll下次检测的时候就不通知了

b. 用户只读了一部分数据，epoll不通知

c. 缓冲区的数据读完了，不通知

ET（edge - triggered）是高速工作方式，只支持 no-block socket。在这种模式下，当描述符从未就绪变为就绪时，内核通过epoll告诉你。然后它会假设你知道文件描述符已经就绪，并且不会再为那个文件描述符发送更多的就绪通知，直到你做了某些操作导致那个文件描述符不再为就绪状态了。但是请注意，如果一直不对这个 fd 作 IO 操作（从而导致它再次变成未就绪），内核不会发送更多的通知（only once）。

ET 模式在很大程度上减少了 epoll 事件被重复触发的次数，因此效率要比 LT 模式高。epoll工作在 ET 模式的时候，必须使用非阻塞套接口，以避免由于一个文件句柄的阻塞读/阻塞写操作把处理多个文件描述符的任务饿死。

struct epoll_event {
uint32_t   events;    /* Epoll events */
epoll_data_t data;     /* User data variable */
};

//常见的Epoll检测事件：
  - EPOLLIN
  - EPOLLOUT
  - EPOLLERR
  - EPOLLET