Linux IO模型（多路复用）

【1】Linux IO模型：IO多路复用

场景假设二

假设妈妈有三个孩子，分别不同的房间里睡觉，需要及时获知每个孩子是否醒了，如何做？

1.一直在一个房间呆着：看不到其他两个孩子

2.每个房间不停的看：可以但是超级无敌累

3.听孩子哭不哭：不可行，因为只有一个信号，分辨不出来哪个孩子哭

4.妈妈在客厅呆着睡觉，孩子醒了之后会自己出来告诉妈妈醒了：既可以休息，也可以及时的获取还是是否醒了

应用程序中同时处理多路输入输出流，若采用阻塞模式，得不到预期的目的；

● 若采用非阻塞模式，对多个输入进行轮询，但又太浪费CPU时间；

● 若设置多个进程/线程，分别处理一条数据通路，将新产生进程/线程间的同步与通信问题，使程序变得更加复杂；

● 比较好的方法是使用I/O多路复用技术。其（select）基本思想是：

○ 先构造一张有关描述符的表（最大1024），然后调用一个函数。

○ 当这些文件描述符中的一个或多个已准备好进行I/O时函数才返回。

○ 函数返回时告诉进程哪个描述符已就绪，可以进行I/O操作。

select

1.特点
  1. 一个进程最多可以监听1024个文件描述符
  2. select每次被唤醒之后，要重新轮询表，效率低
  3. select每次都会清空未发生响应的文件描述符，每次都要经过用户空间拷贝内核空间，效率低，开销大
2.编程步骤
  1. 构造一张关于文件描述符的表
  2. 清空表 FD_ZERO
  3. 将关心的文件描述符添加到表中 FD_SET
  4. 调用select函数，监听 select
  5. 判断到底是哪一个或者是哪些文件描述符发生了事件 FD_ISSET
  6. 做对应的逻辑处理

3.函数接口
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,
           fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
功能：
	实现IO的多路复用
参数：
	nfds：关注的最大的文件描述符+1
    readfds：关注的读表
	writefds：关注的写表 
	exceptfds：关注的异常表
	timeout：超时的设置NULL：一直阻塞，直到有文件描述符就绪或出错
		时间值为0：仅仅检测文件描述符集的状态，然后立即返回
		时间值不为0：在指定时间内，如果没有事件发生，则超时返回0，并清空设置的时间值struct timeval {long tv_sec;		/* 秒 */long tv_usec;	/* 微秒 = 10^-6秒 */
};返回值：
	成功：准备好的文件描述符的个数
	失败：-1 0：超时检测时间到并且没有文件描述符准备好	注意：
	select返回后，关注列表中只存在准备好的文件描述符
操作表：
void FD_CLR(int fd, fd_set *set); //清除集合中的fd位
void FD_SET(int fd, fd_set *set);//将fd放入关注列表中
int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set);//判断fd是否在集合中  是--》1   不是---》0
void FD_ZERO(fd_set *set);//清空关注列表

练习：

练习一：输入鼠标的时候， 响应鼠标事件， 输入键盘的时候， 响应键盘事件 (两路IO)

#include <stdio.h>
#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>int main(int argc, char const *argv[])
{char buf[128] = {0};int fd = open("/dev/input/mouse0", O_RDONLY);if (fd < 0){perror("open err");return -1;}// 1.构造一张关于文件描述符的表
    fd_set rfds;while (1){// 2.清空表 FD_ZEROFD_ZERO(&rfds);// 3.将关心的文件描述符添加到表中 FD_SETFD_SET(fd, &rfds); // 鼠标FD_SET(0, &rfds);  // 键盘// 4.调用select函数，监听 selectint ret = select(fd + 1, &rfds, NULL, NULL, NULL);if (ret < 0){perror("select err");return -1;}// 5.判断到底是哪一个或者是哪些文件描述符发生了事件 FD_ISSETif (FD_ISSET(0, &rfds)){// 6.做对应的逻辑处理fgets(buf, sizeof(buf), stdin);printf("keybroad:%s\n", buf);}if (FD_ISSET(fd, &rfds)){read(fd, buf, sizeof(buf));printf("mouse:%s\n", buf);}memset(buf, 0, sizeof(buf));}close(fd);return 0;
}

练习二：用select创建并发服务器，可以同时连接多个客户端 （0，sockfd）（12min）

循环服务器：一个客户端可以连接多个客户端，但是不能同时

并发服务器：一个服务器可以同时处理多个客户端的请求

#include <stdio.h>
#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdlib.h>int main(int argc, char const *argv[])
{char buf[128] = {0};int acceptfd, ret;int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (sockfd < 0){perror("socket err");return -1;}printf("sockfd:%d\n", sockfd); // 3// 2.指定网络信息---------------------------》有号码struct sockaddr_in saddr, caddr;
    saddr.sin_family = AF_INET;            // IPV4
    saddr.sin_port = htons(atoi(argv[1])); // 端口号// saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.50.13"); // 虚拟机IP// saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("0.0.0.0");
    saddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;int len = sizeof(caddr);// 3.绑定套接字（bind）------------------》绑定手机（插卡）if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&saddr, sizeof(saddr)) < 0){perror("bind err");return -1;}printf("bind ok\n");// 4.监听套接字（listen）-----------------》待机if (listen(sockfd, 6) < 0){perror("listen err");return -1;}printf("listen ok\n");// 1.构造一张关于文件描述符的表
    fd_set rfds, tempfds;int maxfd; // 保存最大的文件描述符// 2.清空表 FD_ZEROFD_ZERO(&rfds);FD_ZERO(&tempfds);// 3.将关心的文件描述符添加到表中 FD_SETFD_SET(sockfd, &rfds); // sockfdFD_SET(0, &rfds);      // 键盘while (1){
        maxfd = sockfd;//将原来的表,复制给新表(备份表)
        tempfds = rfds;// 4.调用select函数，监听 select
        ret = select(maxfd + 1, &tempfds, NULL, NULL, NULL);if (ret < 0){perror("select err");return -1;}// 5.判断到底是哪一个或者是哪些文件描述符发生了事件 FD_ISSETif (FD_ISSET(0, &tempfds)){// 6.做对应的逻辑处理fgets(buf, sizeof(buf), stdin);printf("keybroad:%s\n", buf);}if (FD_ISSET(sockfd, &tempfds)){
            acceptfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&caddr, &len);if (acceptfd < 0){perror("accept err");return -1;}printf("port:%d ip:%s\n", ntohs(caddr.sin_port), inet_ntoa(caddr.sin_addr));printf("acceptfd:%d\n", acceptfd);}memset(buf, 0, sizeof(buf));}close(sockfd);return 0;
}

练习三：用select创建并发服务器，可以与多个客户端进行通信（监听键盘、socket、多个acceptfd）

#include <stdio.h>
#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdlib.h>int main(int argc, char const *argv[])
{char buf[128] = {0};int acceptfd, ret;int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (sockfd < 0){perror("socket err");return -1;}printf("sockfd:%d\n", sockfd); // 3// 2.指定网络信息---------------------------》有号码struct sockaddr_in saddr, caddr;
    saddr.sin_family = AF_INET;            // IPV4
    saddr.sin_port = htons(atoi(argv[1])); // 端口号// saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.50.13"); // 虚拟机IP// saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("0.0.0.0");
    saddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;int len = sizeof(caddr);// 3.绑定套接字（bind）------------------》绑定手机（插卡）if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&saddr, sizeof(saddr)) < 0){perror("bind err");return -1;}printf("bind ok\n");// 4.监听套接字（listen）-----------------》待机if (listen(sockfd, 6) < 0){perror("listen err");return -1;}printf("listen ok\n");// 1.构造一张关于文件描述符的表
    fd_set rfds, tempfds;int maxfd; // 保存最大的文件描述符// 2.清空表 FD_ZEROFD_ZERO(&rfds);FD_ZERO(&tempfds);// 3.将关心的文件描述符添加到表中 FD_SETFD_SET(sockfd, &rfds); // sockfdFD_SET(0, &rfds);      // 键盘
    maxfd = sockfd;while (1){// 将原来的表,复制给新表(备份表)
        tempfds = rfds;// 4.调用select函数，监听 select
        ret = select(maxfd + 1, &tempfds, NULL, NULL, NULL);if (ret < 0){perror("select err");return -1;}// 5.判断到底是哪一个或者是哪些文件描述符发生了事件 FD_ISSETif (FD_ISSET(0, &tempfds)){// 6.做对应的逻辑处理fgets(buf, sizeof(buf), stdin);printf("keybroad:%s\n", buf);}if (FD_ISSET(sockfd, &tempfds)){
            acceptfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&caddr, &len);if (acceptfd < 0){perror("accept err");return -1;}printf("port:%d ip:%s\n", ntohs(caddr.sin_port), inet_ntoa(caddr.sin_addr));printf("acceptfd:%d\n", acceptfd);// 将用于通信的文件描述符放到表中FD_SET(acceptfd, &rfds);if (acceptfd > maxfd)
                maxfd = acceptfd;// 4 5 6 7 8 9}for (int i = sockfd + 1; i <= maxfd; i++){if (FD_ISSET(i, &tempfds)){
                ret = recv(i, buf, sizeof(buf), 0);if (ret < 0){perror("recv err");break;}else if (ret == 0){printf("client exit\n");close(i);         // 关闭对应的用于通信的文件描述符FD_CLR(i, &rfds); // 将文件描述符从原表中删除//4 5 6    while (!FD_ISSET(maxfd, &rfds))
                        maxfd--;}else{printf("buf:%s\n", buf);}}}memset(buf, 0, sizeof(buf));}close(sockfd);return 0;
}

超时检测

1.概念

什么是网络超时检测呢，比如某些设备的规定，发送请求数据后，如果多长时间后没有收到来自设备的回复，那么需要做出一些特殊的处理

比如: 链接wifi的时候，等了好长时间也没有连接上，此时系统会发送一个消息： 网络连接失败；

2.必要性

1. 避免进程在没有数据时无限制的阻塞;

2.规定时间未完成语句应有的功能,则会执行相关功能;

poll

1.特点
  1. 优化了文件描述符的限制
  2. poll每次唤醒之后，需要重新轮询，效率低，耗费CPU
  3. poll不需要构造文件描述符的表，采用结构体数组，每次调用也要经过用户空间到内核空间的拷贝

2.编程步骤
  1. 创建结构体数组
  2. 将关心的文件描述符添加到数组中，并赋予事件
  3. 保存数组内最后一个有效元素的下标
  4. 调用poll函数，监听
  5. 判断结构体内文件描述符实际触发的事件
  6. 根据不同文件描述符触发的不同事件做对应的逻辑处理

3.函数接口
int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
功能: 监视并等待多个文件描述符的属性变化
参数：1.struct pollfd *fds:   关心的文件描述符数组,大小自己定义
   若想检测的文件描述符较多,则建 立结构体数组struct pollfd fds[N]; struct pollfd{int fd;	 //文件描述符short events;//等待的事件触发条件----POLLIN读时间触发short revents;	//实际发生的事件(未产生事件: 0 ))}2.   nfds:    最大文件描述符个数3.  timeout： 超时检测 (毫秒级)：1000 == 1s      
                    如果-1，阻塞          如果0,不阻塞
返回值：  <0 出错		>0 表示有事件产生;
              如果设置了超时检测时间：&tv	   ==0 表示超时时间已到;

练习：

输入键盘事件，响应键盘事件，输入鼠标事件，响应鼠标事件（两路IO）

#include <stdio.h>
#include <poll.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>int main(int argc, char const *argv[])
{int ret;char buf[128] = {0};int fd = open("/dev/input/mouse0", O_RDONLY);if (fd < 0){perror("open err");return -1;}// 1.创建结构体数组struct pollfd fds[2];// 2.将关心的文件描述符添加到数组中，并赋予事件
    fds[0].fd = 0;          // 键盘
    fds[0].events = POLLIN; // 想要发生的事件// fds[0].revents=;//实际发生的事件    fds[1].fd = fd;
    fds[1].events = POLLIN;// 3.保存数组内最后一个有效元素的下标int last = 1;// 4.调用poll函数，监听while (1){        ret = poll(fds, last + 1, 2000);if (ret < 0){perror("poll err");return -1;}else if (ret == 0){printf("time out\n");}// 5.判断结构体内文件描述符实际触发的事件if (fds[0].revents == POLLIN){// 6.根据不同文件描述符触发的不同事件做对应的逻辑处理fgets(buf, sizeof(buf), stdin);printf("keybroad:%s\n", buf);}if (fds[1].revents == POLLIN){read(fd, buf, sizeof(buf));printf("mouse:%s\n", buf);}memset(buf, 0, sizeof(buf));}close(fd);return 0;
}

练习：使用poll实现client的收发功能（下期更新答案）

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