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IO多路复用
IO多路复用
1> 引入目的
当主机没有操作系统时，或者说程序不能使用多进程或多线程完成任务的并发操作时， 我们可以引入IO多路复用的技术，完成多任务并发执行的操作
2> 事件和函数的关系
比如，scanf是一个阻塞函数，该函数完成的是输入事件 当函数先于事件发生时，函数会阻塞等待事件的到来 当函数后于事件发生时，函数就不会阻塞，直接执行#include <myhead.h> int main(int argc, const char *argv[]) { int num = 0; cin >> num; cout << num << endl; cin >> num; cout << num << endl; return 0; }
从上述例子中的第二个输入可以看出，如果事件先于函数发生，当程序再执行到函数时，函数会直接运 行，不会阻塞了
通过一个阻塞函数实现多个阻塞事件
3> IO多路复用原理图
4> IO多路复用相关函数
select、poll
5> select函数：
如果man手册中没有select函数，执行指令 sudo yum install man-pages(Cent OS)
#include <sys/select.h> int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
功能：阻塞等待文件描述符集合中是否有事件产生，如果有事件产生，则解除阻塞 参数1：文件描述符集合中，最大的文件描述符 加1 参数2、参数3、参数4：分别表示读集合、写集合、异常处理集合的起始地址 由于对于写操作而言，我们也可以转换读操作，所以，只需要使用一个集合就行 对于不使用的集合而言，直接填NULL即可 参数5：超时时间，如果填NULL表示永久等待，如果想要设置时间，需要定义一个如下结构体类型的变量，并将地址传递进去
struct timeval { long tv_sec; /* 秒数 / long tv_usec; / 微秒 / }; and struct timespec { long tv_sec; / 秒数 / long tv_nsec; / 纳秒 */ };
返回值： >0:成功返回解除本次阻塞的文件描述符的个数 =0:表示设置的超时时间，时间已经到达，但是没有事件事件产生 =-1：表示失败，置位错误码 注意：当该函数解除阻塞时，文件描述符集合中，就只剩下本次触发事件的文件描述符，其余的文 件描述符就被删除了
//专门针对于文件描述符集合提供的函数 void FD_CLR(int fd, fd_set *set); //将fd文件描述符从容器set中删除 int FD_ISSET(int fd, fd_set *set); //判断fd文件描述符，是否存在于set容器中 void FD_SET(int fd, fd_set *set); //将fd文件描述符，放入到set容器中 void FD_ZERO(fd_set *set); //清空set容器
6> select函数的基本使用方式
#include <myhead.h> #define SER_PORT 8888 //服务器端口号 #define SER_IP “192.168.31.49” //服务器IP地址 int main(int argc, const char argv[]) { //1、创建用于连接的套接字文件描述符 int sfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); //参数1：AF_INET表示使用的是ipv4的通信协议 //参数2：SOCK_STREAM表示使用的是tcp通信 //参数3：由于参数2指定了协议，参数3填0即可 if(sfd == -1) { perror(“socket error”); return -1; } printf(“socket success sfd = %d\n”, sfd); //3 //2、绑定ip地址和端口号 //2.1 填充要绑定的ip地址和端口号结构体 struct sockaddr_in sin; sin.sin_family = AF_INET; //通信域 sin.sin_port = htons(SER_PORT); //端口号 sin.sin_addr.s_addr = inet_addr(SER_IP); //ip地址 //2.2 绑定工作 //参数1：要被绑定的套接字文件描述符 //参数2：要绑定的地址信息结构体，需要进行强制类型转换，防止警告 //参数3：参数2的大小 if(bind(sfd, (struct sockaddr)&sin, sizeof(sin)) ==-1) { perror(“bind error”); return -1; } printf(“bind success\n”); //3、启动监听 //参数1：要启动监听的文件描述符 //参数2：挂起队列的长度 if(listen(sfd, 128) ==-1) { perror(“listen error”); return -1; } printf(“listen success\n”); //4、阻塞等待客户端的连接请求 //定义变量，用于接受客户端地址信息结构体 struct sockaddr_in cin; //用于接收地址信息结构体的 socklen_t socklen = sizeof(cin); //用于接收地址信息的长度 //定义文件描述符集合 fd_set readfds, tempfds; //读文件描述符集合 //将该文件描述符集合清空 FD_ZERO(&readfds); //将0号文件描述符以及sfd文件描述符放入到集合中 FD_SET(0, &readfds); FD_SET(sfd, &readfds); while(1) { //将reafds备份一份放入tempfds中 tempfds = readfds; //调用阻塞函数，完成对文件描述符集合的管理工作 int res = select(sfd+1, &tempfds, NULL, NULL, NULL); if(res == -1) { perror(“select error”); return -1; }else if(res == 0) { printf(“time out !!!\n”); return -1; } //程序执行至此，表示一定有其中至少一个文件描述符产生了事件，只需要判断哪个文件描述还在集合中 //就说明该文件描述符产生了事件 //表示sfd文件描述符触发了事件 if(FD_ISSET(sfd, &tempfds)) { int newfd = accept(sfd, (struct sockaddr *)&cin, &socklen); //参数1：服务器套接字文件描述符 //参数2：用于接收客户端地址信息结构体的容器，如果不接收，也可以填NULL //参数3：接收参数2的大小，如果参数2为NULL，则参数3也是NULL if(newfd == -1) { perror(“accept error”); return -1; } printf(”[%s:%d]:已连接成功，newfd = %d!!!!\n”, inet_ntoa(cin.sin_addr), ntohs(cin.sin_port), newfd); } //判断0号文件描述符是否产生了事件 if(FD_ISSET(0, &tempfds)) { char wbuf[128] = ""; //字符数组 fgets(wbuf, sizeof(wbuf), stdin); //从终端读取数据,阻塞函数 printf(“触发了键盘输入事件：%s\n”, wbuf); }
}close(sfd);std::cout << "Hello, World!" << std::endl;return 0;}
7> select 实现TCP并发服务器
##include <myhead.h> #define SER_PORT 8888 // 服务器端口号 #define SER_IP “192.168.189.128” // 服务器IP地址 int main(int argc, const char *argv[]) { // 1、创建用于连接的套接字文件描述符 int sfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // 参数1：AF_INET表示使用的是ipv4的通信协议 // 参数2：SOCK_STREAM表示使用的是tcp通信 // 参数3：由于参数2指定了协议，参数3填0即可 if (sfd == -1) { perror(“socket error”); return -1; } printf(“socket sfd = %d\n”, sfd);
// 2、绑定ip地址和端口号// 2.1 填充要绑定的ip地址和端口号结构体struct sockaddr_in addr;addr.sin_family = AF_INET; // 通信域addr.sin_port = htons(SER_PORT); // 端口号转换为网络字节序addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SER_IP); // IP地址转换为网络字节序
// 2.2 绑定工作// 参数1：要被绑定的套接字文件描述符// 参数2：要绑定的地址信息结构体，需要进行强制类型转换，防止警告// 参数3：参数2的大小if (bind(sfd, (const sockaddr *)&addr, sizeof(addr)) == -1){ perror("bind error"); return -1;}printf("bind success\n");
// 3、启动监听// 参数1：要启动监听的文件描述符// 参数2：挂起队列的长度if (listen(sfd, 128) == -1){ perror("listen error"); return -1;}printf("listen success\n");
// 4、阻塞等待客户端的连接请求// 定义变量，用于接受客户端地址信息结构体struct sockaddr_in cin;socklen_t len = sizeof(cin);
fd_set readfd, tempfd;FD_ZERO(&readfd);FD_SET(0, &readfd);FD_SET(sfd, &readfd);
// 定义最大文件描述符int maxfd = sfd;
// 定于地址信息结构体数组struct sockaddr_in cin_arr[1024];
while (1){ tempfd = readfd; int ret = select(maxfd + 1, &tempfd, NULL, NULL, NULL); if (ret == -1) { perror("select error"); return -1; } else if (ret == 0) { printf("time out\n"); return -1; }
if (FD_ISSET(sfd, &tempfd)) { int newfd = accept(sfd, (struct sockaddr *)&cin, &len); // 参数1：服务器套接字文件描述符 // 参数2：用于接收客户端地址信息结构体的容器，如果不接收，也可以填NULL // 参数3：接收参数2的大小，如果参数2为NULL，则参数3也是NULL
if (newfd == -1) { perror("accept error"); return -1; } printf("[%s:%d] 连接成功\n", inet_ntoa(cin.sin_addr), ntohs(cin.sin_port));
// 建立地址信息和文件描述符的索引关系 cin_arr[newfd] = cin;
// 添加新的文件描述符 FD_SET(newfd, &readfd);
if (maxfd < newfd) maxfd = newfd; }
if (FD_ISSET(0, &tempfd)) { // 将输入的信息发送到所有客户端 char wbuf[128] = ""; fgets(wbuf, sizeof(wbuf), stdin); for(int i=4;i<=maxfd;i++) { if (FD_ISSET(i, &readfd)) { if (send(i, wbuf, strlen(wbuf), 0) == -1) { perror("send error"); return -1; } printf("[%s:%d]:发送成功\n", inet_ntoa(cin_arr[i].sin_addr), ntohs(cin_arr[i].sin_port)); } } }
for (int i = 4; i <= maxfd; i++) { if (FD_ISSET(i, &tempfd)) { // 5、数据收发 char rbuf[128] = ""; // 数据容器 // 清空容器中的内容 bzero(rbuf, sizeof(rbuf)); // 从套接字中读取消息 int res = recv(i, rbuf, sizeof(rbuf), 0); if (res == 0) { printf("[%s:%d]:", inet_ntoa(cin_arr[i].sin_addr), ntohs(cin_arr[i].sin_port)); printf("对端已经下线\n"); // 6、关闭套接字 close(i); FD_CLR(i,&readfd);
continue; } printf("[%s:%d]:%s\n", inet_ntoa(cin_arr[i].sin_addr), ntohs(cin_arr[i].sin_port), rbuf); // 对收到的数据处理一下，回给客户端 strcat(rbuf, "*_*"); // 将消息发送给客户端 if (send(i, rbuf, strlen(rbuf), 0) == -1) { perror("send error"); return -1; } printf("发送成功\n"); } }}
close(sfd);
return 0;}
8> select实现TCP并发服务器的模型
sfd = socket(); //创建用于连接的套接字文件描述符 bind(); //绑定ip和端口号 listen(); //监听 fd_set readfds, tempfds; //定义文件描述符集合 FD_ZERO(); //清空容器 FD_SET(); //将文件描述符放入容器 maxfd = sfd; //记录最大的文件描述符 while(1) { tempfds = readfds; //备份一份容器 select(maxfd, &readfds, NULL, NULL, NULL); //阻塞等待集合中是否有事件产生
//判断相关文件描述符是否在集合中if(FD_ISSET(sfd, &tempfds)){ newfd = accept(); //接收客户端请求 FD_SET(newfd, &readfds); //将新文件描述符放入集合 //更新maxfd}
//判断是否是客户端发来数据for(i=4; i<=maxfd; i++){ send(); recv(); close(i); //退出客户端 FD_CLR(i, &readfds); //更新maxfd}} //关闭监听 close(sfd);
9> 使用poll实现IO多路复用
#include <poll.h> int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
功能：阻塞等待文件描述符集合中是否有事件产生，如果有，则解除阻塞，返回本次触发事件的文件描述符个数 参数1：文件描述符集合容器的起始地址，是一个结构体数组，结构体类型如下struct pollfd { int fd; /* 文件描述符 / short events; / 要等待的事件：由用户填写 / short revents; / 实际发生的事件 ：调用函数结束后，内核会自动设置*/ };
关于事件对应的位： POLLIN:读事件 POLLOUT：写事件
参数2：集合中文件描述符的个数 参数3：超时时间，负数表示永久等待，0表示非阻塞 返回值： >0:表示触发本次解除阻塞事件的文件描述符的个数 =0:表示超时 =-1:出错，置位错误码10> poll的使用实例
poll完成TCP客户端中发送数据和读取数据的并发
#include <myhead.h> #define SER_PORT 8888 // 服务器端口号 #define SER_IP “192.168.174.128” // 服务器IP地址 #define CLI_PORT 9999 // 客户端端口号 #define CLI_IP “192.168.174.128” // 客户端ip地址 int main(int argc, const char *argv[]) { // 1、创建用于通信的客户端套接字文件描述符 int cfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); if (cfd == -1) { perror(“socket error”); return -1; } printf(“socket success cfd = %d\n”, cfd); // 3 // 2、绑定ip地址和端口号(可选) // 2.1 填充要绑定的地址信息结构体 struct sockaddr_in cin; cin.sin_family = AF_INET; cin.sin_port = htons(CLI_PORT); cin.sin_addr.s_addr = inet_addr(CLI_IP); // 2.2 绑定工作 if (bind(cfd, (struct sockaddr *)&cin, sizeof(cin)) == -1) { perror(“bind error”); return -1; } printf(“bind success\n”); // 3、连接服务器 // 3.1 填充要连接的服务器地址信息结构体 struct sockaddr_in sin; sin.sin_family = AF_INET; // 通信域 sin.sin_port = htons(SER_PORT); // 端口号 sin.sin_addr.s_addr = inet_addr(SER_IP); // 服务器ip地址 // 3.2 连接工作 if (connect(cfd, (struct sockaddr *)&sin, sizeof(sin)) == -1) { perror(“connect error”); return -1; } printf(“连接服务器成功\n”); // 使用poll完成终端输入和套接字接收数据的并发执行 struct pollfd pfds[2]; // pfds[0] pfds[1] // 分别给数组中两个文件描述符成员赋值 pfds[0].fd = 0; // 表示检测0号 pfds[0].events = POLLIN; // 表示检测的是读事件 pfds[1].fd = cfd; // 检测cfd文件描述符 pfds[1].events = POLLIN; // 检测读事件 // 4、数据收发 char wbuf[128] = ""; while (1) { int res = poll(pfds, 2, -1); // 功能：阻塞等待文件描述符集合中是否有事件产生 // 参数1：文件描述符集合起始地址 // 参数2：文件描述符个数 // 参数3：表示永久等待 if (res == -1) { perror(“poll error”); return -1; } // 程序执行至此，表示文件描述符容器中，有事件产生 // 表示0号文件描述符的事件 if (pfds[0].revents == POLLIN) { // 清空容器 bzero(wbuf, sizeof(wbuf)); // 从终端获取数据 fgets(wbuf, sizeof(wbuf), stdin); // 0 wbuf[strlen(wbuf) - 1] = 0; // 将换行改成 ‘\0’ // 将数据发送给服务器 if (send(cfd, wbuf, sizeof(wbuf), 0) == -1) { perror(“send error”); return -1; } } // 表示有客户端发来消息 if (pfds[1].revents == POLLIN) { // 接受服务器发送过来的消息 if (recv(cfd, wbuf, sizeof(wbuf), 0) == 0) // cfd { printf(“对端已经下线\n”); break; } printf(“收到服务器消息为：%s\n”, wbuf); } } // 5、关闭套接字 close(cfd); std::cout << “Hello, World!” << std::endl; return 0; }
11> 总结select和poll的区别
1、select管理三个文件描述符集合，poll只管理一个，但是，可以操作很多事件 2、select管理的文件描述符有上限，一般是1024个，而poll管理文件描述符没有这个限制 3、对于效率而言，poll的效率比select的略高
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