Linux C IO复用

IO复用

  • 概述
  • IO模型
    • 阻塞式IO
    • 非阻塞式IO
    • IO复用
      • select、poll、epoll异同
    • 信号驱动式IO
    • 异步IO
  • select函数
    • select示例代码
  • poll函数
    • poll示例代码
  • epoll函数
    • 创建  epoll_create
    • 注册、修改、删除  epoll_ctl
    • 轮询 I/O 事件的发生  epoll_wait
    • epoll示例代码
  • 基于TCP和epoll在线多人聊天室服务器例子

概述

  什么是IO复用呢?I/O复用(I/O multiplexing),指的是通过一个支持同时感知多个描述符的函数系统调用,阻塞在这个系统调用上,等待某一个或者几个描述符准备就绪,就返回可读条件。
  IO多路复用解决了什么问题呢?当多个客户端与服务器通信时,若服务器阻塞在其中一个客户的read(sockfd1,…),当另一个客户数据到达sockfd2时,服务器无法及时处理,此时需要用到IO多路复用。即同时监听n个客户,当其中有一个发来消息时就从select的阻塞中返回,然后调用read读取收到消息的sockfd,然后又循环回select阻塞。这样就解决了阻塞在一个消息而无法处理其它的。即用来解决对多个I/O监听时,一个I/O阻塞影响其他I/O的问题。
  这时候大家可能会想到线程和进程也能做到这样的效果啊(基于tcp多线程在线聊天室例子)?但是,CPU切换进程和线程的成本是很高的,这也正是IO复用的优点,可以做到用更少的资源完成更多的事

IO模型

在这里插入图片描述

阻塞式IO

  这种类型的IO会阻塞等待到有输入。这类IO大部分时间处于睡眠态、阻塞态、挂起态。优点是不占用 CPU 宝贵的时间片,但是同一时刻只能处理一个操作、效率比较低。
  如何理解呢?就像你在家里睡觉,等着你的外卖送到,送到了给你打电话你才起床去拿外卖。如果一次性到了很多外卖,你也只能一个电话一个电话去接听,然后挨着拿。
  应用场景多为多进程、多线程的TCP 并发服务器、客户端。

非阻塞式IO

  该种类型的IO需要程序轮询检测输入,如果有输入就调用IO进行读取数据。优点是提高了程序的执行效率,但是需要占用更多的 CPU 和系统资源,使得 CPU 负荷增高。
  我们还举外卖的例子。这种情况就像你非常饿,一直顶着配送地图,一分钟刷新一次地图,看看到了没,到了你就立即下楼去拿,拿完了继续刷新地图看看别的还有多久到。

IO复用

  这类IO采用阻塞式IO+组长机制。多路IO共用一个同步阻塞接口,任意IO可操作都可激活IO操作。它能同时等待多个文件描述符,而这些文件描述符其中的任意一个进入读就绪状态,函数就可以返回。
  IO复用包含了select、poll和epoll。其中select相当于你家楼下放外卖的桌子,你得自己挨个外卖看一遍,直达找到你的外卖。而epoll像外卖柜,你只要看一下手机就知道你的外卖在哪个柜子里面。

select、poll、epoll异同

相同之处:
1 . 都可以用于监听多个文件描述符的读写事件。
2 . 都是阻塞式的,即当没有任何事件发生时,它们都会一直阻塞等待。
3 . 都可以通过设置超时时间来控制阻塞等待的时间。
不同之处:
1 . select和poll使用轮询的方式来检查所有的文件描述符,而epoll使用回调的方式,只有在有事件发生时才会调用回调函数。
2 . select和poll的文件描述符集合是通过参数传递给函数的,而epoll使用epoll_ctl函数来注册和删除文件描述符,通过epoll_wait函数来等待事件。
3 . select和poll对于大量的文件描述符来说,性能会下降,因为每次都需要遍历整个文件描述符集合,而epoll使用红黑树来存储文件描述符,效率更高。
4 . select和poll支持的文件描述符数量有一定的限制,而epoll没有明确的限制。
  总的来说,epoll相对于select和poll来说,在处理大量的并发连接时性能更好,并且使用更方便。

信号驱动式IO

  注册一个IO信号事件,在数据可操作时通过SIGIO信号通知线程,这应该算是一种异步机制.

异步IO

  应用进程通知内核开始一个异步I/O操作,并让内核在整个操作(包含将数据从内核复制到应该进程的缓冲区)完成后通知应用进程。例如POSIX 的&IO _系列函数。

select函数

头文件:
  #include <sys/select.h>
  #include <sys/time.h>
  #include <sys/types.h>
  #include <unistd.h>
函数原型:int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
参数介绍:
  nfds:集合中所有文件描述符的范围,即所有文件描述符的最大值+1。
  readfds:监听的读事件文件描述符集合。
  writefds:监听的写事件文件描述符集合。
  exceptfds:意外文件描述符集合。
  timeout:
>    永远等待--空指针
    等待固定时间--timeval结构体内的时间

返回值:返回值是一个整数,表示有多少个文件描述符已经就绪。如果返回0,表示在指定的超时时间内没有任何文件描述符就绪;如果返回-1,表示发生错误。

//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(遍历检测函数)
//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(在初始化时用到以免里面有垃圾值)
	
	fd_set readfds;
	FD_ZERO(&readfds);//清空
	FD_SET(socketfd,&readfds); //用来设置描述词组 set 中相关 socketfd-fd 的位
	fd_set changeReadfds = readfds;
	int count = select(nfds,&useChangeReadfds, NULL,NULL,0);

select示例代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/wait.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <time.h>
#include <sys/select.h>
typedef struct sockaddr  SA;
typedef struct sockaddr_in  SIN;
#define MAXBACKLOG   100

int Socket(int domain,int type,int protocol);
int Bind(int sockfd,struct sockaddr * my_addr,int addrlen);
int Listen(int s,int backlog);
int Accept(int s,struct sockaddr * addr,int * addrlen);
void *  clientRecvDataFunction(void * arg);

//运行格式 ./app 192.168.5.166  8888
int main(int argc,char *argv[])
{	
	int  opt =1;
	//建立监听套接字
	int socketfd = Socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
	//需要进行重用地址及其端口号
	setsockopt(socketfd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&opt,sizeof(opt));
	//绑定信息编写服务器信息
	SIN   serverinfo;
	serverinfo.sin_family =AF_INET;		//协议IPV4
	serverinfo.sin_port   =htons(atoi(argv[2]));	//网络字节序(大端字节序)与主机字节序(小端字节序)  
	serverinfo.sin_addr.s_addr=  inet_addr(argv[1]);
	int addrlen = sizeof(SIN);
	Bind(socketfd,(SA*)&serverinfo,addrlen);
	//监听
	Listen(socketfd,MAXBACKLOG);
	//select函数参数填写
	int nfds = socketfd+1;
	fd_set readfds;		//栈区定义  先清空  再写入位
	FD_ZERO(&readfds);	//清空
	FD_SET(socketfd,&readfds); //用来设置描述词组set中相关socketfd-fd的位
	//读写
	while(1)
	{
		fd_set useChangeReadfds = readfds;
		int count = select(nfds,&useChangeReadfds, NULL,NULL,0);
		if(count >0)
		{
			//文件描述符socketfd调用accept
			if(FD_ISSET(socketfd,&useChangeReadfds))
			{
				SIN clientinfo;
				int  clientaddrlen =sizeof(SA);
				int newfd = Accept(socketfd,(SA*)&clientinfo,&clientaddrlen);
				printf("客户端地址:%s 端口号:%d\n",inet_ntoa(clientinfo.sin_addr),ntohs(clientinfo.sin_port));
				//将新的文件描述符添加至readfds
				FD_SET(newfd,&readfds);
				//调整检测范围
				newfd >= nfds?(nfds++):(nfds =nfds);
			}
			//文件描述符非socketfd调用read
			else
			{
				for(int startFd = socketfd+1; startFd < nfds;startFd++)
				{
					if(FD_ISSET(startFd,&useChangeReadfds))
					{
						//读取客户端发送来的数据
						char readbuff[512]={0};
						int len = read(startFd,readbuff,sizeof(readbuff));
						if(len > 0)
						{
							printf("%d:%s\n",startFd,readbuff);
						}
						else if(len == 0)
						{
							printf("%d:客户端退出\n",startFd);
							FD_CLR(startFd,&readfds);
							//存在弊端nfds不好调整
							close(startFd);
						}
						else if(len < 0)
						{
							printf("%d:客户端异常退出\n",startFd);
							FD_CLR(startFd,&readfds);
							//存在弊端nfds不好调整
							close(startFd);
						}
					}
				}
			}
		}
	}
	//关闭
	close(socketfd);
	return 0;
}
int Socket(int domain,int type,int protocol)
{
	int socketFd = socket(domain,type,protocol);
	if(socketFd ==-1)
	{
		perror("socket");
		exit(1);
	}
	return socketFd;
}
int Bind(int sockfd,struct sockaddr * my_addr,int addrlen)
{
	int val = bind(sockfd,my_addr,addrlen);
	if(val)
	{
		perror("bind");
		exit(1);
	}
	return 0;
}
int Listen(int s,int backlog)
{
	int val = listen(s,backlog);
	if(val == -1)
	{
		perror("listen");
		exit(1);
	}
	return val;
}
int Accept(int s,struct sockaddr * addr,int * addrlen)
{
	int NEWfd= accept(s,addr,addrlen);
	if(NEWfd == -1)
	{
		perror("listen");
		exit(1);
	}
	return NEWfd;
}

poll函数

头文件:
  #include <poll.h>
函数原型:int poll(struct pollfd fd[], nfds_t nfds, int timeout);
参数介绍:
  fd[]:文件描述符结构体。
  nfds:指定结构体数组元素个数。
  timeout:
在这里插入图片描述

返回值:成功时 poll() 返回结构体中 revents 域不为 0 的文件描述符个数,如果在超时前没有任何事件发生,poll()返回 0。

//struct pollfd结构体内容
struct pollfd
{
	int fd; //文件描述符 所要检测的文件描述符
	short events; //请求的事件 检测文件描述符的事件
	short revents; //返回的事件(内核给的反馈)
};
	struct pollfd fds[1025];
	//清空结构体数组
	//清空结构体数组
	for(int i = 0;i < sizeof(fds)/sizeof(struct pollfd);i++)
	{
		fds[i].fd = -1;
	}
	//初始化填入 socketfd;
	fds[0].fd = socketfd; //文件描述符
	fds[0].events = POLLIN; //读事件
	//nfds 用来指定第一个参数数组元素个数;
	int nfds = 1;
	
	int count = poll(fds,nfds, -1);

poll示例代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/wait.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <time.h>
#include <poll.h>
typedef struct sockaddr  SA;
typedef struct sockaddr_in  SIN;
#define MAXBACKLOG   100

int Socket(int domain,int type,int protocol);
int Bind(int sockfd,struct sockaddr * my_addr,int addrlen);
int Listen(int s,int backlog);
int Accept(int s,struct sockaddr * addr,int * addrlen);
void *  clientRecvDataFunction(void * arg);

//./app 192.168.5.166  8888
int main(int argc,char *argv[])
{	
	int  opt =1;
	//建立监听套接字
	int socketfd = Socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
	//需要进行重用地址及其端口号
	setsockopt(socketfd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&opt,sizeof(opt));
	//绑定信息编写服务器信息
	SIN   serverinfo;
	serverinfo.sin_family =AF_INET;		//协议IPV4
	serverinfo.sin_port   =htons(atoi(argv[2]));
	serverinfo.sin_addr.s_addr=  inet_addr(argv[1]);
	int addrlen = sizeof(SIN);
	Bind(socketfd,(SA*)&serverinfo,addrlen);
	//监听
	Listen(socketfd,MAXBACKLOG);
	//pollt函数参数填写
	struct pollfd fds[1025];
	//清空结构体数组
	for(int i = 0;i < sizeof(fds)/sizeof(struct pollfd);i++)
	{
		fds[i].fd = -1;
	}
	//初始化填入socketfd;
	fds[0].fd = socketfd;		//文件描述符
	fds[0].events = POLLIN;		//读事件
	//nfds用来指定第一个参数数组元素个数;
	int nfds = 1;
	//读写
	while(1)
	{
		int count = poll(fds,nfds, -1);
		if(count > 0)
		{
			//检查fds[0]的fd是否发生动作------>accept
			if(fds[0].revents == POLLIN)
			{
				SIN clientinfo;
				int  clientaddrlen =sizeof(SA);
				int newfd = Accept(socketfd,(SA*)&clientinfo,&clientaddrlen);
				printf("客户端地址:%s 端口号:%d\n",inet_ntoa(clientinfo.sin_addr),ntohs(clientinfo.sin_port));
				//需要将newfd放至fds中
				for(int i = 0; i < sizeof(fds)/sizeof(struct pollfd);i++)
				{
					if(fds[i].fd == -1)
					{
						fds[i].fd = newfd;			//文件描述符
						fds[i].events = POLLIN;		//读事件
						i >= nfds?(nfds++):(nfds =nfds);	//nfds与下标有联系
						break;
					}
				}
				 
			}
			else
			{
				//检查fds[>0]的是否发送动作-------->read
				for(int startfd = 1;startfd<nfds;startfd++)
				{
					if(fds[startfd].revents == POLLIN)
					{
						char readbuff[512]={0};
						int len = read(fds[startfd].fd,readbuff,sizeof(readbuff));
						if(len > 0)
						{
							printf("%d:%s\n",fds[startfd].fd,readbuff);
						}
						else if(len == 0)
						{
							printf("%d:客户端退出\n",fds[startfd].fd);
							//归位处理
							close(fds[startfd].fd);
							fds[startfd].fd=-1;
						}
						else if(len < 0)
						{
							printf("%d:客户端异常退出\n",fds[startfd].fd);
							//归位处理
							close(fds[startfd].fd);
							fds[startfd].fd=-1;
						}
					}
				}
			}
			
			
		}
	}
	//关闭
	close(socketfd);
	return 0;
}
//下面的函数与select相同

epoll函数

创建  epoll_create

头文件:
  #include <sys/epoll.h>
函数原型:int epoll_create(int size)
参数介绍:
  size:标识这个监听的数目最大有多大。
返回值: 成功时,这些系统调用将返回非负文件描述符。如果出错,则返回-1,并且将errno设置为指示错误。

	int epollfd = epoll_create(1024);

注册、修改、删除  epoll_ctl

头文件:
  #include <sys/epoll.h>
函数原型:int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
参数介绍:
  epfd: epoll 专用的文件描述符。
  op:要进行的操作,EPOLL_CTL_ADD 注册、EPOLL_CTL_MOD 修改、EPOLL_CTL_DEL 删除。
  fd:关联的文件描述符。
  event:指向 epoll_event 的指针。
返回值:成功返回1,失败返回0.

//结构体 epoll_event 被用于注册所感兴趣的事件和回传所发生待处理的事件,定义如下:
typedef union epoll_data_t { //联合体
	void *ptr;
	int fd; //比较常用
	__uint32_t u32;
	__uint64_t u64;
} epoll_data_t;//保存触发事件的某个文件描述符相关的数据

struct epoll_event {
	 __uint32_t events; /* epoll event */
	 epoll_data_t data; /* User data variable */
};
/*其中 events 表示感兴趣的事件和被触发的事件,可能的取值为:
EPOLLIN:表示对应的文件描述符可以读;
EPOLLOUT:表示对应的文件描述符可以写;
EPOLLPRI:表示对应的文件描述符有紧急的数可读;
EPOLLERR:表示对应的文件描述符发生错误;
EPOLLHUP:表示对应的文件描述符被挂断;
EPOLLET: ET 的 epoll 工作模式;*/

	struct epoll_event event;
	event.events = EPOLLIN; //事件成员
	event.data.fd = socketfd; //数据
	epoll_ctl(epollfd,EPOLL_CTL_ADD,socketfd, &event);

轮询 I/O 事件的发生  epoll_wait

头文件:
  #include <sys/epoll.h>
函数原型:int epoll_wait(int epfd,struct epoll_event * events,int maxevents,int timeout);
参数介绍:
  epfd:epoll 专用的文件描述符。
  events:回传处理事件的数组。
  maxevents:每次能处理的事件数。
  timeout:等待 I/O 事件发生的超时值。
返回值:返回发生的事件数,失败返回-1。

	int count = epoll_wait(epollfd,events,10,-1);

epoll示例代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/wait.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <time.h>
#include <sys/epoll.h>

typedef struct sockaddr  SA;
typedef struct sockaddr_in  SIN;
#define MAXBACKLOG   100

int Socket(int domain,int type,int protocol);
int Bind(int sockfd,struct sockaddr * my_addr,int addrlen);
int Listen(int s,int backlog);
int Accept(int s,struct sockaddr * addr,int * addrlen);
void *  clientRecvDataFunction(void * arg);

//./app 192.168.5.166  8888
int main(int argc,char *argv[])
{	
	int  opt =1;
	//建立监听套接字
	int socketfd = Socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
	//需要进行重用地址及其端口号
	setsockopt(socketfd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&opt,sizeof(opt));
	//绑定信息编写服务器信息
	SIN   serverinfo;
	serverinfo.sin_family =AF_INET;		//协议IPV4
	serverinfo.sin_port   =htons(atoi(argv[2]));
	serverinfo.sin_addr.s_addr=  inet_addr(argv[1]);
	int addrlen = sizeof(SIN);
	Bind(socketfd,(SA*)&serverinfo,addrlen);
	//监听
	Listen(socketfd,MAXBACKLOG);
	//epollt创建根节点
	int epollfd = epoll_create(1024);
	//添加socketfd文件描述符至内核 红黑树
	struct epoll_event event;
	event.events = EPOLLIN;			//事件成员
	event.data.fd = socketfd;		//数据
	epoll_ctl(epollfd,EPOLL_CTL_ADD,socketfd, &event);
	//读写
	while(1)
	{
		struct epoll_event  events[10];
		int count = epoll_wait(epollfd,events,10,-1);
		if(count > 0)
		{
			for(int i = 0; i< count;i++)
			{
				if(events[i].events == EPOLLIN)
				{
					if(events[i].data.fd==socketfd)
					{
						//等待连接
						SIN clientinfo;
						struct epoll_event event;
						int  clientaddrlen =sizeof(SA);
						int newfd = Accept(socketfd,(SA*)&clientinfo,&clientaddrlen);
						printf("客户端地址:%s 端口号:%d\n",inet_ntoa(clientinfo.sin_addr),ntohs(clientinfo.sin_port));
						//需要将newfd放至红黑树中
						event.events = EPOLLIN;			//事件成员
						event.data.fd = newfd;			//数据
						epoll_ctl(epollfd,EPOLL_CTL_ADD,newfd, &event);
					}
					else
					{
						//read
						char readbuff[512]={0};
						int len = read(events[i].data.fd,readbuff,sizeof(readbuff));
						if(len > 0)
						{
							printf("%d:%s\n",events[i].data.fd,readbuff);
						}
						else if(len == 0)
						{
							printf("%d:客户端退出\n",events[i].data.fd);
							epoll_ctl(epollfd,EPOLL_CTL_DEL,events[i].data.fd,NULL);
							close(events[i].data.fd);
						}
						else if(len < 0)
						{
							printf("%d:客户端异常退出\n",events[i].data.fd);
							epoll_ctl(epollfd,EPOLL_CTL_DEL,events[i].data.fd,NULL);
							close(events[i].data.fd);
						}
					}
				}
			}
		}
	}
	//关闭
	close(socketfd);
	return 0;
}
//下面的函数与select相同

基于TCP和epoll在线多人聊天室服务器例子

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华为obs上传下载-Java版 2023-11-23

弄了半天&#xff0c;老师帮弄成功了&#xff0c;经过同意&#xff0c;分享到网上&#xff0c;希望能帮助更多人&#xff0c;至于怎么弄的&#xff0c;我也不知道。 创建idea项目后&#xff0c;项目结构&#xff0c;对应文件没有的创一个 pom.xm 注意改Java版本&#xff0c;我…

解决Vision Transformer在任意尺寸图像上微调的问题:使用timm库

解决Vision Transformer在任意尺寸图像上微调的问题&#xff1a;使用timm库 文章目录 一、ViT的微调问题的本质二、Positional Embedding如何处理1&#xff0c;绝对位置编码2&#xff0c;相对位置编码3&#xff0c;对位置编码进行插值 三、Patch Embedding Layer如何处理四、使…

算法设计与分析复习--分支界限法

文章目录 上一篇分支界限法性质装载问题0-1背包问题单源最短路问题最大团问题下一篇 上一篇 算法设计与分析复习–回溯法&#xff08;二&#xff09; 分支界限法性质 分支界限法是按广度优先策略或最小耗费优先遍历问题的解空间树。 搜索解空间&#xff1a; 子集树排列树 …

轻量级压测工具Apache Bench实战

&#x1f4e2;专注于分享软件测试干货内容&#xff0c;欢迎点赞 &#x1f44d; 收藏 ⭐留言 &#x1f4dd; 如有错误敬请指正&#xff01;&#x1f4e2;交流讨论&#xff1a;欢迎加入我们一起学习&#xff01;&#x1f4e2;资源分享&#xff1a;耗时200小时精选的「软件测试」资…

【c++】——类和对象(下) 万字解答疑惑

作者:chlorine 专栏:c专栏 目录 &#x1f6a9;再谈构造函数 &#x1f393;构造函数体赋值 &#x1f393;初始化列表 &#x1f6a9;explicit关键字 &#x1f6a9;static成员 &#x1f393;概念 面试题&#xff1a;计算创建多少个类对象 &#x1f393;特性 【问题】(非)…

香蕉派BPI-M4 Zero单板计算机采用全志H618,板载2GRAM内存

Banana Pi BPI-M4 Zero 香蕉派 BPI-M4 Zero是BPI-M2 Zero的最新升级版本。它在性能上有很大的提高。主控芯片升级为全志科技H618 四核A53, CPU主频提升25%。内存升级为2G LPDDR4&#xff0c;板载8G eMMC存储。它支持5G WiFi 和蓝牙, USB接口也升级为type-C。 它具有与树莓派 …

内部网关协议_路由信息协议RIP_开放路径优先OSPF协议_基本知识

目录: 因特网路由选择协议概述 路由信息协议RIP 开放路径优先OSPF协议 因特网路由选择协议概述 一.路由选择分类 静态路由选择和动态路由选择 静态路由选择: 采用人工配置的方式给路由器添加网络路由、默认路由和特定主机路由等路由条目。静态路由选择简单、开销小&#…

在Spring Boot中使用ECharts绘制数据图表

使用ECharts来完成一些花里胡哨的图表吧&#xff0c;一般这种需求我们在我们的客户端不太常见&#xff0c;但是&#xff0c;我们在后端进行各种数据统计的时候就会发现ECharts的优点了&#xff0c;比如我们常常做的柱状图&#xff0c;折线图&#xff0c;雷达图等可视化形式&…
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