前言：我们在上一讲 Linux 网络编程的5种IO模型：阻塞IO与非阻塞IO，对于其中的 阻塞/非阻塞IO 进行了说明。
这一讲我们来看 多路复用机制。
IO复用模型 ( I/O multiplexing )
所谓I/O多路复用机制，就是说通过一种机制，可以监视多个描述符，一旦某个描述符就绪（一般是读就绪或者写就绪），能够通知程序进行相应的读写操作。这种机制的使用需要额外的功能来配合： select、poll、epoll。
select、poll，epoll本质上都是同步I/O，因为他们都需要在读写事件就绪后自己负责进行读写，也就是说这个读写过程是阻塞的。
select时间复杂度O(n)：它仅仅知道了，有I/O事件发生了，却并不知道是哪那几个流（可能有一个，多个，甚至全部），我们只能无差别轮询所有流，找出能读出数据，或者写入数据的流，对他们进行操作。所以select具有O(n)的无差别轮询复杂度，同时处理的流越多，无差别轮询时间就越长。
poll时间复杂度O(n)：poll本质上和select没有区别，它将用户传入的数组拷贝到内核空间，然后查询每个fd对应的设备状态， 但是它没有最大连接数的限制，原因是它是基于链表来存储的.
epoll时间复杂度O(1)：epoll可以理解为event poll，不同于忙轮询和无差别轮询，epoll会把哪个流发生了怎样的I/O事件通知我们。所以我们说epoll实际上是事件驱动（每个事件关联上fd）的，此时我们对这些流的操作都是有意义的。（复杂度降低到了O(1)）
在多路复用IO模型中，会有一个内核线程不断去轮询多个socket的状态，只有当真正读写事件发生时，才真正调用实际的IO读写操作。因为在多路复用IO模型中，只需要使用一个线程就可以管理多个socket，系统不需要建立新的进程或者线程，也不必维护这些线程和进程，并且只有在真正有读写事件进行时，才会使用IO资源，所以它大大减少了资源占用。
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select
使用select来监视文件描述符时，要向内核传递的信息包括：
- 1、我们要监视的文件描述符个数
- 2、每个文件描述符，我们可以监视它的一种或多种状态，包括：可读，可写，发生异常三种。
- 3、要等待的时间，监视是一个过程，我们希望内核监视多长时间，然后返回给我们监视结果呢？（可以永远等待，等待一段时间，或者不等待直接返回）
- 4、监视结果包括：准备好了的文件描述符个数，对于读，写，异常，分别是哪儿个文件描述符准备好了。
fd_set 模型的原理（理解select模型的关键在于理解fd_set，假设取fd_set长度为1字节）：
-
fd_set中的每一位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。
-
执行FD_ZERO(&set);则set用位表示是0000,0000。
-
若fd＝5,执行FD_SET(fd,&set);后set变为0001,0000(第5位置为1)
若再加入fd＝2，fd=1，则set变为0001,0011 、执行select(6,&set,0,0,0)阻塞等待… -
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：
（1)可监控的文件描述符个数取决与sizeof(fd_set)的值。我这边服务器上sizeof(fd_set)＝512，每bit表示一个文件描述符，则我服务器上支持的最大文件描述符是512*8=4096。据说可调，另有说虽然可调，但调整上限受于编译内核时的变量值。
（2）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，一是用于在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。
（3）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判断是否有事件发生）
select 实现原理
1、使用copy_from_user从用户空间拷贝fd_set到内核空间
2、注册回调函数__pollwait
3、遍历所有fd，调用其对应的poll方法（对于socket，这个poll方法是sock_poll，sock_poll根据情况会调用到tcp_poll,udp_poll或者datagram_poll）
4、以tcp_poll为例，其核心实现就是__pollwait，也就是上面注册的回调函数。
5、__pollwait的主要工作就是把current（当前进程）挂到设备的等待队列中，不同的设备有不同的等待队列，对于tcp_poll来说，其等待队列是sk->sk_sleep（注意：把进程挂到等待队列中并不代表进程已经睡眠了）。在设备收到一条消息（网络设备）或填写完文件数据（磁盘设备）后，会唤醒设备等待队列上睡眠的进程，这时current便被唤醒了。
6、poll方法返回时会返回一个描述读写操作是否就绪的mask掩码，根据这个mask掩码给fd_set赋值。
7、如果遍历完所有的fd，还没有返回一个可读写的mask掩码，则会调用schedule_timeout是调用select的进程（也就是current）进入睡眠。当设备驱动发生自身资源可读写后，会唤醒其等待队列上睡眠的进程。如果超过一定的超时时间（schedule_timeout 指定），还是没人唤醒，则调用select的进程会重新被唤醒获得CPU，进而重新遍历fd，判断有没有就绪的fd。
8、把fd_set从内核空间拷贝到用户空间。
select的几大缺点：
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
/* According to POSIX.1-2001, POSIX.1-2008 */
#include <sys/select.h>
/* According to earlier standards */
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,
fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
void FD_CLR(int fd, fd_set *set); //清除某一个被监视的文件描述符。
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set); //测试一个文件描述符是否是集合中的一员
void FD_SET(int fd, fd_set *set); //添加一个文件描述符，将set中的某一位设置成1；
void FD_ZERO(fd_set *set); //清空集合中的文件描述符，将每一位都设置为0；
#include <sys/select.h>
int pselect(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,
fd_set *exceptfds, const struct timespec *timeout,
const sigset_t *sigmask);
struct timeval{
long tv_sec; //秒
long tv_usec;//微秒
}
struct timespec{
time_t tv_sec;//秒
long tv_nsec;//纳秒
}
select和pselect有三个主要的区别：
1、select超时使用的是struct timeval，用秒和微秒计时，而pselect使用struct timespec ，用秒和纳秒。
2、select会更新超时参数timeout 以指示还剩下
sigset_t origmask;
sigprocmask(SIG_SETMASK, &sigmask, &origmask);
ready = select(nfds, &readfds, &writefds, &exceptfds, timeout);
sigprocmask(SIG_SETMASK, &origmask, NULL);
sigmask:这个参数保存了一组内核应该打开的信号（即：从调用线程的信号掩码中删除）
当pselect的sigmask 为 NULL时pselect和select一样；当sigmask！=NULL时，等效于以下原子操作：
sigset_t origmask;
sigprocmask(SIG_SETMASK, &sigmask, &origmask);
ready = select(nfds, &readfds, &writefds, &exceptfds, timeout);
sigprocmask(SIG_SETMASK, &origmask, NULL);
接收信号的程序通常只使用信号处理程序来引发全局标志。全局标志将指示事件必须被处理。在程序的主循环中。一个信号将导致select和pselect返回-1 并将erron=EINTR。
我们经常要在主循环中处理信号，主循环的某个位置将会检查全局标志，那么我们会问：如果信号在条件之后，select之前到达怎么办。答案是select会无限期阻塞。
这种情况很少见，但是这就是为什么出现了pselect。因为他是类似原子操作的。
描述： 允许程序监视多个文件描述符，等待所监视的一个或者多个文件描述符变为“准备好”的状态。所谓的”准备好“状态是指：文件描述符不再是阻塞状态，可以用于某类IO操作了，包括可读，可写，发生异常三种 。
参数说明：
- nfds： 一个整数值， 表示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。
注意， 待测试的描述集总是从0， 1， 2， …开始的。 所以， 假如你要检测的描述符为8， 9， 10， 那么系统实际也要监测0， 1， 2， 3， 4， 5， 6, 7， 此时真正待测试的描述符的个数为11个， 也就是max（8， 9， 10） + 1
readfds/writefds/exceptfds：这些都是fd_set类型的，代表文件描述符集合； 可以认为一个fd_set变量是由很多个二进制构成的数组，每一位表示一个文件描述符是否需要监视。
- readfds：监视文件描述符的一个集合，我们监视其中的文件描述符是不是可读，或者更准确的说，读取是不是不阻塞了。
- writefds：监视文件描述符的一个集合，我们监视其中的文件描述符是不是可写，或者更准确的说，写入是不是不阻塞了。
- exceptfds：用来监视发生错误异常文件
- timeout： 表示select返回之前的时间上限。 设为0(NULL)，代表无期限等待下去。这个等待可以被一个信号中断，只有当一个描述符准备好，或者捕获到一个信号时函数才会返回。如果是捕获到信号，select返回-1，并将变量errno设置成EINTR。
如果timeout ->tv_sec 为0 且 timeout->tv_sec 为0 ，不等待直接返回，加入的描述符都会被测试，并且返回满足要求的描述符个数，这种方法通过轮询，无阻塞地获得了多个文件描述符状态。
如果timeout->tv_sec！=0 || timeout->tv_sec！=0 ，等待指定的时间。当有描述符复合条件或者超过超时时间的话，函数返回。等待总是会被信号中断。
返回值
- 成功时：返回三种描述符集合中”准备好了“的文件描述符数量。
- 超时：返回0
- 错误：返回-1，并设置 errno
- EBADF：集合中包含无效的文件描述符。（文件描述符已经关闭了，或者文件描述符上已经有错误了）。
- EINTR：捕获到一个信号。
- EINVAL：nfds是负的或者timeout中包含的值无效。
- ENOMEM：无法为内部表分配内存。
- 例程：基于 select的 TCP 服务器
例程：基于 select的 TCP 服务器
server.c
/*
# Copyright By Schips, All Rights Reserved
# https://gitee.com/schips/
#
# File Name: server.c
# Created : Sat 25 Mar 2020 14:43:39 PM CST
*/
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h> /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
typedef struct _info {
char name[10];
char text[54];
}info;
int main(int argc, char *argv[])
{
int my_socket;
unsigned int len;
int ret, i, j;
// 创建套接字
my_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // IPV4, TCP socket
if(my_socket == -1) {
perror("Socket"); }
printf("Creat a socket :[%d]\n", my_socket);
// 用于接收消息
info buf ={
0};
// 指定地址
struct sockaddr_in addr = {
0};
addr.sin_family = AF_INET; // 地址协议族
addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1"); //指定 IP地址
addr.sin_port = htons(12345); //指定端口号
int set = 1;
int get = 0;
int getlen = 0;
// 服务器 绑定
bind(my_socket, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));
ret = listen(my_socket, 10);
if(-1 == ret) {
perror("listen"); }
printf("Listening\n");
int connect_sockets[100] = {
0}; // 我们规定，为 0 的成员为无效socket
int connected_cnt = 0;
//struct sockaddr_in new = {0};
//int new_addr_size = {0};
fd_set read_sets;
int max_fd = my_socket; // 一开始时，只有 一个新的 文件描述：my_socket ，所以它是最大的
while(1) // 在循环中等待连接请求
{
FD_ZERO(&read_sets); // 每次都需要初始化
FD_SET(my_socket, &read_sets); // 添加 要监听的 socket
// 添加 之后经过 connect 过来的 套接字数组(一般在第一次循环时是空的)
for( i = 0; i < connected_cnt; i++)
{
if(connect_sockets[i])
{
FD_SET(connect_sockets[i], &read_sets); // 添加经过accept保存下来，需要进行读响应的套接字到集合中
}
}
// 设置监听超时时间
// timeout.tv_sec = 2;
// timeout.tv_usec = 0;
ret = select(max_fd + 1, &read_sets, NULL, NULL, NULL);
// 判断返回值
switch (ret) {
case 0 :
printf("Time out.\n"); // 监听超时
break;
case -1 :
printf("Err occurs.\n"); // 监听错误
break;
default :
if(FD_ISSET(my_socket, &read_sets)) //这个是原的被动socket，如果是它，则 意味着有新的连接进来了
{
connect_sockets[connected_cnt] = accept(my_socket, NULL, NULL);
max_fd = connect_sockets[connected_cnt];
printf("New socket is %d\n", connect_sockets[connected_cnt]);
connected_cnt ++;
printf("Now we has [%d] connecter\n", connected_cnt);
}else{
// 如果不是 被动socket，那么就意味着是 现有的连接 有消息发来（我们有数据可读）
printf("New message came in.\n");
// 求出是那个文件描述符可读
for(i = 0; i < connected_cnt; i++)
{
if(FD_ISSET(connect_sockets[i], &read_sets) == 1) break;
}
if( i >= connected_cnt) {
continue; }
printf("Socket [%d] send to server.\n", connect_sockets[i]);
// 接收消息
ret = recv(connect_sockets[i], &buf, sizeof(buf), 0);
if( ret <= 0 )
{
// 远程客户端断开处理（如果不处理，会导致服务器也断开）
printf("[%d]/[%d] Client [%d] disconnected.\n", i+1, connected_cnt, connect_sockets[i]);
close(connect_sockets[i]);
// 我们需要将对应的客户端从数组中移除 且 连接数 -1 (移除的方法： 数组成员前移覆盖)
for (j = i; j < connected_cnt - 1; ++j)
{
connect_sockets[j] = connect_sockets[ j + 1];
}
connected_cnt --;
}
// 打印消息
printf("[%s] : %s\n", buf.name, buf.text);
// 回复消息
sprintf(buf.name, "Server");
sprintf(buf.text, "Had recvied your[%d] message", connect_sockets[i]);
//sendto(my_socket, &buf, sizeof(buf), 0, NULL, NULL);
send(connect_sockets[i], &buf, sizeof(buf), 0);
}
break;
}
printf("while loop\n");
}
// 关闭连接
//shutdown(my_socket, SHUT_RDWR); perror("shutdown");
for(i = 0; i < connected_cnt; i++)
{
close(connect_sockets[i]); perror("close");
}
return close(my_socket);
}
**client.c**
``/*
# Copyright By Schips, All Rights Reserved
# https://gitee.com/schips/
#
# File Name: client.c
# Created : Sat 25 Mar 2020 14:44:19 PM CST
*/
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <sys/types.h> /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
typedef struct _info {
char name[10];
char text[54];
}info;
int main(int argc, char *argv[])
{
int my_socket;
unsigned int len;
int ret, i = 0;
// 创建套接字
my_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // IPV4, TCP socket
if(my_socket == -1) {
perror("Socket"); }
printf("Creat a socket :[%d]\n", my_socket);
// 用于接收消息
info buf ={
0};
// 指定地址
struct sockaddr_in addr = {
0};
addr.sin_family = AF_INET; // 地址协议族
addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1"); //指定 IP地址
addr.sin_port = htons(12345); //指定端口号
int new_socket;
struct sockaddr_in new = {
0};
int new_addr_size;
connect(my_socket, (struct sockaddr *)(&addr), sizeof(struct sockaddr_in));
if(-1 == ret) {
perror("connect"); }
printf("connected\n");
// 回复消息
sprintf(buf.name, "Client");
sprintf(buf.text, "Hello tcp text.");
//sendto(my_socket, &buf, sizeof(buf), 0, NULL, NULL);
send(my_socket, &buf, sizeof(buf), 0);
perror("sendto");
// 接收并打印消息
//recvfrom(my_socket, &buf, sizeof(buf), 0, NULL, NULL);
recv(my_socket, &buf, sizeof(buf), 0);
perror("recvfrom");
printf("[%s] : %s\n", buf.name, buf.text);
for (i = 0; i < 5; ++i)
{
sleep(2);
// 回复消息
sprintf(buf.name, "Client");
sprintf(buf.text, "Hello tcp text [%d].", i++);
//sendto(my_socket, &buf, sizeof(buf), 0, NULL, NULL);
send(my_socket, &buf, sizeof(buf), 0);
perror("sendto");
// 接收并打印消息
//recvfrom(my_socket, &buf, sizeof(buf), 0, NULL, NULL);
recv(my_socket, &buf, sizeof(buf), 0);
printf("[%s] : %s\n", buf.name, buf.text);
perror("recvfrom");
}
// 关闭连接
//shutdown(my_socket, SHUT_RDWR); perror("shutdown");
//printf("%d\n", errno);
return close(my_socket); perror("close");
printf("%d\n", errno);
return errno;
}