五种i/o模型
首先是认识几个概念：
同步通信 & 异步通信
同步通信与异步通信关注的是消息通信机制（与进程/线程同步概念完全不相关）
- 同步通信：指在发出一个调用时，在得到结果之前，该调用就不返回。但是一旦调用返回，就得到返回值了。可以说是，由调用者主动等待这个调用的结果。
- 异步通信则是相反，调用在发出之后，该调用立刻就返回了，所以是没有返回结果的。换句话说，当调用发出后，调用者不会立刻得到结果，而是在调用发出后，被调用者通过状态，通知来通知调用者，或通过回调来处理该调用。
阻塞 & 非阻塞
阻塞和非阻塞关注的是程序在等待调用结果时的状态。
- 阻塞：在调用结果返回之前，当前线程会被挂起，调用线程只有在得到结果之后才会返回。
- 非阻塞：在不能立刻得到返回结果时，该调用不会阻塞调用该线程。
五种i/o模型
阻塞i/o：在内核将数据准备好之前，系统调用会一直等待，所有的套接字，默认都是阻塞方式。
非阻塞i/o：如果内核还未将数据准备好，系统调用仍然会直接返回，并且返回EWOULDBLOCK错误码。非阻塞i/o往往需要程序员循环方式的反复尝试读写文件描述符，这个过程称为轮询，这对cpu来说是较大的浪费，一般只有特定场景下才使用。
信号驱动i/o：在内核将数据准备好的时候，使用SIGIO信号通知应用程序进行i/o操作
i/o多路转换：虽然从流程图上看起来和阻塞i/o类似，实际上最核心在于i/o多路转换能够同时等待多个文件描述符的就绪状态
异步i/o：由内核在数据拷贝完成时，通知应用程序（而信号驱动式告诉应用程序何时可以开始拷贝数据）
总结：任何i/o过程，都包含两个步骤，第一是等待，第二是拷贝。而且在实际的应用场景下，等待消耗的时间往往都远远高于拷贝的时间，让i/o更高效，最核心的方法就是让等待的时间尽量少。
多路转接之select
多路转接可以同时等待多个文件描述符。而select在i/o过程中只做一件事情，就是–等。
等什么？等待事件就绪。
select是系统调用来实现多路复用输入/输出模型
函数原型
- nfds：是需要监视的最大文件描述符+1
- readfds，writefds，exceptfds：分别对应于需要检测的可读文件描述符集合，可写文件描述符集合及异常文件描述符集合。
- 参数timeout：用来设置select的等待时间。
第一个参数限定了文件描述符的区间范围，第二个参数告诉操作系统我关心那些文件描述符上的那些事件。
fd_set
这个结构其实就是一个位图，使用位图中对应的位来表示要监视的文件描述符。并且不能直接对比特位进行操作，必须使相关的函数接口来进行操作。
函数返回值
- 函数执行成功则返回文件描述符状态已改变的位数
- 返回0则代表timeout超时，没有返回
-1表示发生错误。
select执行过程
为了方便解释，取fd_set为一字节，fd_set中的每一位可以对应一个文件描述符fd。则一个字节可以对应8个文件描述符。
过程如下：- 对fd_set执行FD_ZERO，将比特位全部置0
- 若我要关心的文件描述符为1，2，5，那么执行FD_SET将第1，2，5个比特位设置为1。
- 执行select阻塞等待
- 若fd=1，fd=2都发生可读事件，则select返回，此时fd_set只有第1，2个比特位为1，没有发生就绪事件的第五个比特位会被清空。
下面来编写一个select服务器实例：
#define MAX sizeof(fd_set)*8
#define INIT -1
static void arrar_init(int arr_FD[],int num)
{
int i=0;
for(i=0;i<num;i++)
{
arr_FD[i]=INIT;
}
}
static int arrar_add(int arr_FD[],int num,int fd)
{
int i=0;
for(i=0;i<num;i++)
{
if(arr_FD[i]==INIT)
{
arr_FD[i]=fd;
return 0;
}
}
return -1;
}
static void arrar_del(int arr_FD[],int num,int index)
{
if(index<num&&index>0)
{
arr_FD[index]=INIT;
}
}
int set_rfds(int arr_FD[],int num,fd_set*rfds)
{
int i=0;
int max_fd=INIT;
for(i=0;i<num;i++)
{
if(arr_FD[i]>INIT)
{
FD_SET(arr_FD[i],rfds);
if(max_fd<arr_FD[i])
{
max_fd=arr_FD[i];
}
}
}
return max_fd;
}
void service(int arr_FD[],int num,fd_set* rfds)
{
int i=0;
for(i=0;i<num;i++)
{
if(arr_FD[i]>INIT&&FD_ISSET(arr_FD[i],rfds))
{
int fd=arr_FD[i];
if(i==0)//表示是监听套接字
{
struct sockaddr_in client;
socklen_t len=sizeof(client);
int new_sock=accept(fd,(struct sockaddr*)&client,&len);
if(new_sock<0)
{
perror("accept");
continue;
}
printf("get a new connection [%s %d]\n",inet_ntoa(client.sin_addr),ntohs(client.sin_port));
if(arrar_add(arr_FD,num,new_sock)<0)
{
printf("server is busy!\n");
close(new_sock);
}
}
else//表示是常规文件描述符
{
char buf[1024]={0};
ssize_t s=read(fd,&buf,sizeof(buf)-1);
if(s>0)
{
buf[s]=0;
printf("client say# %s\n",buf);
}
else if(s==0)
{
close(fd);
printf("client quit\n");
arrar_del(arr_FD,num,i);
}
else
{
perror("read");
close(fd);
arrar_del(arr_FD,num,i);
}
}
}
}
}
int StartUp(int port)
{
int sock=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
if(sock<0)
{
perror("socket");
exit(1);
}
int opt=1;
setsockopt(sock,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&opt,sizeof(opt));
struct sockaddr_in local;
local.sin_family=AF_INET;
local.sin_port=htons(port);
local.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
if(bind(sock,(struct sockaddr*)&local,sizeof(local))<0)
{
perror("bind");
exit(2);
}
if(listen(sock,5)<0)
{
perror("listen");
exit(3);
}
return sock;
}
int main(int argc,char* argv[])
{
//./server 9999
if(argc!=2)
{
printf("Usage:{%s port}\n",argv[0]);
return 1;
}
int listen_sock=StartUp(atoi(argv[1]));
int arr_FD[MAX];//这里需要一个数组来进行每次重新设置位图中的文件描述符
arrar_init(arr_FD,MAX);//对位图的初始化
arrar_add(arr_FD,MAX,listen_sock);//添加至fd_set
fd_set rfds;
int max_fd=0;
for(;;)
{
struct timeval timeout={5,0};
FD_ZERO(&rfds);
max_fd = set_rfds(arr_FD,MAX,&rfds);
switch(select(max_fd+1,&rfds,NULL,NULL,&timeout))//只关心读时间
{
case 0:
printf("select timeout.....!\n");
break;
case -1:
perror("select");
break;
default:
service(arr_FD,MAX,&rfds);
break;
}
}
}
测试效果：
