I/O复用（包含select 和 poll详解）

1：i/O复用技术的作用
2: 什么情况下需要此技术
- select 系统调用
- - select系统调用原型如下：
  - fd_set结构体定义如下：
  - 可以使用如下宏访问fd_set 结构体中的位：
  - timeout结构体如下：
  - 文件描述符就绪条件
  - - 什么情况下 socket可读？
    - 什么情况下socket可写
  - 处理带外数据
- poll系统调用
- - poll原型
  - poll结构体
- epoll系统调用

1：i/O复用技术的作用

能让程序同时监听多个文件描述符，提高程序性能

2: 什么情况下需要此技术

客户端需要同时处理多个socket。
客户端需要同时处理用户输入和网络连接
TCP服务器需要同时监听socket 和连接socket。这是最多的应用场景
服务器需要同时处理tcp请求和udp请求
服务器需要同时监听多个端口或者监听多个文件描述符

需要注意的是虽然可以同时监听多个文件描述符，但是只是按顺序处理其中的一个，因为它本身是阻塞的，如果有多个文件描述符，只能串行处理，按顺序处理。如果要实现并发，就要使用多线程或者多进程的手段

select 系统调用

select系统调用原型如下：

在这里插入图片描述
1）nfds参数指定被监听文件描述符总数，因为文件描述符是从0开始计数的，所以此值应该被设置为所有的文件描述符+1.
2）readfds,writefds,exceptfds参数分别指向可读，可写，异常等时间锁对应的文件描述符集合。通过这三个参数来传入自己感兴趣的文件描述符，select调用返回时，内核将修改它们来通知应用程序那些文件描述符已经就绪。

fd_set结构体定义如下：

在这里插入图片描述

可以看到fd_set里面仅包含一个整型数组，数组的每一个元素就是一个文件描述符。此结构体能容纳的数量由FD_SETSIZE指定。此举限制了select能同时处理文件描述符的总量.

可以使用如下宏访问fd_set 结构体中的位：

在这里插入图片描述
3）timeout 是传递给内核去修改的。传递给它的数据是设置select的超时事件，用来告知应用程序 select等待了多久。但是调用失败后的select是不可信任的。

timeout结构体如下：

在这里插入图片描述
两个数据成员如果传递参数为 0 则select 立刻返回。如果给timeout 传递NULL，则select将已知阻塞，直到有文件描述符就绪。
成功调用返回就绪的文件描述符总数。在超时事件内没有文件描述符就绪，则返回0.select失败的时候返回-1 并设置error 。
如果在select等待期间收到了外部信号。select立刻返回-1 ，并设置error 为EINTR。

文件描述符就绪条件

什么情况下 socket可读？

socket内核接受缓冲区里面的字节数大于或等于其低水位标志SO_RCVLOWAT。此时可以无阻塞的读取改socket。并返回读取的字节数。
socket通信对方关闭连接。此时对该socket的读操作返回0
监听的socket上有新的连接请求
socket上有未处理的错误。可以通过调用getsockopt来读取和清除该错误。

什么情况下socket可写

socket内核发送缓冲区可用字节大于或等于其低水位标志SO_SNDLOWAT。此时我们可以无阻塞的写该socket。并且写操作的返回字节数大于0.
socket写操作被关闭的时候执行写操作会触发SIGPIPE的信号
socket使用非阻塞connect 连接成功或者失败(超时)之后
socket上有未处理的错误。我们可以使用getsockpot来读取和清除该错误。
select能处理的异常情况只有：socket上接收到带外数据。
下面详细讨论：

处理带外数据

select处理普通数据和带外数据都将使用select返回。但是socket处于不同的就绪状态。前者处理可读，后者处于异常。下面代码描述select 如果同时处理二者

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <assert.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>

int main( int argc, char* argv[] )
{
	if( argc <= 2 )
	{
		printf( "usage: %s ip_address port_number\n", basename( argv[0] ) );
		return 1;
	}
	const char* ip = argv[1];
	int port = atoi( argv[2] );
	printf( "ip is %s and port is %d\n", ip, port );

	int ret = 0;
        struct sockaddr_in address;
        bzero( &address, sizeof( address ) );
        address.sin_family = AF_INET;
        inet_pton( AF_INET, ip, &address.sin_addr );
        address.sin_port = htons( port );

	int listenfd = socket( PF_INET, SOCK_STREAM, 0 );
	assert( listenfd >= 0 );

        ret = bind( listenfd, ( struct sockaddr* )&address, sizeof( address ) );
	assert( ret != -1 );

	ret = listen( listenfd, 5 );
	assert( ret != -1 );

	struct sockaddr_in client_address;
        socklen_t client_addrlength = sizeof( client_address );
	int connfd = accept( listenfd, ( struct sockaddr* )&client_address, &client_addrlength );
	if ( connfd < 0 )
	{
		printf( "errno is: %d\n", errno );
		close( listenfd );
	}

	char remote_addr[INET_ADDRSTRLEN];
	printf( "connected with ip: %s and port: %d\n", inet_ntop( AF_INET, &client_address.sin_addr, remote_addr, INET_ADDRSTRLEN ), ntohs( client_address.sin_port ) );

	char buf[1024];
        fd_set read_fds;
        fd_set exception_fds;

        FD_ZERO( &read_fds );
        FD_ZERO( &exception_fds );

        int nReuseAddr = 1;
	setsockopt( connfd, SOL_SOCKET, SO_OOBINLINE, &nReuseAddr, sizeof( nReuseAddr ) );
	while( 1 )
	{
		memset( buf, '\0', sizeof( buf ) );
        /*每次调用后都需要重新设置一下connfd ，因为事件发生后 文件描述符集合会被内核修改*/
		FD_SET( connfd, &read_fds );
		FD_SET( connfd, &exception_fds );

        	ret = select( connfd + 1, &read_fds, NULL, &exception_fds, NULL );
		printf( "select one\n" );
        	if ( ret < 0 )
        	{
                	printf( "selection failure\n" );
                	break;
        	}
            /* 对于可读的事件 ，采用普通的recv函数来读取数据 */
            if ( FD_ISSET( connfd, &read_fds ) )
		    {
        		ret = recv( connfd, buf, sizeof( buf )-1, 0 );
                if( ret <= 0 )
                {
                    break;
                }
			    printf( "get %d bytes of normal data: %s\n", ret, buf );
		    }
            /*对于异常事件 采用带MSG_OOB recv函数读取带外数据*/
		    else if( FD_ISSET( connfd, &exception_fds ) )
        	{
        		ret = recv( connfd, buf, sizeof( buf )-1, MSG_OOB );
                if( ret <= 0 )
                {
                    break;
                }
			    printf( "get %d bytes of oob data: %s\n", ret, buf );
        	}

	}

	close( connfd );
	close( listenfd );
	return 0;
}