IO多路复用
简介
在 Linux 下，I/O 多路复用是一种用于高效处理多个 I/O 操作的技术。它允许一个进程同时监视多个文件描述符或网络套接字，以便在其中任何一个发生 I/O 事件时能够及时响应。
I/O 多路复用的主要目标是提高系统的并发性能和资源利用率。通过同时监听多个 I/O 源，可以减少进程在等待 I/O 操作完成时的阻塞时间，从而提高程序的整体效率。
在 Linux 中，有多种实现 I/O 多路复用的方法，其中最常用的是 select 、 poll 和 epoll 。
1. select ：是最早的 I/O 多路复用函数，它可以同时监视多个文件描述符的读、写和异常事件。但是， select 存在一些限制，例如最大文件描述符数量通常为 1024，并且需要遍历所监视的文件描述符集合来检查是否有事件发生，效率较低。
2. poll ：是对 select 的改进，它克服了 select 的一些限制，例如增加了文件描述符数量的上限，并提供了更好的性能。但是， poll 仍然需要遍历文件描述符集合来检查事件。
3. epoll ：是一种更高效的 I/O 多路复用实现，它提供了基于事件驱动的机制。通过使用 epoll ，可以注册感兴趣的文件描述符，并在发生事件时通过回调函数进行处理，而不需要主动轮询。 epoll 还支持水平触发和边缘触发两种模式，以及提供了更高效的数据结构来管理文件描述符。
总的来说， epoll 是目前在 Linux 下最常用和性能最高的 I/O 多路复用方法。但是，具体使用哪种方法取决于你的应用程序需求和性能要求。如果需要处理大量的文件描述符或对性能要求较高，推荐使用 epoll ；如果文件描述符数量较少或对性能要求不高，可以考虑使用 select 或 poll 。
如何使用
I/O多路复用是一种处理多个I/O操作的技术，它可以同时处理多个输入和输出。在程序中使用I/O多路复用的主要方式是通过select()，poll()或epoll()等系统调用。
以下是使用I/O多路复用的一般步骤：
- 创建并初始化socket：首先，你需要创建socket并绑定到一个特定的地址和端口。
- 创建文件描述符集合：你需要创建一个文件描述符集合，并添加你要监视的socket。
- 调用select()，poll()或epoll()：在这些系统调用中，你需要传递文件描述符集合，以及你希望等待的最长时间。
- 检查文件描述符的状态：在select()，poll()或epoll()返回后，你可以检查每个文件描述符的状态，以确定它是否已经准备好读取或写入。
- 进行I/O操作：一旦你确定一个文件描述符已经准备好进行I/O操作，你就可以进行读取或写入操作。
重复步骤3-5：你可以重复这些步骤，以便在多个socket上进行I/O操作。
示例
在程序中使用 I/O 多路复用可以提高程序的并发性能和资源利用率。以下是一个简单的示例，展示了如何在 C++ 中使用 epoll 实现 I/O 多路复用：
#include <iostream>
#include <sys/epoll.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
int create_and_register_socket(int port) {
int socket_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (socket_fd == -1) {
std::cerr << "Failed to create socket." << std::endl;
return -1;
}
struct sockaddr_in server_address;
server_address.sin_family = AF_INET;
server_address.sin_port = htons(port);
server_address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
if (bind(socket_fd, (struct sockaddr *)&server_address, sizeof(server_address)) == -1) {
std::cerr << "Failed to bind socket." << std::endl;
close(socket_fd);
return -1;
}
if (listen(socket_fd, 1) == -1) {
std::cerr << "Failed to listen on socket." << std::endl;
close(socket_fd);
return -1;
}
epoll_event event;
event.data.fd = socket_fd;
event.events = EPOLLIN;
if (epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, socket_fd, &event) == -1) {
std::cerr << "Failed to add socket to epoll." << std::endl;
close(socket_fd);
return -1;
}
std::cout << "Server listening on port " << port << std::endl;
return socket_fd;
}
void handle_client(int client_fd) {
char buffer[1024];
ssize_t bytes_read;
while ((bytes_read = read(client_fd, buffer, sizeof(buffer))) != 0) {
if (bytes_read == -1) {
std::cerr << "Failed to read from client." << std::endl;
close(client_fd);
return;
}
std::cout << "Received message from client: " << std::string(buffer, bytes_read) << std::endl;
// Send a response to the client
if (write(client_fd, "Server received your message.\n", strlen("Server received your message.\n")) == -1) {
std::cerr << "Failed to write to client." << std::endl;
close(client_fd);
return;
}
}
close(client_fd);
}
int main() {
int epoll_fd = epoll_create1(0);
if (epoll_fd == -1) {
std::cerr << "Failed to create epoll instance." << std::endl;
return -1;
}
int server_fd = create_and_register_socket(8080);
while (1) {
struct epoll_event events[10];
int num_events = epoll_wait(epoll_fd, events, 10, -1);
if (num_events == -1) {
std::cerr << "Failed to wait for events." << std::endl;
break;
}
for (int i = 0; i < num_events; ++i) {
if (events[i].data.fd == server_fd) {
// New client connection
int client_fd = accept(server_fd, NULL, NULL);
if (client_fd == -1) {
std::cerr << "Failed to accept client connection." << std::endl;
close(server_fd);
break;
}
std::cout << "New client connected." << std::endl;
epoll_event client_event;
client_event.data.fd = client_fd;
client_event.events = EPOLLIN;
if (epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, client_fd, &client_event) == -1) {
std::cerr << "Failed to add client to epoll." << std::endl;
close(client_fd);
break;
}
} else {
// Client data available
handle_client(events[i].data.fd);
}
}
}
close(epoll_fd);
return 0;
}
在这个示例中，我们创建了一个 epoll 实例，并使用 epoll_create1 函数来创建。然后，我们创建了一个服务器套接字，并使用 epoll_ctl 函数将其添加到 epoll 实例中，监听 EPOLLIN 事件。
在主循环中，我们使用 epoll_wait 函数等待事件的发生。当有事件发生时，我们根据事件的类型进行相应的处理。如果是新的客户端连接，我们使用 accept 函数接受连接，并将新的客户端套接字添加到 epoll 实例中。如果是客户端发送的数据可用，我们使用 read 函数读取数据，并使用 write 函数发送响应。
