这次我们将要学习五种I/O模型(阻塞I/O、非阻塞I/O、I/O复用、信号驱动I/O、异步I/O)， select函数，以及用select改进回射客户端程序。
1.五种I/O模型
（1）阻塞I/O
1）前面用到的套接口编程都是用的阻塞I/O来进行编程的。
2）套接口完成连接请求之后，就可以向系统提交一个recv请求来接收数据，这个请求是阻塞的。
（2）非阻塞I/O
1）调用recv，并将套接口设置为非阻塞模式，将套接口设置为非阻塞模式，可以使用如下函数：
fcntl(fd, F_SETFL, flag|O_NONBLOCK);
2）这个时候，recv函数，即使没有数据到来，也不会阻塞。
3）该模型在数据没有到来时，需要循环接收。占用CPU时间片，该模型不推荐使用。
（3）I/O复用
1）该模型主要通过select来实现的，思想是通过select来管理多个文件描述符。一旦检测到数据到来，select就返回，再调用recv函数就不会阻塞了。
2）然后将数据从内核空间拷贝到用户空间。一旦拷贝完成，就返回。
（4）信号驱动I/O
1）这种模型也不常用。
（5）异步I/O
1）这种I/O的效率最高，通过aio_read函数实现。该函数提交一个请求并会递交了一个应用层缓冲区buf。即使内核中没有数据到来，该函数也立即返回。
2）当有数据到来，内核就会自动地将这些数据拷贝到应用层的缓冲区buf。一旦复制完成，会通过一个信号来通知应用进程的程序。
2.select
- 原型：
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout); - 参数：
- nfds：读、写、异常集合中的文件描述符的最大值+1
- readfds：读集合
- writefds：写集合
- exceptfds：异常集合
- timeout：超时结构体
- 返回值：成功返回检测到的事件个数；失败返回-1
void FD_ZERO(fd_set *set); /* clear all bits in set */
void FD_SET(int fd, fd_set *set); /* turn on the bit for fd in set */
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set); /* is the bit for fd on in set? */
void FD_CLR(int fd, fd_set *set); /* trun off the bit for fd in set */
（1）select可以管理多个I/O，一旦其中的一个或多个I/O检测到了我们感兴趣的事件，select就立刻返回，返回值为检测到的事件个数。将刚兴趣的时间填充到对应的集合当中。
（2）然后我们就可以轮询这些事件，一个个的来处理它们。
（3）这个时候的处理就不会阻塞了，因为select已经提前阻塞了。
3.select改进回射客户/服务端程序
（1）首先，我们先看一下客户端的通信模块代码：
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void echo_cli(int sock) { char sendbuf[1024]= {0}; char recvbuf[1024]= {0}; while(fgets(sendbuf, sizeof(sendbuf), stdin) != NULL){ writen(sock, sendbuf, strlen(sendbuf)); int ret = readline (sock, recvbuf, sizeof(recvbuf)); if(ret == -1) ERR_EXIT("readline"); else if(ret ==0 ){ printf("server close\n"); break; } fputs(recvbuf,stdout); memset(sendbuf, 0, sizeof(sendbuf)); memset(recvbuf, 0, sizeof(recvbuf)); } close (sock); } |
其中，第5、8行分别涉及到标准输入I/O(stdin)，和套接口I/O(sock)。
（2）现在我们使用select来统一管理标准输入I/O和套接口I/O
1）首先我们需要定义一个集合，随后清空该集合：
fd_set rset;
FD_ZERO(&ret);
2）然后写一个死循环去检测I/O是否产生可读事件。
如下客户端通信模块代码：
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void echo_cli(int sock) { fd_set rset; FD_ZERO(&rset); int nready; //表示检测到的事件个数 int fd_stdin = fileno(stdin); //fileno获得对应的文件描述符 int maxfd; if (fd_stdin > sock) maxfd = fd_stdin; else maxfd =sock; char sendbuf[1024] = {0}; char recvbuf[1024] = {0}; while(1) { FD_SET(fd_stdin, &rset);//将这两个描述符放入读的集合rset中 FD_SET(sock, &rset); nready = select(maxfd+1, &rset, NULL,NULL,NULL); if (nready == -1) ERR_EXIT("select"); if (nready == 0) continue; //判断sock文件描述符是否在rset中，在，即表明检测到了事件 if (FD_ISSET(sock, &rset)) { //sock在集合中，处理该I/O事件 int ret = readline(sock, recvbuf, sizeof(recvbuf)); if (ret == -1) ERR_EXIT("readline"); else if (ret == 0) { printf("server close\n"); break; } fputs(recvbuf, stdout); memset(recvbuf, 0, sizeof(recvbuf)); } //判断fd_stdin是否在集合中 if (FD_ISSET(fd_stdin, &rset)) { //一旦从键盘获取了动作 if(fgets(sendbuf, sizeof(sendbuf), stdin) == NULL) break; writen(sock, sendbuf, strlen(sendbuf)); memset(sendbuf, 0, sizeof(sendbuf)); } } close(sock); } |
（3）回射客户端/服务器源码
echocli.c
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#include<unistd.h> #include<sys/types.h> #include<sys/socket.h> #include<netinet/in.h> #include<arpa/inet.h> #include<stdlib.h> #include<stdio.h> #include<errno.h> #include<string.h> #define ERR_EXIT(m)\ do\ {\ perror(m);\ exit(EXIT_FAILURE);\ }while (0) ssize_t readn(int fd, void *buf, size_t count) { size_t nleft = count; ssize_t nread; char *bufp = (char*)buf; while(nleft > 0){ if((nread = read(fd,bufp, nleft)) < 0){ if (errno == EINTR) continue; return -1; } else if (nread ==0) return count - nleft; bufp += nread; nleft -= nread; } return count; } ssize_t writen(int fd, const void *buf, size_t count) { size_t nleft = count; ssize_t nwritten; char *bufp = (char*)buf; while(nleft> 0){ if((nwritten = write(fd, bufp, nleft)) < 0){ if(errno == EINTR) continue; return -1; } else if(nwritten ==0) continue; bufp += nwritten; nleft -= nwritten; } return count; } ssize_t recv_peek(int sockfd, void *buf, size_t len) { while(1){ int ret = recv(sockfd, buf ,len, MSG_PEEK); if (ret == -1 && errno == EINTR) continue; return ret; } } size_t readline(int sockfd, void *buf, size_t maxline) { int ret; int nread; char *bufp = buf; int nleft = maxline; while(1){ ret = recv_peek(sockfd, bufp, nleft); if(ret < 0) return ret; else if (ret == 0) return ret; nread = ret; int i; for (i=0; i<nread; i++){ if (bufp[i] == '\n'){ ret = readn(sockfd, bufp, i+1); if (ret != i+1) exit(EXIT_FAILURE); return ret; } } if (nread > nleft) exit(EXIT_FAILURE); nleft -= nread; ret = readn(sockfd, bufp, nread); if (ret != nread) exit(EXIT_FAILURE); bufp += nread; } return -1; } void echo_cli(int sock) { /* char sendbuf[1024]= {0}; char recvbuf[1024]= {0}; while(fgets(sendbuf, sizeof(sendbuf), stdin) != NULL){ writen(sock, sendbuf, strlen(sendbuf)); int ret = readline (sock, recvbuf, sizeof(recvbuf)); if(ret == -1) ERR_EXIT("readline"); else if(ret ==0 ){ printf("server close\n"); break; } fputs(recvbuf,stdout); memset(sendbuf, 0, sizeof(sendbuf)); memset(recvbuf, 0, sizeof(recvbuf)); } close (sock);*/ fd_set rset; FD_ZERO(&rset); int nready; int maxfd; int fd_stdin = fileno(stdin); if(fd_stdin > sock) maxfd = fd_stdin; else maxfd = sock; char sendbuf[1024]= {0}; char recvbuf[1024]= {0}; while(1){ FD_SET(fd_stdin, &rset); FD_SET(sock, &rset); nready = select(maxfd + 1, &rset, NULL, NULL, NULL); if(nready == -1) ERR_EXIT("select"); if (nready == 0) continue; if(FD_ISSET(sock, &rset)){ int ret = readline (sock, recvbuf, sizeof(recvbuf)); if(ret == -1) ERR_EXIT("readline"); else if(ret ==0 ){ printf("server close\n"); break; } fputs(recvbuf,stdout); memset(recvbuf, 0, sizeof(recvbuf)); } if (FD_ISSET(fd_stdin, &rset)){ if(fgets(sendbuf, sizeof(sendbuf), stdin) == NULL) break; writen(sock, sendbuf, strlen(sendbuf)); memset(sendbuf, 0, sizeof(sendbuf)); } } close(sock); } int main (void) { int sock; if((sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP)) < 0) ERR_EXIT("socket"); struct sockaddr_in servaddr; memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr)); servaddr.sin_family = AF_INET; servaddr.sin_port = htons(5581); servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1"); if(connect(sock, (struct sockaddr*) &servaddr, sizeof(servaddr)) < 0) ERR_EXIT("connect"); struct sockaddr_in localaddr; socklen_t addrlen = sizeof(localaddr); if(getsockname(sock, (struct sockaddr*)&localaddr, &addrlen) < 0) ERR_EXIT("getsockname"); printf("ip = %s port = %d\n", inet_ntoa(localaddr.sin_addr), ntohs(localaddr.sin_port)); echo_cli(sock); return 0; } |
附echosrv.c
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#include<unistd.h> #include<sys/types.h> #include<sys/socket.h> #include<netinet/in.h> #include<arpa/inet.h> #include<stdlib.h> #include<stdio.h> #include<errno.h> #include<string.h> #include<signal.h> #define ERR_EXIT(m)\ do\ {\ perror(m);\ exit(EXIT_FAILURE);\ }while (0) ssize_t readn(int fd, void *buf, size_t count) { size_t nleft = count; ssize_t nread; char *bufp = (char*)buf; while(nleft > 0){ if((nread = read(fd,bufp, nleft)) < 0){ if (errno == EINTR) continue; return -1; } else if (nread ==0) return count - nleft; bufp += nread; nleft -= nread; } return count; } ssize_t writen(int fd, const void *buf, size_t count) { size_t nleft = count; ssize_t nwritten; char *bufp = (char*)buf; while(nleft> 0){ if((nwritten = write(fd, bufp, nleft)) < 0){ if(errno == EINTR) continue; return -1; } else if(nwritten ==0) continue; bufp += nwritten; nleft -= nwritten; } return count; } ssize_t recv_peek(int sockfd, void *buf, size_t len) { while(1){ int ret = recv(sockfd, buf ,len, MSG_PEEK); if (ret == -1 && errno == EINTR) continue; return ret; } } size_t readline(int sockfd, void *buf, size_t maxline) { int ret; int nread; char *bufp = buf; int nleft = maxline; while(1){ ret = recv_peek(sockfd, bufp, nleft); if(ret < 0) return ret; else if (ret == 0) return ret; nread = ret; int i; for (i=0; i<nread; i++){ if (bufp[i] == '\n'){ ret = readn(sockfd, bufp, i+1); if (ret != i+1) exit(EXIT_FAILURE); return ret; } } if (nread > nleft) exit(EXIT_FAILURE); nleft -= nread; ret = readn(sockfd, bufp, nread); if (ret != nread) exit(EXIT_FAILURE); bufp += nread; } return -1; } void echo_srv(int conn) { char recvbuf[1024]; while(1){ memset(recvbuf, 0, sizeof(recvbuf)); int ret = readline(conn, recvbuf,1024); if(ret == -1) ERR_EXIT("readline"); else if(ret ==0 ){ printf("client close\n"); break; } fputs(recvbuf, stdout); writen(conn, recvbuf, strlen(recvbuf)); } } int main (void) { signal(SIGCHLD, SIG_IGN); int listenfd; if((listenfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP)) < 0) ERR_EXIT("socket"); struct sockaddr_in servaddr; memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr)); servaddr.sin_family = AF_INET; servaddr.sin_port = htons(5581); servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); int on = 1; if(setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &on, sizeof(on)) < 0) ERR_EXIT("setsockopt"); if(bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0) ERR_EXIT("bind"); if(listen(listenfd, SOMAXCONN) < 0) ERR_EXIT("liten"); struct sockaddr_in peeraddr; socklen_t peerlen = sizeof(peeraddr); int conn; pid_t pid; while(1) { if((conn = accept(listenfd, (struct sockaddr*) &peeraddr, &peerlen)) < 0) ERR_EXIT("accept"); printf("ip=%s port=%d\n", inet_ntoa(peeraddr.sin_addr),ntohs(peeraddr.sin_port)); pid = fork(); if(pid == -1) ERR_EXIT("fork"); if(pid == 0) { close(listenfd); echo_srv(conn); exit(EXIT_SUCCESS); } else close(conn); } return 0; } |
小结：
（1）select可以同时检测标准输入以及套接口读事件。
（2）对等方发来的数据，客户端可以通过select进行及时处理，而不会因为程序阻塞在标准输入而无法对套接口进行读操作。
（3）当要处理多个I/O，又想用单进程的方式进行处理时，用select比较方便。因为单进程可以轮询这些事件，对一个个事件可以进行相应的处理。