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【Linux学习】IO复用技术 select、poll、epoll函数使用 服务器/客户端举例

目录


前言

本文主要学习Linux内核编程,结合Visual Studio 2019进行跨平台编程,内容包括IO复用技术相关知识介绍以及用服务器客户端实例说明(详细举例epoll的使用 )

一、IO复用基本概念

💻阻塞I/O

最流行的I/O模型是阻塞I/O模型,缺省时,所有的套接口都是阻塞的

💻非阻塞I/O

当我们把一个套接口设置为非阻塞方式时,即通知内核,当请求的I/O操作非得让进程睡眠不能完成时,不要让进程睡眠,而应返回一个错误

应用程序连续不断地查询内核,看看某操作是否准备好,这对CPU时间是极大的浪费,一般只在专门提供某种功能的系统中才会用到

💻I/O复用

有了I/O复用,我们就可以调用select或poll,在这两个系统调用的某一个上阻塞,而不是真正阻塞于真正的I/O系统调用

如果一个或多个I/O条件满足(例如:输入已准备好被读,或者描述字可以承接更多输出的时候)

我们就能够被通知到,这样的能力被称为I/O复用,是由函数select和poll支持的

I/O复用网络应用场合:

  • 当客户处理多个描述字
  • 一个客户同时处理多个套接口
  • 如果一个TCP服务器既要处理监听套接口,又要处理连接套接口
  • 如果一个服务器既要处理TCP,又要处理UDP

**📌select 函数 **

select函数允许进程指示内核等待多个事件中的任一个发生,并仅在一个或多个事件发生或经过某指定的时间后才唤醒进程

📍头文件:<sys/select.h> <sys/socket.h>

📍**作用: **提供了即时响应多个套接的读写事件

📍原型:

int select(int maxfdp1,fd_set *readset,fd_set *writeset,fd_set *except,

const struct timeval *timeout);

📍参数:

maxfdp1: 等待最大套接字值加1(等待套接字的数量)

readset:要检查读事件的容器

writeset:要检查写事件的容器

timeout: 超时时间

📍返回值: 返回触发套件接字的个数

📌poll 函数

poll函数和select类似,但它是用文件描述符而不是条件的类型来组织信息

也就是说,一个文件描述符的可能事件都存储在struct pollfd中

与之相反,select用事件的类型来组织信息,而且读,写和错误情况都有独立的描述符掩码

poll函数是POSIX:XSI扩展的一部分,它起源于UNIX System V

📍**头文件: **<poll.h>

📍**作用: **提供了即时响应多个套接的读写事件

📍原型:

int poll(struct pollfd *fdarray,unsigned long nfds,int timeout);

📍参数:

fdarray:是一个pollfd的机构体数组用来表示表示文件描述符的监视信息

nfds:给出了要监视的描述符数目

timeout:是一个用毫秒表示的时间,是poll在返回前没有接收事件是应等待的时间,如果timeout的值为-1,poll就永远不会超时,如果整数值为32个比特,最大超时周期约为30分钟

📍返回值:准备好描述字的个数,0-超时,1-出错

📌epoll 函数

epoll是基于事件驱动的I/O方式,相对于select来说 ,epoll没有描述符个数限制,使用一个文件描述符管理多个描述符, 将用户关心的文件描述符的事件存放到内核的一个事件表中, 这样在用户空间和内核空间的copy只需一次

Linux中提供的epoll相关函数如下:

🎮epoll_create ()

📍作用:创建一个epoll句柄

📍原型:

int epoll_create(int size);

📍参数:

size:表明内核要监听的描述符数量

📍返回值:成功时返回一个epoll句柄描述,失败时返回-1

🎮epoll_ctl ()

📍作用:注册要监听的事件类型

📍原型:

int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

📍参数:

epfd:表示epoll句柄

op:表示fd操作类型,有如下3种

    EPOLL_CTL_ADD 注册新的fd到epfd中

    EPOLL_CTL_MOD 修改已注册的fd的监听事件

    EPOLL_CTL_DEL 从epfd中删除一个fd

fd:是要监听的描述符

event:表示要监听的事件

📍返回值:成功时返回 0,失败时返回-1

🎮epoll_wait()

📍作用:等待事件的就绪,成功时返回就绪的事件数目

📍原型:

int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);

📍参数:

epfd:是epoll句柄

events:表示从内核得到的就绪事件集合

maxevents:告诉内核events的大小

timeout:表示等待的超时事件

📍返回值:调用失败时返回 -1,等待超时返回 0

二、利用I/O复用搭建服务器/客户端

**代码参考自博主:似末 **

链接:【Linux】一文看懂多路复用IO模型(select、poll、epoll)_似末的博客-CSDN博客

💻服务器完整代码

#include <iostream>
#include <sys/types.h>         
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <arpa/inet.h>

using namespace std;

int main()
{
    int socketfd = 0;
    int acceptfd = 0;

    struct sockaddr_in s_addr;
    int len = 0;
    char buf[255] = { 0 };//存放客户端发过来的信息
    int opt_val = 1;
    //初始化网络  参数一:使用ipv4  参数二:流式传输
    socketfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (socketfd == -1)
    {
        perror("socket error");
    }
    else
    {
        //原本使用struct sockaddr,通常使用sockaddr_in更为方便,两个数据类型是等效的,可以相互转换
        struct sockaddr_in s_addr;
        //确定使用哪个协议族  ipv4
        s_addr.sin_family = AF_INET;

        //系统自动获取本机ip地址 也可以是本地回环地址:127.0.0.1
        s_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.48.128");

        //端口一个计算机有65535个  10000以下是操作系统自己使用的,  自己定义的端口号为10000以后
        s_addr.sin_port = htons(10086);  //自定义端口号为10086

        len = sizeof(s_addr);

        //端口复用 解决 address already user 问题
        setsockopt(socketfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, (const void*)opt_val, sizeof(opt_val));

        //绑定ip地址和端口号
        int res = bind(socketfd, (struct sockaddr*)&s_addr, len);
        if (res == -1)
        {
            perror("bind error");
        }
        else
        {
            //监听这个地址和端口有没有客户端来连接  第二个参数现在没有用  只要大于0就行
            if (listen(socketfd, 2) == -1)
            {
                perror("listen error");
            }
        }

        int epollfd = 0;
        int epollwaitefd = 0;
        struct epoll_event epollEvent;
        struct epoll_event epollEventArray[5];

        //事件结构体初始化
        bzero(&epollEvent, sizeof(epollEvent));
        //绑定当前准备好的sockedfd(可用网络对象)
        epollEvent.data.fd = socketfd;
        //绑定事件为客户端接入事件
        epollEvent.events = EPOLLIN;
        //创建epoll
        epollfd = epoll_create(5);
        //将已经准备好的网络描述符添加到epoll事件队列中
        epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, socketfd, &epollEvent);

        while (1)
        {
            cout << "等待客户端epoll wait client......" << endl;
            epollwaitefd = epoll_wait(epollfd, epollEventArray, 5, -1);
            if (epollwaitefd < 0)
            {
                perror("epoll wait error");
            }
            for (int i = 0; i < epollwaitefd; i++)
            {
                
                if (epollEventArray[i].data.fd == socketfd)
                {
                    cout << "网络开始工作........等待客户端上线" << endl;
                    acceptfd = accept(socketfd, NULL, NULL);
                    cout << "acceptfd = " << acceptfd << endl;

                    
                    epollEvent.data.fd = acceptfd;
                    epollEvent.events = EPOLLIN; //EPOLLIN表示对应的文件描述符可以读
                    epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, acceptfd, &epollEvent);
                }
                else if (epollEventArray[i].events & EPOLLIN)
                {
                    bzero(buf, sizeof(buf));
                    int res = read(epollEventArray[i].data.fd, buf, sizeof(buf));
                    if (res > 0)
                    {
                        cout << "服务器收到 fd = " << epollEventArray[i].data.fd << " 发来的数据:buf = " << buf << endl;
                    }
                    else if (res <= 0)
                    {
                        cout << "........客户端掉线........" << endl;
                        close(epollEventArray[i].data.fd);

                        //从epoll中删除客户端描述符
                        epollEvent.data.fd = epollEvent.data.fd;
                        epollEvent.events = EPOLLIN;
                        epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_DEL, epollEventArray[i].data.fd, &epollEvent);
                    }
                }
            }
        }

    }
}

💻客户端完整代码

#include <iostream>
#include <sys/types.h>         
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <arpa/inet.h>

using namespace std;

int main()
{
    int socketfd = 0;
    int acceptfd = 0;

    struct sockaddr_in s_addr;
    int len = 0;
    char buf[255] = { 0 };//存放客户端发过来的信息
    int opt_val = 1;
    //初始化网络  参数一:使用ipv4  参数二:流式传输
    socketfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (socketfd == -1)
    {
        perror("socket error");
    }
    else
    {
        //原本使用struct sockaddr,通常使用sockaddr_in更为方便,两个数据类型是等效的,可以相互转换
        struct sockaddr_in s_addr;
        //确定使用哪个协议族  ipv4
        s_addr.sin_family = AF_INET;

        //系统自动获取本机ip地址 也可以是本地回环地址:127.0.0.1
        s_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.48.128");

        //端口一个计算机有65535个  10000以下是操作系统自己使用的,  自己定义的端口号为10000以后
        s_addr.sin_port = htons(10086);  //自定义端口号为10086

        len = sizeof(s_addr);

        //端口复用 解决 address already user 问题
        setsockopt(socketfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, (const void*)opt_val, sizeof(opt_val));

        //绑定ip地址和端口号
        int res = bind(socketfd, (struct sockaddr*)&s_addr, len);
        if (res == -1)
        {
            perror("bind error");
        }
        else
        {
            //监听这个地址和端口有没有客户端来连接  第二个参数现在没有用  只要大于0就行
            if (listen(socketfd, 2) == -1)
            {
                perror("listen error");
            }
        }

        int epollfd = 0;
        int epollwaitefd = 0;
        struct epoll_event epollEvent;
        struct epoll_event epollEventArray[5];

        //事件结构体初始化
        bzero(&epollEvent, sizeof(epollEvent));
        //绑定当前准备好的sockedfd(可用网络对象)
        epollEvent.data.fd = socketfd;
        //绑定事件为客户端接入事件
        epollEvent.events = EPOLLIN;
        //创建epoll
        epollfd = epoll_create(5);
        //将已经准备好的网络描述符添加到epoll事件队列中
        epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, socketfd, &epollEvent);

        while (1)
        {
            cout << "等待客户端epoll wait client......" << endl;
            epollwaitefd = epoll_wait(epollfd, epollEventArray, 5, -1);
            if (epollwaitefd < 0)
            {
                perror("epoll wait error");
            }
            for (int i = 0; i < epollwaitefd; i++)
            {
                
                if (epollEventArray[i].data.fd == socketfd)
                {
                    cout << "网络开始工作........等待客户端上线" << endl;
                    acceptfd = accept(socketfd, NULL, NULL);
                    cout << "acceptfd = " << acceptfd << endl;

                    
                    epollEvent.data.fd = acceptfd;
                    epollEvent.events = EPOLLIN; //EPOLLIN表示对应的文件描述符可以读
                    epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, acceptfd, &epollEvent);
                }
                else if (epollEventArray[i].events & EPOLLIN)
                {
                    bzero(buf, sizeof(buf));
                    int res = read(epollEventArray[i].data.fd, buf, sizeof(buf));
                    if (res > 0)
                    {
                        cout << "服务器收到 fd = " << epollEventArray[i].data.fd << " 发来的数据:buf = " << buf << endl;
                    }
                    else if (res <= 0)
                    {
                        cout << "........客户端掉线........" << endl;
                        close(epollEventArray[i].data.fd);

                        //从epoll中删除客户端描述符
                        epollEvent.data.fd = epollEvent.data.fd;
                        epollEvent.events = EPOLLIN;
                        epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_DEL, epollEventArray[i].data.fd, &epollEvent);
                    }
                }
            }
        }

    }
}

💻测试效果

通过跨平台连接Linux进行测试,先打开服务器再打开两个客户端

PS:上面的为服务器,下面两个为客户端1和客户端2 ,如下图所示:

参考:

【Linux】一文看懂多路复用IO模型(select、poll、epoll)_似末的博客-CSDN博客

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标签: 学习 网络 linux

本文转载自: https://blog.csdn.net/m0_61745661/article/details/125415324
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