I/O複用

1. 概念

    當從一個fd讀,寫到另一個fd時，可以在下列形式的循環中使用阻塞I/0。

while((n = read(STDIN_FILENO, buf, BUFSIZ)) > 0)

if (write(STDOUT_FILENO, buf, n) != n)

exit(1);

    但是如果必須從兩個fd中讀，如果仍然使用阻塞式I/O，那麼程序就會長時間阻塞在一個描述符上。這在網絡編程中需要多個socket中獲取數據的情況尤爲常見。

    解決方法一般有如下幾種：

a).使用多進程/線程模型，每個進程/線程阻塞式等待一個fd。但是需要之間的多個信號通信機制，增加了程序的複雜性。

b).使用非阻塞式I/O(open with O_NOBLOCK)，不斷輪詢(polling)多個描述符。但浪費CPU時間，並且多次執行read的系統調用。每次polling一遍後應該sleep若干時間，但這個時間很難確定。

c).使用信號驅動I/O模型。首先用sigaction設置SIGIO的信號處理程序，這樣內核在數據ready的時候就發送一個SIGIO給進程，進程用信號處理程序接收並處理，完成時成功返回。

d).使用異步I/O(asynchronous I/O)。基本思想是進程告訴內核，當一個fd已經ready的時候，用一個signal通知它。需要注意的是，並非所有的UNIX系統都支持。(System V爲這種機制提供了SIGPOLL信號，但是僅當fd是STEAMS設備的時纔可用。另外這個信號對每個進程而言只有一個，如果該信號對兩個fd都起作用則無法判斷哪一個已經ready。爲了確定，則將多個fd都設爲非阻塞的，以此read來判斷)。Linux支持異步I/O但是不默認支持STREAMS機制。與信號驅動I/O相比，信號驅動是通知發起時通知進程，然後將數據從內核讀到進程空間。而異步I/O是完成全部過程才通知進程。

e).使用I/O複用(I/O multiplexing)。先構造一張有關fd的列表，然後調用一個函數。直到fd中一個已經準備進行I/O時，這個函數才返回。多路轉接是這種問題實現的最好方式。具體函數介紹如下。

 

2.select和pselect函數

select函數使我們可以執行I/0多路轉接，傳向select的參數告訴內核：

 (1).關心的fd 

 (2).對於每個fd關心的狀態。(讀，寫或者異常)

從select返回，內核告訴我們：

 (1).已經準備號的fd數量。

 (2).對於讀，寫或者異常這三個狀態中的每一個，哪些描述符已經準備好。

 

#include <sys/select.h>

int select(

int nfds,

fd_set *readfds, 

fd_set *writefds,

fd_set *exceptfds, 

struct timeval *timeout

);

/*返回值

 *-1         出錯

 *0          沒有描述符準備好，並超時        

 *n>0        返回已準備好的描述符的數量，該值是三個描述符中已準備好的描述符之和，若一個描述既準備好讀，又準備好了寫，那麼返回2。

*/

 

    該函數提供了一種在單個進程中監視多個文件描述符的方法。可以對三種類型的描述符集進行監視：可讀(第2個參數：readfds)、可寫(第3個參 數：writefds)、處於異常狀態(第4個參數：exceptfds)的描述符。從第2個參數起，參數都可以爲空(NULL)，當文件描述符集爲空時，表示不監視其描述符的狀態；nfds 是三個文件描述符號中最大的描述符+1。這樣就會在一定的範圍內搜索需要檢測的描述符，否則，將會在所有可選的fd_set中搜索。

    最後一個描述符爲願意等待的時間，

struct timeval {

long tv_sec; /*seconds*/

long tv_usec; /*and microseconds*/

}

timeval *timeout有三種情況

a). timeout == NULL 表示永遠阻塞，直到fd準備好。

b). timeout->tv_sec == 0 && timeout->tv_usec == 0 表示完全不等待，測試所有的fd並立即返回。這樣得到多個fd的狀態而不阻塞select函數的polling方法。

c). timeout->tv_sec != 0 && timeout->tv_usec != 0 等待指定的秒數和毫秒數。當指定的fd之一已經ready時，或者指定時間到達時立即返回。如果是超時時返回則返回0。

 

fd_set類型中，每一個可能的文件描述符佔1位。相關輔助函數：

 

#include <sys/select.h>
void FD_CLR(int fd, fd_set *set);   //清除其中的一位
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set);  //看其中的一位是否被設定
void FD_SET(int fd, fd_set *set);   //設定其中的一位
void FD_ZERO(fd_set *set);      //清零
例如:
fd_set rset, wset;
int maxfd;

FD_ZERO(&rset);        //不管定義哪一個集合都必須要先清零
FD_ZERO(&wset);
//設置讀集
FD_SET(STDIN_FILENO, &rset);
//設置寫集
FD_SET(STDOUT_FILENO, &wset);
FD_SET(LOG_FILENO, &wset);
maxfd = LOG_FILENO + 1;        //必須是FD_SET中最大的描述符 + 1

while(1){
    /*每次都必須要先清零*/
    FD_ZERO(&rset);
    FD_ZERO(&wset);
    /*設置讀集*/
    FD_SET(STDIN_FILENO, &rset);
    /*設置寫集*/
    FD_SET(STDOUT_FILENO, &wset);
    FD_SET(LOG_FILENO, &wset);

    if ( (ret_no = select(maxfd, &rset, &wset, NULL, NULL)) == -1) && (errno == EINTR)) continue; /*若是被信號中斷，則自啓動，Linux下是自啓動的可以不判斷。
    if (num == -1)          //error happened
        return ntotal;
    if (FD_ISSET(1, &rset)) {    /*返回時檢查三個fd_set,仍然被set的則爲ready的fd。看是哪一個準備好了讀,或者用循環從1檢查到maxfd*/
            ...
        }
        if (FD_ISSET(1, &wset)) {
            ...
        }
    if (FD_ISSET(LOG_FILENO, &wset)) {
            ...
        }
}

        

在什麼樣的情況下描述符準備好?

    .對於讀集合(readfds)     中的一個描述符的讀操作read不會阻塞，則此描述符準備好。

    .對於寫集合(writefds)     中的一個描述符的寫操作write不會阻塞，則此描述符準備好。

    .對於異常集合(exceptfds)     中的一個描述符有一個未決異常狀態，則此描述符準備好。

 

pselect是select變體。與select不同的是timeout使用timespec結構，而且pselect可以使用可選信號屏蔽字，若sigmask爲非空，則使用pselect時以原子操作安裝該信號屏蔽字，返回時恢復。

 

3.poll與ppoll：功能類似於select/pselect。與select函數不同，poll函數不時按照文件描述符的類型來組織信息的，而是通過pollfd數組來組織信息。每個數組元素指定一個描述符編號以及一個對其關心的狀態（從數字的fds中的event設置）。

 

#include <poll.h>
int poll(
    struct pollfd *fds, /* fds是一個pollfd數組，說明關心的描述符和它的狀態。*/
    nfds_t nfds,        /* nfds    給出要監視的描述符的數目 */
    int timeout     /* timeout    是毫秒錶示的時間值，是poll沒有接受到事件的等待時間。*/
);

int ppoll(
    struct pollfd *fds,
    nfds_t nfds,
    const struct timespec *timeout,
    const sigset_t *sigmask
);
/* 返回值
 *       0     超時
 *       -1    錯誤
 *       成功   返回擁有事件的描述符的數目。並從fds數組的revent裏獲得狀態信息！
 */

struct pollfd {
    int   fd;         /* file descriptor */
    short events;     /* requested events */
    short revents;    /* returned events */
};

時間參數：

int timeout;

timeout == -1永遠等待直到當所指定的fd有一個已經準備好。

timeout == 0 不等待立即返回

timeout > 0  當指定的fd之一已經準備好，或者超過指定的時間返回（超時返回則返回值0）。

 

 

Reference:

APUE Chapter 14

UNP Chapter 6