I/O多路複用 ---- select、poll、epoll

一、什麼是I/O多路複用

當我們需要同時處理多個描述符時，使用單一描述符讀寫循環阻塞方式，會造成另一個描述符無法讀寫，造成大量數據無法處理丟失的狀況。這時候就需要採用一些方法來處理多個描述符。

• 方法一：多進程
  設置多個進程，每個進程處理一個描述的通路數據。這樣則每個描述符都可以單獨進行讀寫阻塞，並且不會對其他描述符讀寫造成影響。
  但缺點是，事實上處理的描述符是不同的，但是事務卻是同一事務，進程也只是父子進程關係，當該事務的一個部分出現問題或者需要終止時，需要與其他親子進程進行通信，同時終止，程序實現較爲複雜。
• 方法二：非阻塞I/O
  仍然使用單一進程，但是調用非阻塞I/O讀取數據，將多個描述符都設爲非阻塞，例如對第一個描述符進行read，該描述符上如果有數據，那麼進行read，如果沒有數據，則read立即返回，並對下一個描述符進行處理，知道遍歷完成所有描述符，等待若干時間在進行下一次循環遍歷，這種循環機制也被稱作輪訓機制。
  這種方法的缺點顯而易見是會造成CPU時間浪費，因爲每個描述符可能很少會有數據，而卻要不停地去循環讀取，造成CPU大量空轉。並且，循環一遍的時間也並不容易確定，可能需要根據實際需求去指定這個時間，也難以避免會產生阻塞時間碎片，還是浪費時間。
• 方法三：異步I/O
  該方法的思想是，當一個描述符準備好進行I/O時，那麼發送一個信號告知內核，我準備好了，快調用我。
  該方法的問題有兩個，一是並不是所有系統都支持該方法。其次計算系統支持，每個進程都只對應一個該信號，當該信號發出時，內核也很難去確定到底是哪個描述符準備好進行I/O了。
• 方法四：I/O多路複用
  I/O複用的基本思想是，先構造一張有關描述符的表，然後調用一個函數，該函數會根據需要去遍歷這張表，知道這些描述符中有一個描述符準備好進行I/O時，它才返回，並且會告訴進程，是哪一個描述符準備好進行I/O了。
  該方法用了兩個重要的函數select和poll。

二、select函數

1.select函數的工作機制

首先傳向select的參數會告訴內核：

• 我們所關心的描述符集
• 對於每個描述符的關心條件（是否讀、寫、異常）
• 希望等待多長時間
  從select返回時，我們會得到：
• 已經準備好的描述符的數量
• 哪一個描述符已經準備好我們所關心的條件
  使用返回值，我們就可以對返回的描述符進行I/O操作，並且確認該函數不會阻塞。

2.select函數的原型

#include <sys/types.h>/* fd_set data type */
#include <sys/time.h> /* struct timeval */
#include <unistd.h> /* function prototype might be here */
int select (int maxfdp1, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *tvptr)

• 第一個參數maxfdp1的意思是“最大fd加1（max fd plus 1）”。在三個描述符集中找出最高描述符編號值，然後加 1，這就是第一個參數值。也可將第一個參數設置爲FD_SETSIZE，這是一個< sys/types.h>中的常數，它說明了最大的描述符數（經常是256或1024）。但是對大多數應用程序而言，此值太大了。確實，大多數應用程序只應用3 ~ 10個描述符。如果將第三個參數設置爲最高描述符編號值加 1，內核就只需在此範圍內尋找打開的位，而不必在數百位的大範圍內搜索。
• 中間三個參數readfds、writefds和exceptfds是指向描述符集的指針。這三個描述符集說明了我們關心的可讀、可寫或處於異常條件的各個描述符。每個描述符集存放在一個fd_set數據類型中。
  
  關於fd_set類型變量有四個重要的宏：

FD_ZERO(fd_set, *fdset);			//給所有描述符位清零
FD_SET(int fd, fd_set *fdset);		//設置爲我們關心的描述符
FD_CLR(int fd, fd_set *fdset);		//關閉之前的關心設置
FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset);	//測試指定描述符位是否依舊爲關心

• 最後一個參數，它指的是願意等待的時間。

struct timeval {
	long tv_sec;
	long tv_usec;
}

當tvptr == NULL時，表示永遠等待。當所有指定的描述符中有一個準備好，或者捕捉到一箇中斷信號時返回。如果是信號返回，則函數返回值爲-1，errno設置爲EINTR。

當tvptr->tv_sec == 0 && tvptr->tv_usec == 0 時，表示完全不等待。測試所有指定的描述符並立即返回。這是得到多個描述符的狀態而不阻塞select函數的輪詢方法。

當tvptr->tv_sec != 0 || tvptr->tv_usec != 0 時，表示等待指定的秒數或者微秒數，這種等待也可能捕捉到中斷信號。

三、poll函數

poll函數和select類似，但是調用形式有所不同。

#include <stropts.h>
#include <poll.h>
int poll(struct pollfd fdarray[],unsigned long nfds,int timeout);

與select不同，poll不是爲每個條件構造一個描述符集，而是構造一個pollfd結構數組，每個數組元素指定一個描述符編號以及對其所關心的條件。

struct pollfd {
int fd; /* file descriptor to check, or < 0 to ignore */
short events; /* events of interest on fd */
short revents ; /* events that occurred on fd */
}

nfds表示描述符數組fdarray的元素數量。
將events成員設置爲下表中所示值的一個或幾個。通過這些值告訴內核我們對該描述符關心的是什麼。返回時，內核設置revents成員，以說明對該描述符發生了什麼事件。（注意，poll沒有更改events成員，這與select不同，select修改其參數以指示哪一個描述符已準備好了。）
表中頭四行測試可讀性，接着三行測試可寫性，最後三行則是異常條件。最後三行是由內核在返回時設置的。即使在events字段中沒有指定這三個值，如果相應條件發生，則在revents中也返回它們。
當一個描述符被掛斷後（POLLHUP），就不能再寫向該描述符。但是仍可能從該描述符讀取到數據。

poll的最後一個參數說明我們想要等待多少時間。如同select一樣，有三種不同的情形：
- timeout == INFTIM，表示永遠等待；
- timeout == 0，表示不等待；
- timeout > 0，表示等待多少毫秒；

四、epoll函數

待更新。。。

參考材料《UNIX環境高級編程》