1. Linux下的五种I/O模型

1)阻塞I/O（blocking I/O）
2)非阻塞I/O （nonblocking I/O）
3) I/O复用(select 和poll) （I/O multiplexing）
4)信号驱动I/O （signal driven I/O (SIGIO)）
5)异步I/O （asynchronous I/O (the POSIX aio_functions)）

（前四种都是同步，只有最后一种才是异步IO。）

五种I/O模型的比较：

2.多路复用--select

系统提供select函数来实现多路复用输入/输出模型。select系统调用是用来让我们的程序监视多个文件句柄的状态变化的。程序会停在select这里等待，直到被监视的文件句柄有一个或多个发生了状态改变。关于文件句柄，其实就是一个整数，我们最熟悉的句柄是0、1、2三个，0是标准输入，1是标准输出，2是标准错误输出。0、1、2是整数表示的，对应的FILE *结构的表示就是stdin、stdout、stderr。

select函数

int select(int maxfd,fd_set *rdset,fd_set *wrset, \  fd_set *exset,struct timeval *timeout);

参数说明：

参数maxfd是需要监视的最大的文件描述符值+1；rdset,wrset,exset分别对应于需要检测的可读文件描述符的集合，可写文件描述符的集合及异常文件描述符的集合。struct timeval结构用于描述一段时间长度，如果在这个时间内，需要监视的描述符没有事件发生则函数返回，返回值为0。

下面的宏提供了处理这三种描述词组的方式:
FD_CLR(inr fd,fd_set* set)；用来清除描述词组set中相关fd 的位
FD_ISSET(int fd,fd_set *set)；用来测试描述词组set中相关fd 的位是否为真
FD_SET（int fd,fd_set*set）；用来设置描述词组set中相关fd的位
FD_ZERO（fd_set *set）；用来清除描述词组set的全部位

参数timeout为结构timeval，用来设置select()的等待时间，其结构定义如下：

struct timeval
{  time_t tv_sec;//second  time_t tv_usec;//minisecond
};

如果参数timeout设为：

NULL，则表示select（）没有timeout，select将一直被阻塞，直到某个文件描述符上发生了事件。

0：仅检测描述符集合的状态，然后立即返回，并不等待外部事件的发生。

特定的时间值：如果在指定的时间段里没有事件发生，select将超时返回。

函数返回值：

执行成功则返回文件描述词状态已改变的个数，如果返回0代表在描述词状态改变前已超过timeout时间，没有返回；当有错误发生时则返回-1，错误原因存于errno，此时参数readfds，writefds，exceptfds和timeout的值变成不可预测。

理解select模型：

理解select模型的关键在于理解fd_set,为说明方便，取fd_set长度为1字节，fd_set中的每一bit可以对应一个文件描述符fd。则1字节长的fd_set最大可以对应8个fd。

（1）执行fd_set set; FD_ZERO(&set);则set用位表示是0000,0000。

（2）若fd＝5,执行FD_SET(fd,&set);后set变为0001,0000(第5位置为1)

（3）若再加入fd＝2，fd=1,则set变为0001,0011

（4）执行select(6,&set,0,0,0)阻塞等待

（5）若fd=1,fd=2上都发生可读事件，则select返回，此时set变为0000,0011。注意：没有事件发生的fd=5被清空。

基于上面的讨论，可以轻松得出select模型的特点：

• 可监控的文件描述符个数取决与sizeof(fd_set)的值。

• 将fd加入select监控集的同时，还要再使用一个数据结构array保存放到select监控集中的fd，一是用于再select 返回后，array作为源数据和fd_set进行FD_ISSET判断。二是select返回后会把以前加入的但并无事件发生的fd清空，则每次开始 select前都要重新从array取得fd逐一加入（FD_ZERO最先），扫描array的同时取得fd最大值maxfd，用于select的第一个 参数。

• 可见select模型必须在select前循环array（加fd，取maxfd），select返回后循环array（FD_ISSET判断是否有时间发生）。

select缺点：

（1）每次调用select，都需要把fd集合从用户态拷贝到内核态，这个开销在fd很多时会很大

（2）同时每次调用select都需要在内核遍历传递进来的所有fd，这个开销在fd很多时也很大

（3）select支持的文件描述符数量太小，默认是1024

3.多路复用--poll

poll与select非常相似，不同之处在于，select使用三个位图来表示三种不同的事件，而poll使用一个 pollfd的指针实现。

poll函数

#include <poll.h>
int poll (struct pollfd *fds, unsigned int nfds, int timeout);

参数说明:

fds：是一个struct pollfd结构类型的数组，其结构如下：

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

该结构用于存放需要检测其状态的Socket描述符；每当调用这个函数之后，系统不会清空这个数组，操作起来比较方便；特别是对于 socket连接比较多的情况下，在一定程度上可以提高处理的效率；这一点与select()函数不同，调用select()函数之后，select() 函数会清空它所检测的socket描述符集合，导致每次调用select()之前都必须把socket描述符重新加入到待检测的集合中；因 此，select()函数适合于只检测一个socket描述符的情况，而poll()函数适合于大量socket描述符的情况；

nfds：nfds_t类型的参数，用于标记数组fds中的结构体元素的总数量；

timeout：是poll函数调用阻塞的时间，单位：毫秒；如果timeout>0那么poll()函数会阻塞timeout所指定的毫秒时间长度之后返回。如果timeout==0，那么 poll() 函数立即返回而不阻塞，如果timeout==INFTIM，那么poll() 函数会一直阻塞下去，直到所检测的socket描述符上的感兴趣的事件发 生是才返回，如果感兴趣的事件永远不发生，那么poll()就会永远阻塞下去；

返回值:

>0：数组fds中准备好读、写或出错状态的那些socket描述符的总数量；

==0：数组fds中没有任何socket描述符准备好读、写，或出错；此时poll超时，超时时间是timeout毫秒；换句话说，如果所检测的 socket描述符上没有任何事件发生的话，

-1：  poll函数调用失败，同时会自动设置全局变量errno；

poll() 函数的功能和返回值的含义与 select() 函数的功能和返回值的含义是完全一样的，两者之间的差别就是内部实现方式不一样。

4.select实例之网络服务器（poll实现类似）

服务器端

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/select.h>
#include <string.h>#define _MAX_LISTEN_ 5
#define _MAX_SIZE_ 10
#define _BUF_SIZE_ 1024int fd_arr[_MAX_SIZE_];
int max_fd = -1;static void init_fd_arr()
{int i = 0;for(; i < _MAX_SIZE_; ++i){fd_arr[i] = -1;}
}static int add_fd_arr(int fd)
{int i = 0;for(; i < _MAX_SIZE_; ++i){if(fd_arr[i] == -1){fd_arr[i] = fd;return 0;}}return 1;
}static void remove_fd_arr(int fd)
{int i = 0;for(; i < _MAX_SIZE_; ++i){if(fd_arr[i] == fd){fd_arr[i] = -1;break;}}
}static void reload_fd_arr(fd_set* pset)
{int i = 0;max_fd = -1;for(; i < _MAX_SIZE_; ++i){if(fd_arr[i] != -1){FD_SET(fd_arr[i], pset);if(fd_arr[i] > max_fd)max_fd = fd_arr[i];}}
}static printf_msg(int i, const char* msg)
{printf("client %d # %s\n", fd_arr[i], msg);
}void Usage(const char* proc)
{printf("%s usage: [ip] [port]\n", proc);
}int startup(const char* _ip, const char* _port)
{int sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if(sock < 0){perror("socket");exit(1);}int opt = 1;if (setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt)) < 0) {perror("setsockopt");exit(2);}  struct sockaddr_in local;local.sin_family = AF_INET;local.sin_port = htons(atoi(_port));local.sin_addr.s_addr = inet_addr(_ip);if(bind(sock, (struct sockaddr*)&local, sizeof(local)) < 0){perror("bind");exit(3);}if(listen(sock, _MAX_LISTEN_) < 0){perror("listen");exit(4);}return sock;
}int main(int argc, char* argv[])
{if(argc != 3){Usage(argv[0]);return 1;}int listen_sock = startup(argv[1], argv[2]);init_fd_arr();add_fd_arr(listen_sock);fd_set rfds;FD_ZERO(&rfds);struct timeval tv = {5, 0};while(1){reload_fd_arr(&rfds);int fds = select(max_fd+1, &rfds, NULL, NULL, NULL);switch(fds){case -1:perror("select");exit(5);break;case 0:printf("time out\n");break;default:{int index = 0;for(; index < _MAX_SIZE_; ++index){if(fd_arr[index] == listen_sock && FD_ISSET(fd_arr[index], &rfds)) //new accept{struct sockaddr_in peer;socklen_t len = sizeof(peer);int new_fd = accept(listen_sock, (struct sockaddr* )&peer, &len);if(new_fd < 0){perror("accept");exit(6);}printf("get a new client %d -> ip: %s port: %d\n", new_fd, inet_ntoa(peer.sin_addr), ntohs(peer.sin_port));if(1 == add_fd_arr(new_fd)){perror("fd_arr is full\n");close(new_fd);exit(7);}continue;}if(fd_arr[index] != -1 && FD_ISSET(fd_arr[index], &rfds)) //new read fd{char buf[_BUF_SIZE_];memset(buf, '\0', sizeof(buf));ssize_t _s = read(fd_arr[index], buf, sizeof(buf)-1);if(_s > 0){buf[_s] = '\0';printf_msg(index, buf);}else if(_s == 0) //client closed{printf("client %d is closed...\n", fd_arr[index]);FD_CLR(fd_arr[index], &rfds);close(fd_arr[index]); // must before remove!!!remove_fd_arr(fd_arr[index]);}else{}}}}break;}}return 0;
}

客户端

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>void Usage(const char* proc)
{printf("usage: %s [ip] [port]\n", proc);
}int main(int argc, char* argv[])
{if(argc != 3){Usage(argv[0]);exit(1);}int conn_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);struct sockaddr_in conn;conn.sin_family = AF_INET;conn.sin_port = htons(atoi(argv[2]));conn.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);if(connect(conn_sock, (const struct sockaddr*)&conn, sizeof(conn)) < 0){perror("connect");exit(2);}char buf[1024];memset(buf, '\0', sizeof(buf));while(1){printf("please enter # ");fflush(stdout);ssize_t _s = read(0, buf, sizeof(buf)-1);if(_s > 0){buf[_s-1] = '\0';write(conn_sock, buf, strlen(buf));}}return 0;
}

程序演示

使用Telnet测试

使用客户端测试

使用浏览器测试