I/O多路复用

应用程序常常需要在多于一个文件描述符上阻塞。在不使用线程，尤其是独立处理每一个文件的情况下，进程无法在多个文件描述符上同时阻塞。尤其是对于网络应用程序而言，同时打开的多个套接字，会诱发潜在的问题。
非阻塞IO可以作为这个问题的一个解决方案，但这种方法效率较差。首先，进程要以某种不确定的方式不断发起I/O操作，直到某个打开的文件描述符准备好进行I/O。其次，如果程序可以睡眠的话将更加有效，可以让处理器进行其他工作，直到一个或更多文件描述符可以进行I/O时再唤醒。

• I/O多路复用

I/O多路复用允许应用在多个文件描述符上同时阻塞，并在其中某个可以读写时收到通知。
这时I/O多路复用就成了应用的关键所在，一般来讲I/O多路复用的设计遵循以下原则：

1. I/O多路复用：当任何文件描述符准备好I/O时告诉我
2. 在一个或更多文件描述符就绪前始终处于睡眠状态
3. 唤醒：哪个准备好了？
4. 在不阻塞的情况下处理所有I/O就绪的文件描述符。
5. 返回第一步，重新开始。
   Linux提供了三种I/O多路复用方案：select, poll和epoll。其中epoll是Linux特有的高级方法。

• select( )
  select( )系统调用提供了一种实现同步I/O多路复用的机制：

#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

int select(int n, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

在指定的文件描述符准备好I/O之前或者超过一定的时间限制，select( )调用就会阻塞。
监测的文件描述符可以分为三类，分别等待不同的时间。

• 监测readfds集合中的fd，确认其中是否有可读数据（也就是说，读操作可以无阻塞的完成）
• 检测writefds集合中的fd，确认其中是否有一个写操作可以不阻塞地完成
• 监测exceptfds集合中的fd，确认其中是否有出现异常发生或者出现带外(out-of-band)数据（这种情况只适用于套接字）。

如果指定的集合为NULL，则seletc( )不对此类时间进行监视。
成功返回时，每个集合只包含对应类型的I/O就绪的文件描述符。
第一个参数n，等于所有集合中文件描述符的最大值加一。这样，select( )的调用者需要找到最大的文件描述符值，并将其加一后传给第一个参数。
最后的timeout参数是一个指向timeval结构体的指针，定义如下：

#include <sys/time.h>
struct timeval {
    long tv_sec; /* seconds */
    long tv_usec; /*  microseconds */
};

如果这个参数不是NULL，即时此时没有文件描述符处于I/O就绪状态，select( )调用也将在tv_sec秒tv_usec微秒后返回。返回时，这个结构图的状态是未定义的。

• 较新版本的Linux会自动将该值改为剩余的时间。
• 如果时限中的两个值都是零，调用会立即返回，并报告调用时所有事件对应的文件描述符均不可用，且不等待任何后续事件。

三个集合中的fds并不直接操作，而是通过以下辅助宏来进行管理：

• FD_ZERO从指定的集合中移除所有文件描述符:

fd_set writefds;
FD_ZERO(&writefds);

• FD_SET想指定集合中添加一个文件描述符

FD_SET(fd, &writefds);

• FD_CLR从指定集合中移除一个文件描述符，设计良好的代码应该从不使用FD_CLR，一般来讲，很少使用该宏

FD_CLR(fd, &writefds);

• FD_ISSET测试一个文件描述符在不在给定集合中。如果在，返回一个非0值，不在，返回0。一般在select( )调用返回后使用FD_ISSET来检查一个文件描述符是否就绪。

if (FD_ISSET(fd, &readfds))
/* 'fd' is readable without blocking! */

• 由于文件描述符集合是静态建立的，所以对于文件描述符数量的上限和文件描述符的最大值均有限制。二者都由FD_SETSIZE设定。在Linux上，这个值是1024。

用select( )实现可移植的sleep( )

由于select( )在各种Unix系统中都很容易实现，相对于微妙级精度的睡眠机制来讲，经常将select( )做为一种可移植的微秒级的睡眠机制。

• 该方法通过将三个集合值设为空NULL，将超时值设置为non-NULL来实现。

struct timeval tv;
tv.tv_sec = 0;
tv.tv_usec = 500;
/* sleep for 500 microseconds */
 select(0, NULL, NULL, NULL, &tv);

pselect( )

POSIX定义了自己的方法--pselect( )：

#define _XOPEN_SOURCE 600
#include <sys/select.h>
int pselect(int n, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, const struct timespec *timeout, const sigset_t *sigmask);

四个宏定义与select的相同。
pselect( )和select( )有三点不同：

1. pselect( )的timeout参数使用了timespec结构。timespec使用秒和纳秒，而select的timeval使用秒和豪秒。理论上timespec更精准一些。
2. pselect( )调用并不修改timeout参数。
3. pselect( )比select( )多一个sigmask参数。当这个参数被设置为零时，pselect( )的行为等同于select( ).

• 添加pselect( )到Unix工具箱的主要原因是为了增加sigmask参数，以此来解决信号和等待文件描述符之间的竞争关系。
• pselect( )提供了一组可阻塞的信号，阻塞的信号直到解除阻塞才会被处理。
• 如果不考虑pselect( )中的改进，大多数应用会继续使用select( )，部分是出于习惯，其他则是考虑可移植性。

poll( )

poll( )系统调用是system V的I/O多路复用解决方案。

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

poll( )使用一个简单的nfds个pollfd结构体构成的数组，fds指向该数组

#include <sys/poll.h>
struct pollfd {
  int fd; /* file descriptor */
  short events; /* requested events to watch */
  short revents;  /* returned events witnessed */
};

每个pollfd结构体指定监视单一的文件描述符。可以传递多个结构体，使得poll( )监视多个文件描述符。

• events是要监视的fd事件的一组位掩码，用户设置这个字段
• revents是发生在该fd上的事件的位掩码，内核在返回时设置这个字段

下面是合法的事件：

• POLLIN：没有数据可读
• POLLRDNORM：有正常数据可读
• POLLRDBAND：有优先数据可读
• POLLPRI：有高优先级数据可读
• POLLOUT：写操作不会阻塞
• POLLWRNORM：写正常数据不会阻塞
• POLLBAND：写优先数据不会阻塞
• POLLMSG：有一个SIGPOLL消息可用

另外，如下事件可能在revents中返回：

• POLLER：给出文件描述符上有错误
• POLLHUP：文件描述符上有挂起事件
• POLLNVAL：给出的文件描述符非法

POLLIN|POLLPRI等价于select( )的读事件，而POLLOUT|POLLWRBAND等价于select( )的写事件。POLLIN等价于POLLRDNORM|POLLRDBAND， 而POLLOUT等价于POLLWRNORM。

• 举例来说，监视一个文件描述符是否可读写，需设置events为POLLIN|POLLOUT。返回时，将在revents中检查是否有相应的标志。
• timeout参数指定在任何I/O就绪前需要等待时间的长度，以毫秒计。负值表示永远等待。一个零值表示调用立即返回，列出所有未准备好的I/O，但不等待任何其他事件。这种情况下，poll( )就如图其名，轮询一次后立即返回。

ppoll( )：

Linux提供了一个poll( )的近似调用——ppoll( )。ppoll( )和pselect( )同源，然而和pselect( )不同的是，ppoll( )是Linux的专有调用：

#define _GNU_SOURCE
#include <sys/poll.h>
int ppoll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, const struct timespec *timeout, const sigset_t *sigmask);

像pselect( )那样，timeout参数以秒和纳秒计指定了时限，而sigmask参数提供了一组等待处理的信号。

对比poll( )与select( )：

一般来说，poll( )系统调用优于select( ):

• poll( )无需使用者计算最大的文件描述符值加一和传递该参数
• poll( )应对较大值的fd时更具效率。
• 使用poll( )可以创建合适大小的数组，只需要监视一项或仅仅传递一个结构体。
• poll( )系统调用分离了输入events字段和输出revents字段，数组无需改变即而重用。
• select的timeout参数在返回时是未定义的。可移植的代码需要重新初始化它。然而pselect没有这个问题。