C++ I/O多路复用 select / poll / epoll

2024-09-08 15:04

本文主要是介绍C++ I/O多路复用 select / poll / epoll,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

I/O多路复用:在网络I/O中,用 1个或1线程 管理 连接描述符

            如果有至少一个描述符准备就绪,就处理对应的事件

            如果没有,就会被阻塞,让出CPU给其他应用程序运行,直到有准备就绪的描述符 或 超时

                                                                                        (当超时时间设置为 -1 时,表示永不超时)

I/O多路复用的优势

        I/O多路复用的优势如下所示:

  1. 高效利用资源: 通过在单一线程中管理多个 I/O 操作,减少了线程创建和上下文切换的开销。

  2. 减少阻塞: 允许程序在等待 I/O 操作时继续处理其他任务,提高了应用的响应能力和吞吐量。

  3. 降低系统负担: 减少了对系统调用的频繁使用,尤其在处理大量连接时,性能优于传统的多线程或多进程模型。

  4. 简化编程模型: 使得程序可以以事件驱动的方式处理多个 I/O 操作,从而简化了复杂的并发编程模型。

一、select模式

int select(int nfds, //最大描述符值fd_set *readfds, //读fd_set *writefds, //写fd_set *exceptfds, //异常struct timeval *timeout); //超时时间

        select支持Windowlinux系统。他的流程如下:

  • 设置文件描述符集: 程序通过 FD_SET 宏将感兴趣的文件描述符添加到读、写或异常事件的集合中。(默认会创建三种内置描述符:

                                0描述符:输入流

                                1描述符:输出流

                                2描述符:错误流         )

  • 调用 select 函数: 程序调用 select,传入最大文件描述符值、读、写和异常文件描述符集以及超时时间。

  • 阻塞等待: select 会被阻塞,直到至少有一个文件描述符准备好进行 I/O 操作,或直到超时。

  • 检查文件描述符状态: select 返回后,程序通过 FD_ISSET 宏检查哪些文件描述符的状态发生了变化。

  • 处理事件: 根据 FD_ISSET 返回的结果,程序可以处理那些已经准备好的文件描述符。

                (这里用可读事件举例子:

                             <1> 如果,接收到的描述符 == 服务器描述符,说明 服务器存在可读事件

                                    也就是说,此时有客户端发出了新的连接,需建立一个新的连接

                                    然后将新的客户端的文件描述符添加到集合中,并更新最大文件描述符值

                             <2> 如果,接收到的描述符 == 客户端描述符,说明 客户端有新消息

                                     此时读出消息,再根据内容向客户端回传信息

                                     如果读出错误则关闭这条连接。                                                        )

  • 重置文件描述符集: 如果 select 被重新调用,文件描述符集必须在每次调用前重新设置

1.1 优缺点

        优点:select方式是兼容性最广的,支持Windows和Linux

        缺点:每次调用select函数,会将整个FD_SET(维护所有文件描述符的数据结构)

                    从 用户态 的堆 复制到 内核态的堆,以供内核态检查。系统开销大

二、poll模式

//poll函数返回的是 “发生事件的文件描述符数量”
int poll(struct pollfd *fds, //描述符数组的指针nfds_t nfds, //数组中描述符数量int timeout); //超时时间struct pollfd {int fd;         // 文件描述符short events;   // 需要监视的事件类型short revents;  // 实际发生的事件
};

2.1 监视事件类型

        对于每个文件描述符,设置所需监视的事件类型events(如读、写或异常事件)。这些事件类型可以是:

     POLLIN:表示可以读取数据。

     POLLOUT:表示可以写入数据。

     POLLERR:表示发生了错误

     POLLHUP:表示挂起(比如管道关闭)

     POLLNVAL:表示无效的文件描述符

2.2 检查真实发生事件

        上述五种类型,本质上是五种宏定义,其实是各自取一位为1,其余为0。(比如,POLLIN为0x1,POLLOUT为0x4)

        因此,当我们需要判断一个真实发生事件的类型是否是读取类型,可以通过以下语句:

if(fd[i].revents & POLLIN) {//处理读取事件
}

三、epoll模式

epoll模式又叫做event poll模式,它与select不同的是:

       select返回的是一系列文件描述符,至于哪些要做哪种事件,需要我们自己轮询

       epoll会通过回调函数告知我们一个有变化的描述符,并且告诉我们需要完成哪种事件

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