I/O 复用

Posted on 2023-09-15 Edited on 2025-08-19 In UNIX

1. 概述

I/O 复用可以使一个进程监听多个 I/O 事件 (包括基本的读写事件) 的发生，而不是每个事件都对应一个阻塞线程，以提升程序的 I/O 效率。可以设置：当可读事件发生时，函数返回；
- 可读事件包含以下几种：
  - 内核缓冲区字节数大小大于或等于其低水位标记 SO_RCVLOWAT （前文提到默认为 1 byte）
  - socket 连接被关闭
  - 监听 socket 上有新的连接请求
- 可写事件包含以下几种：
  - 发送缓冲区字节大于或等于 SO_SNDLOWAT
  - socket 上的写操作被关闭
  - socket 使用非阻塞的 connect 连接成功或超时、
  - socket 上有未处理的错误。可以使用 getsockopt 读取和清除该错误

2. Linux 库中的 I/O 复用

2.1 select

前三项表示对读、写和异常事件的监听，fd 按照 fd_set 结构传入，监听的事件被触发时，函数返回并将传入的 fd 修改后从内核复制到用户区。函数成功调用返回 就绪的文件描述符数量 ，若超时则返回 0 ，如果在等待期间接收到信号则返回 -1 并设置 errno 为 EINTR
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#include <sys/select>
int select(int nfds, fd_set* rdfds, fd_set* wrfds, fd_set* excpfds, struct timeval* timeout);

fd_set 的结构在此不进行深究，其内部使用 bitmap 。可以用以下几组函数设置

#include <sys/select.h>
void FD_ZERO(fd_set* fdset);		// 清除所有fd位
void FD_CLR(int fd, fd_set* fdset);	// 清除指定fd位
void FD_SET(int fd, fd_set* fdset); 
int FD_ISSET(int fd, fd_set* fdset); // 判断指定fd位是否设置

使用 select 的时候可以把监听 fd 放入 fd 集合中一起处理，之后借助上述几个函数判断是什么事件使 select 返回，再逐一处理。注意内核会修改传入的 fd 集合，每次使用 select 的时候都应该清除触发的 fd 位，不然会导致同一个事件重复触发。

2.2 poll

与上述 select 函数略有不同，这次 fd 的触发状态不再通过 fd_set 结构进行传递，而是通过 pollfd 类型的数组进行传递。而 n_fd_t 其实是 unsigned long 的封装，代表 fd 的数目。同时注意 timeout 参数类型不同。不过返回值逻辑与 select 相同
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#include <poll.h>
int poll(struct pollfd* fds, n_fds_t nfds, int timeout);

struct pollfd {
int fd;
short events;
short revents; // 这里会被内核修改
}

2.3 epoll

epoll 的实现和用法与上述两个函数十分不同，它无需全量传入监听事件给内核，而是将事件放在一个额外的内核事件表中，所以需要多一个文件描述符表示内核事件表
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#include <sys/epoll.h>
int epoll_create(int size); // size 只是给内核的一个提示

之后就可以向内核事件表中注册事件

1 2	#include <sys/epoll.h> int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event* event);

其中 op 指定操作类型，代表对于内核事件表的操作
- EPOLL_CTL_ADD
- EPOLL_CTL_MOD
- EPOLL_CTL_DEL

event 用于指定事件

struct epoll_event {
       __uint32_t events; // 事件类型, EPOLLIN, EPOLLET, EPOLLONESHOT 等
       epoll_data_t data; // 存储返回数据的联合体, 一般内部的 fd 用的最多
   };
      
typedef struct union epoll_data {
       void* ptr;
       int fd;
       uint32_t u32;
       uint64_t u64;
   } epoll_data_t;

设置完事件之后就可以像前两种 I/O 复用函数一样调用，返回值逻辑同于上两种 I/O 复用函数。注意这里的 events 需要提供一个缓冲区供内核存放事件。
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int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event* events, int maxevents, int timeout);
LT 与 ET 的区别在于后者只会通知一次。另外注册了 EPOLLONESHOT 的文件描述符，只会被触发一次 (不管是什么事件)，事件处理完后要重新注册以便于收到下一次通知。

2.4 三个 I/O 复用函数的比较

select 和 poll 都需要不断地将监听事件传入内核再等待其写回用户空间， epoll 只需要注册一次，但是需要额外打开一张内核事件表。
epoll 内核中监听事件靠的是回调函数实现，同时只向用户空间传回被触发的事件，时间复杂度 O(1)
select 监听 fd 最大值的典型值为 1024，后二者一般为能打开的最大文件描述符数。
前二者只有 LT 模式，而 epoll 还可以支持 ET

3. I/O 复用使用场景

对于非阻塞的 connect, 连接失败会产生可写事件。这时就可以用上述 I/O 复用函数进行监听，接着用 getsockopt 读取错误码并清除错误。