系统编程--高级IO

1.非阻塞I/O

非阻塞I/O使我们可以调用不会永远阻塞的I/O操作，例如open,read和write。如果这种操作不能完成，则立即出错返回，表示该操作如继续执行将继续阻塞下去。对于一个给定的描述符有两种方法对其指定非阻塞I / O：

(1) 如果是调用open以获得该描述符，则可指定O_NONBLOCK标志

(2) 对于已经打开的一个描述符，则可调用fcntl打开O)NONBLOCK文件状态标志

 

 

2.I/O多路转接

select

select函数使我们可以执行I/O多路转接。传向select的参数告诉内核：我们所关注的描述符；对于每个描述符我们所关心的状态，以及我们愿意等待的时间。从select返回时，内核告诉我们：以准备好的描述符的数量，对于读、写或异常这三个状态中的每一个，那些描述符已经准备好。

#include <sys/select.h>
int select (int maxfdp1, fd_set *restrict readfds, fd_set *restrict writefds,
            fd_set *restrict exceptfds, struct timeval *restrict tvptr);
//返回准备好的描述符的计数，超时返回0，错误返回-1。

  第一个参数maxfdp1的意思是“最大描述符加1”。也可将第一个参数设置为FD_SETSIZE,这是<sys/select.h>中的一个常数，它说明了最大的描述符数（经常是1024）。如果将第三个参数设置为我们所关注的最大描述符编号值加一，内核就只需在此范围内寻找打开的位，而不必在三个描述符集中的数百位内搜索。中间的三个参数readfds、writefds和exceptfds是指向描述符集的指针。这三个描述符集说明了我们关心的可读(readfds)、可写(writefd)或处于异常条件(wxcepfds)的各个描述符。每个描述符集存放在一个fd_set数据类型中。这种结构相当于一个描述符的数组，它为每个可能的描述符设置1位。

select的中间三个参数中的任意一个或全部都可以是空指针，这表示对相应状态不关系。如果所有三个指针都是空指针，则select提供了较sleep更精确的计时器。其等待时间可以小于1秒。

tvptr指定最后等待的时间，它的结构是:

struct timeval {
  long tv_sec;  /* seconds */
  long tv_usec;  /* and microseconds */
};

a. tvptr==NULL:永远等待。如果捕捉到一个信号则中断此无限等待。当所指定的描述符中的一个已经准备好或捕捉到一个信号则返回。如果捕捉到一个信号，则select返回-1，errno设置为EINTR.

b. tvptr->tv_sec==0&&tvptr_usec==0 完全不等待。测试所有的描述符并立即返回。这是得到多个描述符的状态而不阻塞select函数的轮询方法。

c. tvptr->tv_sec!=0||tvptr_usec!=0 等待指定的秒数或微秒数。当指定的描述符之一已准备好，或当指定的时间值已超过时立即返回。如果在超时还没有一个描述符准备好，则返回值是0

 

select有三个可能的返回值。

a. 返回值－1表示出错。这是可能发生的，例如在所指定的描述符都没有准备好时捕捉到一个信号。

b. 返回值0表示没有描述符准备好。若指定的描述符都没有准备好，而且指定的时间已经超过，则发生这种情况。

c. 返回一个正值说明了已经准备好的描述符数，在这种情况下，三个描述符集中仍旧打开的位是对应于已准备好的描述符位。

 

对fgset数据类型可以进行的处理是： (a)分配一个这种类型的变量， (b)将这种类型的一个变量赋与同类型的另一个变量，或(c)对于这种类型的变量使用下列四个宏：

#include <sys/select.h>
int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset);
//如果fd被设置返回非0，否则返回0。
void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset);
void FD_SET(int fd, fd_set *fdset);
void FD_ZERO(fd_set *fdset);

调用FD_ZERO将一个fd_set变量的所有位置为0位。调用FD_SET设置一个fd_set变量的指定位，调用FD_CLR则将一指定位清除。最后，调用FD_ISSET测试一指定位是否设置

 

poll函数

poll函数类似于select，但是其调用形式则有所不同

include <poll.h>
int poll(struct poolfd fdarray[], nfds_t nfds, int timeout);
//返回准备好的描述符的计数，到时返回0，错误返回-1。

与select不同，poll不是为每个条件构造一个描述符集，而是构造一个pollfd结构数组，每个数组元素指定一个描述符编号以及对其所关心的条件。

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

在fdarray数组里的元素数由nfds指定。

poll的最后参数指明我们想要等待多久。和select一样，有三种情况

a.timeout == -1：永远等待     b.timeout == 0：不等待     c.timeout > 0

 

常量 说明

POLLIN 普通或优先级带数据可读

POLLRDNORM 普通数据可读

POLLRDBAND 优先级带数据可读

POLLPRI 高优先级数据可读

POLLOUT 普通数据可写

POLLWRNORM 普通数据可写

POLLWRBAND 优先级带数据可写

POLLERR 发生错误

POLLHUP 发生挂起

POLLNVAL 描述字不是一个打开的文件

 

epoll

1. int epoll_create(int size);

创建一个epoll的句柄。自从linux2.6.8之后，size参数是被忽略的。需要注意的是，当创建好epoll句柄后，它就是会占用一个fd值，在linux下如果查看/proc/进程id/fd/，是能够看到这个fd的，所以在使用完epoll后，必须调用close()关闭，否则可能导致fd被耗尽。

 

2. int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

epoll的事件注册函数，它不同于select()是在监听事件时告诉内核要监听什么类型的事件，而是在这里先注册要监听的事件类型。

第一个参数是epoll_create()的返回值。

第二个参数表示动作，用三个宏来表示：

　　EPOLL_CTL_ADD：注册新的fd到epfd中；

　　EPOLL_CTL_MOD：修改已经注册的fd的监听事件；

　　EPOLL_CTL_DEL：从epfd中删除一个fd；

第三个参数是需要监听的fd。

第四个参数是

告诉内核需要监听什么事，struct epoll_event结构如下

//保存触发事件的某个文件描述符相关的数据（与具体使用方式有关）

typedef union epoll_data {
    void *ptr;
    int fd;
    __uint32_t u32;
    __uint64_t u64;
} epoll_data_t;
 //感兴趣的事件和被触发的事件
struct epoll_event {
    __uint32_t events; /* Epoll events */
    epoll_data_t data; /* User data variable */
};  

events可以是以下几个宏的集合：

EPOLLIN ：表示对应的文件描述符可以读（包括对端SOCKET正常关闭）；

EPOLLOUT：表示对应的文件描述符可以写；

EPOLLPRI：表示对应的文件描述符有紧急的数据可读（这里应该表示有带外数据到来）；

EPOLLERR：表示对应的文件描述符发生错误；

EPOLLHUP：表示对应的文件描述符被挂断；

EPOLLET： 将EPOLL设为边缘触发(Edge Triggered)模式，这是相对于水平触发(Level Triggered)来说的。

EPOLLONESHOT：只监听一次事件，当监听完这次事件之后，如果还需要继续监听这个socket的话，需要再次把这个socket加入到EPOLL队列里

 

3. int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);

收集在epoll监控的事件中已经发送的事件。参数events是分配好的epoll_event结构体数组，epoll将会把发生的事件赋值到events数组中（events不可以是空指针，内核只负责把数据复制到这个events数组中，不会去帮助我们在用户态中分配内存）。maxevents告之内核这个events有多大，这个 maxevents的值不能大于创建epoll_create()时的size，参数timeout是超时时间（毫秒，0会立即返回，-1将不确定，也有说法说是永久阻塞）。如果函数调用成功，返回对应I/O上已准备好的文件描述符数目，如返回0表示已超时。

 

 

效率：select <poll< epoll

主要却别在于内核实现上，select采用数组形式进行用户空间与内核空间的数组交互；poll在内核使用链表队列形式对监听的事件进行处理；epoll则是在内核实现了一个微型的文件系统，负责事件的管理。有兴趣的可以研究下，主要集中在select.c这个文件中。

 

3.存储映射I/O

　　存储映射I/O使一个磁盘文件与存储空间中的一个缓存相映射。于是当从缓存中取数据，就相当于读文件中的相应字节。与其类似，将数据存入缓存，则相应字节就自动地写入文件。为了使用这种功能，应首先告诉内核将一个给定的文件映射到一个存储区域中。这是由mmap函数实现的

#include <sys/mman.h>
void *mmap(void *addr, size_t len, int prot, int flag, int filedes, off_t off);
//成功返回被映射区域的开始地址，错误返回MAP_FAILED。

addr参数用于指定映射存储区的起始地址，len是映射的字节数，filedes指定要被映射文件的描述符，off是要映射字节在文件中的起始位移量，prot参数指定映射区域的保护，此函数的返回地址是：该映射区的起始地址。

prot参数取值：

调用mprotect来改变一个已有映射上的权限。
#include <sys/mman.h>
int mprotect(void *addr, size_t len, int prot);
//成功返回0，错误返回-1。
调用msync来冲洗对被映射文件的改变
#include <sys/mman.h>
int msync(void *addr, size_t len, int flags);
//成功返回0，错误返回-1。
调用了munmap之后，存储映射区就被自动去除。
#include <sys/mman.h>
int munmap(caddr_t addr, size_t len);
//成功返回0，错误返回-1