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socket编程之select、poll、kqueue、epoll

原生API

select

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

函数参数

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  • numfds：文件描述符的最大值＋1（为了限制检测文件描述符的范围）

  • readfds：包含所有因为状态变为可读而触发select函数返回文件描述符

  • writefds：包含所有因为状态变为可写而触发select函数返回文件描述符

  • exceptfds：包含所有因为状态发生特殊异常而触发select函数返回文件描述符

  • timeout：表示阻塞超时时限

返回值

  • 当为-1的时候表示出错

  • 当为0的时候表示超时

  • 当大于0则成功

// 新增fd到set中FD_SET(int fd, fd_set *set); 

// 从set中移除fdFD_CLR(int fd, fd_set *set);// 判断fd是否在set中FD_ISSET(int fd, fd_set *set);// 将set整个清0FD_ZERO(fd_set *set);

基本思路，把要检测的文件描述符加载到 fd_set 类型的集合中，然后调用 select 函数检测加载到集合中的文件描述符；

select 函数监视的文件描述符分为3类，分别是 writefds, readfds, exceptfds，调用之后select函数就会阻塞，直到有文件描述符就绪（有数据可读，可写或者except），或者超时（timeout指定等待时间，如果立即返回设为null即可），函数返回；当select函数返回之后，可以通过遍历 fdset来找到就绪的描述符。

#include #include #include #include #include #include const int MAXSIZE = 1024;int main() {    int sockfd = ::socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP); //sockfd为服务器的套接字
    sockaddr_in sin;    sin.sin_family = AF_INET;    sin.sin_port = htons(4567);  //1024 ~ 49151：普通用户注册的端口号
    sin.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    sockaddr_in client_addr;    // ...bind 和 listen操作

    socklen_t clen = sizeof(sockaddr_in);    struct timeval tv;    int fds[MAXSIZE];    memset(fds,-1,sizeof(fds));
    fd_set fdset;

    fds[0] = sockfd;    while( 1 ) {
        FD_ZERO(&fdset);        int i = 0;        int fdmax = fds[0];        for (; i < MAXSIZE; i++) {            if (fds[i] != -1) {
                FD_SET(fds[i], &fdset);                if (fdmax < fds[i]) {
                    fdmax = fds[i];
                }
            }
        }
        tv.tv_sec = 2;
        tv.tv_usec = 0;        int res = select(fdmax + 1, &fdset, NULL, NULL, &tv);
        assert(res != -1);        if (res == 0) {            printf("timeout\n");
        } else {            int i = 0;            for (; i < MAXSIZE; i++) {                if (fds[i] == -1) {                    continue;
                }                if (FD_ISSET(fds[i], &fdset)) {                    if (fds[i] == sockfd) {                        int c = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&client_addr, &clen);                        if (c >= 0) {                            // 找到一个空的设置成新的套接字
                            for (int k = 0; k < MAXSIZE; k++) {                                if (fds[i] == 0) {
                                    fds[i] = c;                                    break;
                                }
                            }
                        }
                    } else {                        char buff[256] = {0};                        int n = read(fds[i], buff, 255);                        if (n > 0) {                            printf("read:%s\n", buff);
                            write(fds[i], "OK", 2);
                        } else if (n == 0) {                            // 删除套接字
                            fds[i] = 0;
                        }

                    }
                }
            }

        }
    }
}

这个代码中有不完善的地方：使用数组保存套接字，建议以链表的形式保存链表会更好一些；

优点：跨平台

缺点：

  • 单个进程能够监视的文件描述符的数量存在最大限制，在Linux上一般为1024，可以通过修改宏定义甚至重新编译内核的方式提升这个限制，但是这样也会造成效率的降低；

  • 每次都要调用 select ，都需要把 fd 集合从用户态拷贝到内核态，在fd很多时开销会很大；

  • 每次调用 select 都需要在内核遍历传递进来的所有fd，在fd很多时开销也很大；

注意，每次调用select之前都要对fdset集合进行 FD_ZERO(&fdset) 操作，即清空。

参考文章
linux的I/O复用技术

poll

int poll(struct pollfd *fds, unsigned int nfds, int timesout);

函数参数：

  1. 表示一个pollfd结构的数组。用来保存想要监听的文件描述符及其注册（绑定）的相应事件

  2. 表示监听事件集合的大小

  3. 指定poll的超时值。当timeout为-1时，就会一直阻塞，直到某个事件发生；当timeout为0时，表示立即返回。

返回值：

当为-1的时候表示失败，当为0的时候表示超时，当为大于0的整数的时候表示执行成功，表示文件描述符的个数。

不同与select使用三个位图来表示三个fdset的方式，poll使用一个 pollfd的指针实现。

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

该结构里包含了要监视等待的event和实际发生的event；

经常检测的事件标记：

  • POLLIN/POLLRDNORM：可读

  • POLLOUT/POLLWRNORM：可写

  • POLLERR：出错

合法的事件标记如下：

  • POLLIN： 有数据可读

  • POLLRDNORM： 有普通数据可读

  • POLLRDBAND： 有优先数据可读

  • POLLPRI： 有紧迫数据可读

  • POLLOUT： 写数据不会导致阻塞

  • POLLWRNORM： 写普通数据不会导致阻塞

  • POLLWRBAND： 写优先数据不会导致阻塞

  • POLLMSG SIGPOLL： 消息可用

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

从原理上看，select 和 poll 都需要在返回以后，通过遍历文件描述符来获取已经就绪的socket。但是和select不同的是，调用这个函数后，系统不用清空它所检测的socket描述符集合；

因此select函数适合于只检测少量socket描述符的情况，而poll函数适合于大量socket描述符的情况；

#include #include #include #include #include #include #include #define OPEN_MAX 100int main(int argc, char *argv[]){    //1.创建tcp监听套接字
    int sockfd = ::socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);    //2.绑定sockfd
    struct sockaddr_in my_addr;
    bzero(&my_addr, sizeof(my_addr));
    my_addr.sin_family = AF_INET;
    my_addr.sin_port = htons(8000);
    my_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    bind(sockfd, (struct sockaddr *)&my_addr, sizeof(my_addr));    //3.监听listen
    listen(sockfd, 10);    //4.poll相应参数准备
    struct pollfd client[OPEN_MAX];    int i = 0, maxi = 0;    for(;i maxi)
                maxi = i;
        }        //5.2继续响应就绪的描述符
        for(i=1; i<=maxi; i++)
        {            if(client[i].fd < 0)                continue;            if(client[i].revents & (POLLIN | POLLERR))
            {                int len = 0;                char buf[128] = "";                //5.2.1接受客户端数据
                if((len = recv(client[i].fd, buf, sizeof(buf), 0)) < 0)
                {                    if(errno == ECONNRESET)//tcp连接超时、RST
                    {
                        close(client[i].fd);
                        client[i].fd = -1;
                    }                    else
                        cout << "read error:" << endl;

                }                else if(len == 0)//客户端关闭连接
                {
                    close(client[i].fd);
                    client[i].fd = -1;
                }                else {//正常接收到服务器的数据
                    ::send(client[i].fd, buf, len, 0);
                }                //5.2.2所有的就绪描述符处理完了，就退出当前的for循环，继续poll监测
                if(--ret <= 0)                    break;

            }
        }
    }
}

kqueue

int kqueue(void);

生成一个内核事件队列，返回该队列的文件描述符，其它API通过这个描述符操作这个 kqueue，结构如下：

socket编程之 select、poll、kqueue、epoll

struct kevent {    uintptr_t ident; //事件ID，一般为文件描述符
    short filter; //事件过滤器
    u_short flags; //行为标示
    u_int fflags; //过滤器标识值
    intptr_t data; //过滤器数据
    void *udata; //应用透传数据};int kevent(int kq, const struct kevent *changelist, int nchanges, struct kevent *eventlist, int nevents, const struct timespec *timeout);

提供向内核注册／反注册事件和返回就绪事件或错误事件；在一个kqueue中，｛ident，filter｝确定一个唯一的事件；

函数参数：

  1. kq：kqueue的文件描述符

  2. changelist：注册／反注册的事件数组

  3. nchanges：changelist的元素个数

  4. eventlist：满足条件的通知事件数组

  5. nevents：eventlist的元素个数

  6. timeout：等待事件到来时的超时时间

返回值为可用事件的个数

kqueue不光能够处理socket的事件，同时还能处理异步io，信号，文件变化等等；

kqueue有两个部分，分别是kqueue和kevent；kqueue主要是用来描述event的队列，而kevent则是监听的事件；

通过kevent提供三个主要的行为功能，分别是

  • 注册／反注册

    注意kevent中的neventlist这个输入参数，当其设为0，且传入合法的changelist和nchanges，就会将 changelist 中的事件注册到 kqueue 中；

  • 允许／禁止过滤器事件

    通过flags EV_ENABLE 和 EV_DISABLE 使过滤器事件有效或者无效，这个功能在使用 EVFILT_WRITE发送数据时非常有用；

  • 等待事件通知

    将 nchangelist 和 nchanges 设置成 null和0 ，当kevent非错误和超时返回时，在 eventlist和nevents 中保存可用事件集合。

实现
#include #include #include #include #include #include #include #define PORT 5001#define MAX_EVENT_COUNT 64int createSocket(){    int sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);    if (sock == -1)
    {        printf("socket() failed:%d\n",errno);        return -1;
    }    
    struct sockaddr_in addr;
    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_port = htons(PORT);
    addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_LOOPBACK);    
    int optval = 1;
    setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &optval, sizeof(optval));
    optval = 1;
    setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_NOSIGPIPE, &optval, sizeof(optval));    
    if (bind(sock, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(struct sockaddr)) == -1)
    {        printf("bind() failed:%d\n",errno);        return -1;
    }    
    if (listen(sock, 5) == -1)
    {        printf("listen() failed:%d\n",errno);        return -1;
    }    
    return sock;
}int main(int argc, const char * argv[]){    
    int listenfd = createSocket();    if (listenfd == -1)        return -1;    
    int kq = kqueue();    if (kq == -1)
    {        printf("kqueue failed:%d",errno);        return -1;
    }    
    struct kevent event = {listenfd,EVFILT_READ,EV_ADD,0,0,NULL};    int ret = kevent(kq, &event, 1, NULL, 0, NULL);    if (ret == -1)
    {        printf("kevent failed:%d",errno);        return -1;
    }    
    while (true)
    {        struct kevent eventlist[MAX_EVENT_COUNT];        struct timespec timeout = {5,0};        int ret = kevent(kq, NULL, 0, eventlist, MAX_EVENT_COUNT, &timeout);        if (ret <= 0)            continue;        
        for (int i=0; i 0)
                {                    struct kevent changelist[2];
                    EV_SET(&changelist[0], clientfd, EVFILT_READ, EV_ADD, 0, 0, NULL);
                    EV_SET(&changelist[1], clientfd, EVFILT_WRITE, EV_ADD, 0, 0, NULL);
                    kevent(kq, changelist, 1, NULL, 0, NULL);
                }                continue;
            }            
            //异常事件
            if (flags & EV_ERROR)
            {
                close(sock);                struct kevent event = {sock,EVFILT_READ,EV_DELETE,0,0,NULL};
                kevent(kq, &event, 1, NULL, 0, NULL);                printf("socket broken,error:%ld\n",data);                continue;
            }            
            //数据可读
            if (filter == EVFILT_READ)
            {                char buffer[data];                memset(buffer, '\0', data);                ssize_t recvlen = recv(sock, buffer, data, 0);                if (recvlen <= 0)
                {                    //链接断开
                    close(sock);                    struct kevent event = {sock,EVFILT_READ,EV_DELETE,0,0,NULL};
                    kevent(kq, &event, 1, NULL, 0, NULL);                    printf("socket broken!\n");                    continue;
                }                
                printf("%s\n",buffer);
            }            
            //数据可写
            if (filter == EVFILT_WRITE)
            {                char buffer[data];                memset(buffer, 'a', data);                ssize_t sendlen = send(sock, buffer, data, 0);                if (sendlen <= 0)
                {                    //链接断开
                    close(sock);                    struct kevent event = {sock,EVFILT_READ,EV_DELETE,0,0,NULL};
                    kevent(kq, &event, 1, NULL, 0, NULL);                    printf("socket broken!\n");                    continue;
                }
            }
            
        }
    }    
    return 0;
}
不同

和前面不同的是，kqueue不会像select或者poll一样每隔一段事件就去轮询所有的socket，当socket数量很多，但是很多socket都不活跃的时候，性能是有影响的，而kqueue只会关注事件发生的socket；

epoll

函数

  • 创建事件表

int epoll_create(int size);

创建一个epoll的句柄，参数 size 并不是限制了epoll所能监听的描述符最大个数，只是对内核初始分配内部数据结构的建议，不同于select中的给出最大监听的fd+1。

  • 操作事件表

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

函数参数

  1. epfd：事件表的文件描述符

  2. op：何种操作，包括 EPOLL_CTL_ADD，EPOLL_CTL_DEL，EPOLL_CTL_MOD，分别实现对fd的监听事件进行添加、删除、修改

  3. fd：需要监听的文件描述符

  4. event：告诉内核需要监听什么事

    epoll_event 结构如下：

    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

  • 监听相应事件

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

函数参数：

  1. epfd：事件表的文件描述符

  2. events：从内核得到事件的集合

  3. maxevents：事件集合的大小（不能大于创建时的size）

  4. timeout：超时时间

工作模式

epoll对文件描述符的操作有两种模式：LT（level trigger）和ET（edge trigger）。LT模式是默认模式，LT模式与ET模式的区别如下：
　

  • LT模式：当epoll_wait检测到描述符事件发生并将此事件通知应用程序，应用程序可以不立即处理该事件。下次调用epoll_wait时，会再次响应应用程序并通知此事件。

  • ET模式：当epoll_wait检测到描述符事件发生并将此事件通知应用程序，应用程序必须立即处理该事件。如果不处理，下次调用epoll_wait时，不会再次响应应用程序并通知此事件。

ET模式在很大程度上减少了epoll事件被重复触发的次数，因此效率要比LT模式高。epoll工作在ET模式的时候，必须使用非阻塞套接口，以避免由于一个文件句柄的阻塞读/阻塞写操作把处理多个文件描述符的任务饿死。

当使用epoll的ET模型来工作时，当产生了一个EPOLLIN事件后， 读数据的时候需要考虑的是当recv()返回的大小如果等于请求的大小，那么很有可能是缓冲区还有数据未读完，也意味着该次事件还没有处理完，所以还需要再次读取：

void handle_rev() {    while(rs){
        buflen = ::recv(activeevents[i].data.fd, buf, sizeof(buf), 0);        if(buflen < 0){            // 由于是非阻塞的模式,所以当errno为EAGAIN时,表示当前缓冲区已无数据可读
            // 在这里就当作是该次事件已处理处.
            if(errno == EAGAIN){ //EAGAIN经常出现在当应用程序进行一些非阻塞(non-blocking)操作(对文件或socket)的时候
                break;
            }            else{                return;
            }
        }        else if(buflen == 0){            // 这里表示对端的socket已正常关闭.
        }        if(buflen == sizeof(buf){
            rs = 1;   // 需要再次读取
        }                else{
            rs = 0;
        }
    }
}

有时候epoll不一定比select和poll的效率高，比如这样的场景下：当活动连接数比较高的时候此时epoll会经常触发回调函数 ，此时在性能上还是有一定的损失．epoll适用于连接数量多，但是活跃的连接少．

实现
epollserver::epollserver(int af, int type, int protocol) : norserver(af, type, protocol) {    this->_epollfd = ::epoll_create(MAX_SIZE);    if (this->_epollfd == INVALID_SOCKTE) {        cout << "epoll create failed" << endl;
    }
}

epollserver::~epollserver() {    this->close(this->socket());
}void epollserver::wait_events() {    struct epoll_event _events[EPOLL_EVENTS_NUM];    this->add_event(this->socket(), EPOLLIN);    while (true) {        int ret = ::epoll_wait(this->_epollfd, _events, EPOLLEVENTS, -1);        this->handle_events(_events, ret);
    }
}void epollserver::handle_events(struct epoll_event* events, int num) {    for (int i = 0; i < num; i++) {        int socket = events[i].data.fd;        // 服务器本身
        if (socket == this->socket()) {            this->handle_accept();
        }        else if (events[i].events & EPOLLIN) {            this->handle_read(socket);
        }        else if (events[i].events & EPOLLOUT) {            this->handle_write(socket);
        }
    }
}void epollserver::handle_accept() {    this->accept();
}void epollserver::handle_read(int socket) {    int nread;    char buf[MAX_SIZE];
    nread = ::read(socket, buf, MAX_SIZE);    if (nread == SOCKET_ERROR)     {        cout << "read error:" << endl;        this->close(socket); //记住close fd
        delete_event(socket, EPOLLIN); //删除监听
    }    else if (nread == 0)     {        fprintf(stderr,"client close.\n");        this->close(socket); //记住close fd
        delete_event(socket, EPOLLIN); //删除监听
    }    else {        cout << "read message is :" << buf;        //修改描述符对应的事件，由读改为写
        modify_event(socket, EPOLLOUT);
    }
}void epollserver::handle_write(int socket) {    int nwrite;    char buf[MAX_SIZE];
    nwrite = ::write(socket, buf, strlen(buf));    if (nwrite == -1){        cout << "write error:" << endl;        this->close(socket);   //记住close fd
        delete_event(socket, EPOLLOUT);  //删除监听
    }else{
        modify_event(socket, EPOLLIN);
    }    memset(buf,0, MAX_SIZE);
}bool epollserver::add_event(int socket, int state) {    struct epoll_event ev;
    ev.events = state;
    ev.data.fd = socket;    if (!epoll_ctl(this->_epollfd, EPOLL_CTL_ADD, socket, fd, &ev)) {        cout << "epoll add event failed" << endl;        return false;
    }    return true;
}bool epollserver::delete_event(int socket, int state) {    struct epoll_event ev;
    ev.events = state;
    ev.data.fd = socket;    if (!epoll_ctl(this->_epollfd, EPOLL_CTL_DEL, socket, fd, &ev)) {        cout << "epoll delete event failed" << endl;        return false;
    }    return true;
}bool epollserver::modify_event(int socket, int state) {    struct epoll_event ev;
    ev.events = state;
    ev.data.fd = socket;    if (!epoll_ctl(this->_epollfd, EPOLL_CTL_MOD, socket, fd, &ev)) {        cout << "epoll modify event failed" << endl;        return false;
    }    return true;
}

本文标题：socket编程之select、poll、kqueue、epoll
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