TCP/IP网络编程 第十二章:I/O复用

**第十二章:I/O复用**

在前面的章节中，我们已经学习了如何使用多线程和进程来处理并发连接。但是，这种方法虽然能够提高系统的吞吐量，但也会带来额外的开销，如创建线程或进程的成本、上下文切换的成本等。因此，为了更高效地利用系统资源，我们需要一种更加高级的技术，即I/O复用。

**什么是I/O复用**

I/O复用（I/O Multiplexing）是一种允许单个线程或进程同时处理多个连接的技术。它通过使用一个缓冲区来存储来自不同连接的数据，避免了每次都需要创建新的线程或进程来处理连接。这使得系统能够更高效地利用资源，并且可以支持非常多的并发连接。

**I/O复用模型**

I/O复用模型有两种主要类型：select()和poll()。这两个函数都是用于检测哪些连接已经准备好进行读写操作的。

###1. select()

select()函数是最早出现的一种I/O复用模型，它通过使用一个fd_set结构来存储需要监控的文件描述符。这个结构是一个位图，每个位对应一个文件描述符。当某个连接准备好进行读写操作时，相应的位会被设置。

c#include <sys/select.h>
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,
 fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

###2. poll()

poll()函数是select()的替代品，它使用一个pollfd结构来存储需要监控的文件描述符。这个结构包含三个成员：fd、events和revents。

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

###3. epoll()

epoll()函数是Linux下的一种高级I/O复用模型，它比select()和poll()更高效。它使用一个eventpoll结构来存储需要监控的文件描述符。

c#include <sys/epoll.h>
int epoll_create(int size);
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents,
 int timeout);

###4. kqueue()

kqueue()函数是BSD下的一种高级I/O复用模型，它比select()和poll()更高效。它使用一个kern_event结构来存储需要监控的文件描述符。

c#include <sys/event.h>
int kqueue(void);
int kevent(int fd, const struct kevent *changelist,
 int nchanges, struct kevent *eventlist,
 int nevents, int flags);

**示例代码**

下面是一个使用select()函数的示例代码：

c#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/select.h>

#define MAX_CLIENTS10int main() {
 int maxfd =0;
 fd_set readfds, writefds;

 // 初始化文件描述符集合 FD_ZERO(&readfds);
 FD_ZERO(&writefds);

 // 创建客户端连接 for (int i =0; i < MAX_CLIENTS; i++) {
 int client_fd = open("client.txt", O_RDWR | O_CREAT,0644);
 if (client_fd > maxfd) {
 maxfd = client_fd;
 }
 FD_SET(client_fd, &readfds);
 }

 // 等待客户端连接 while (1) {
 select(maxfd +1, &readfds, NULL, NULL, NULL);

 // 处理读取事件 for (int i =0; i <= maxfd; i++) {
 if (FD_ISSET(i, &readfds)) {
 printf("Client %d is reading...
", i);
 // 处理客户端连接 char buffer[256];
 read(i, buffer, sizeof(buffer));
 printf("%s
", buffer);
 }
 }

 // 处理写入事件 for (int i =0; i <= maxfd; i++) {
 if (FD_ISSET(i, &writefds)) {
 printf("Client %d is writing...
", i);
 // 处理客户端连接 char buffer[] = "Hello, client!";
 write(i, buffer, sizeof(buffer));
 }
 }

 // 清空文件描述符集合 FD_CLR(maxfd +1, &readfds);
 }

 return0;
}

上面的示例代码使用select()函数来监控客户端连接的读取和写入事件。它创建了10个客户端连接，并在循环中等待客户端连接的事件。

**总结**

I/O复用是一种高效的技术，允许单个线程或进程同时处理多个连接。这使得系统能够更高效地利用资源，并且可以支持非常多的并发连接。select()、poll()和epoll()是三种常见的I/O复用模型，它们通过使用一个缓冲区来存储来自不同连接的数据，避免了每次都需要创建新的线程或进程来处理连接。

上面的示例代码展示了如何使用select()函数来监控客户端连接的读取和写入事件。它创建了10个客户端连接，并在循环中等待客户端连接的事件。

I/O复用模型有很多种，选择哪一种模型取决于具体的应用场景和系统资源情况。在实际开发中，可以根据具体需求选择合适的I/O复用模型来提高系统性能。