【Linux网络编程】多路转接I/O（一）select，poll

目录

一，I/O多路转接之select

1，初识select

2，select函数原型 

3，理解select执行过程

4，socket特点

 5，select缺点

 6，代码示例

二， I/O多路转接之poll

1，poll的作用和定位

2，认识poll接口

3，poll的优点

4，poll的缺点

5，代码示例

总结

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核心概念：多路转接I/O允许单线程同时监控多个文件描述符(fd)，当某个fd就绪（可读/可写/异常）时通知程序处理。相比于多线程/多进程方案，能显著降低资源消耗。 

一，I/O多路转接之select

1，初识select

首先IO=等+拷贝，其中等待是等底层数据准备好了，然后通过拷贝拿到上层使用。IO工作慢的原因就在于等待时间太长，为了提高效率，我们需要减少等待所占的时间。

• 我们借助select系统调用来完成等待的工作，一次等待(select)传入多个文件描述符，也就是让select去帮我们监视这些文件描述符的状态变化。
• 程序会停在 select这里等待，知道被监视的文件描述符有一个或多个 发生了状态变化。状态变化可以理解为某个事件就绪了（比如可写/可读/异常等）。

 

2，select函数原型 

select函数原型如下：

      #include <sys/select.h>

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

 

参数解释：

（1）参数nfds是需要监视的文件描述符中，最大文件描述符值+1；

（1）readfds,writefds,exceptfds：分别对应需要检测的可读文件文件描述符的集合，可写文件描述符的集合，异常文件描述符的集合。它们的类型是fd_set。它的结构如下：

其实这个结构就是一个 整数数组，更严格的说，是一个 "位图"，使用位图中的位来表示要监视的文件描述符。

eg：0000 0000，将该位图设置为0001 1111，表示select要关心0,1,2,3,4这些文件描述符的某个事件。如果将该位图放到select的第二个参数，表示关心读事件是否就绪，放到第三个参数表示关心写事件是否就绪，放到第四个参数表示异常是否就绪。

操作系统不允许我们直接对这个位图进行修改，使用提供了一组fd_set的接口，用来比较方便的操作位图：

 void FD_CLR(int fd, fd_set *set);// 用来清除描述词组 set 中相关fd 的位
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set);// 用来测试描述词组 set 中相关fd 的位是否为真
void FD_SET(int fd, fd_set *set);// 用来设置描述词组 set 中相关fd 的位
void FD_ZERO(fd_set *set);// 用来清除描述词组 set 的全部位

（3）参数timeout为timeval结构体类型，用来设置select的等待时间。

 timeval结构：

timeval 结构用于描述一段时间长度，如果在这个时间内，需要监视的描述符没有事件发生则函数返回，返回值为 0。

参数timeout取值：

NULL：则表示select将一直阻塞，直到某个文件描述符上发生了事件才会返回。

特定的时间值：如果在指定的时间段里没有事件发生，select 将超时返回。

 

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select函数返回值：

执行成功则返回文件描述符状态已改变的个数（也就是那些文件描述符对应的事件就绪了）。

如果返回0代表已超过timeout时间，没有就绪的文件描述符。

当有错误发生时则返回-1，然后errno被设置。

错误值可能为：

• EBADF 文件描述符为无效的或该文件已关闭
• EINTR 此调用被信号所中断
• EINVAL 参数 n 为负值
• ENOMEM 核心内存不足

3，理解select执行过程

理解 select 模型的关键在于理解 fd_set,为说明方便，取 fd_set 长度为 1 字节，fd_set中的每一 bit 可以对应一个文件描述符 fd。则 1 字节长的 fd_set 最大可以对应 8 个 fd。

（1）执行 fd_set set; FD_ZERO(&set);则 set 用位表示是 0000,0000。
（2）若 fd＝5,执行 FD_SET(fd,&set);后 set 变为 0001,0000(第 5 位置为 1)
（3）若再加入 fd＝2，fd=1,则 set 变为 0001,0011。
（4）执行 select(6,&set,0,0,0)阻塞等待。
（5）若 fd=1,fd=2 上都发生可读事件，则 select 返回，此时 set 变为0000,0011。注意：没有事件发生的 fd=5 被清空。

 以关心读事件为例：

可以看出：用户定义的一个 fd_set对象，内核是会进行修改的。用户通过修改后的fd_set对象，来判断哪些文件描述符就绪了。

4，socket特点

可监控的文件描述符个数取决于 sizeof(fd_set)的值。

• 使用fd_set位图管理 FD

• 支持跨平台（Linux/Windows）

• 最大 FD 数受限（通常 1024）

• 每次调用需重新设置 FD 集合

 5，select缺点

• 每次调用 select, 都需要手动设置 fd 集合, 从接口使用角度来说也非常不便。
• 每次调用 select，都需要把 fd 集合从用户态拷贝到内核态，这个开销在 fd 很多时会很大。
• 同时每次调用 select 都需要在内核遍历传递进来的所有 fd，这个开销在 fd 很多时也很大，select 支持的文件描述符数量太小。

 6，代码示例

#include <sys/select.h>
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <vector>int main()
{// 关心读事件fd_set read_fds;int max_fd = STDIN_FILENO; // 标准输入 (fd=0)，将来这里可以进行更改，比如换成网络套接字(监听套接字)// 使用辅助数组来保存要关心的fdstd::vector<int> active_fds = {STDIN_FILENO};while (true){// 清空集合FD_ZERO(&read_fds);// 将要关心的fd设置到集合中，同时求出最大的fdfor (int fd : active_fds){FD_SET(fd, &read_fds);if (fd > max_fd)max_fd = fd;}// 设置1秒超时timeval timeout{.tv_sec = 1, .tv_usec = 0};int ready = select(max_fd + 1, &read_fds, nullptr, nullptr, &timeout);if (ready < 0){//select出错perror("select error");break;}else if (ready == 0){//select超时std::cout << "Timeout occurred!\n";continue;}// 检查就绪的FDfor (int fd : active_fds){if (FD_ISSET(fd, &read_fds)){//如果文件描述符是标准输入(将来这里更改成网络套接字)if (fd == STDIN_FILENO){std::string input;std::getline(std::cin, input);std::cout << "STDIN: " << input << "\n";}// 可扩展其他FD处理//......}}}return 0;
}

上述例子是检查标准输入的可读事件是否就绪，可以扩展到网络套接字，这部分代码不在这里展示，可以在下面的仓库链接中查看，该部分代码是使用select多路转接实现的以一个echo server：

Select_Server · 小鬼/linux学习 - 码云 - 开源中国

通过select多路转接，就可以在单线程下，处理多个网络请求。

二， I/O多路转接之poll

1，poll的作用和定位

poll只负责等，一次可以等多个fd，事件就绪，就可以对上层进行事件通知。和select一样。

2，认识poll接口

       #include <poll.h>

       int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);

 第三个参数表示超时时间。

 第一个参数是一个数组，类型为struct pollfd，第二个参数表示元素的个数。结构如下：

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

 这是一张事件位图，第一个成员填写要关心哪个文件描述符，第二个和第三个是事件，表示关心哪些事件。

events和revents的取值：

 上面的值都是通过宏定义出来的，其中只有一个比特位为1，events|=POLLIN，表示关心读事件，events|=POLLIN|POLLOUT表示 关心读事件和写事件。通过按位或运算，告诉内核要关心哪些事件。

上层用户在调用的时候，fd和events有效：用户告诉内核，你要帮我关心fd上的events事件。

poll成功返回时，fd和revents有效：内核告诉用户，你要我关心的fd上的events事件，已经就绪了，存储在revents中。

3，poll的优点

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

pollfd结构包含了要监视的events和已经就绪的events，不再使用select"参数-值"的传递方式，将二者分离了，使用起来更方便。

poll并没有最大的数量限制（但是数量过大后，性能也会下降）

Linux 专有（Windows 不支持）

4，poll的缺点

和select一样，poll返回后，需要轮询pollfd来获取就绪的文件描述符。

每次调用poll，都需要将大量的pollfd结构从用户拷贝到内核中。

同时连接的大量客户端在某一时刻，可能有很少的处于就绪状态，因此随着监视的文件描述符的增多，其效率也会下降。

5，代码示例

#include <poll.h>
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <vector>int main()
{std::vector<pollfd> poll_fds;poll_fds.push_back({STDIN_FILENO, POLLIN, 0}); // 监控标准输入while (true){int ready = poll(poll_fds.data(), poll_fds.size(), 1000); // 1秒超时if (ready < 0){perror("poll error");break;}else if (ready == 0){std::cout << "Timeout occurred!\n";continue;}for (auto &pfd : poll_fds){//检查并处理标准输入事件if (pfd.revents & POLLIN){if (pfd.fd == STDIN_FILENO){std::string input;std::getline(std::cin, input);std::cout << "STDIN: " << input << "\n";}// 可扩展其他FD处理}//检查并处理标准输出事件//......//检查并处理其他事件//.......//检查并处理错误事件if (pfd.revents & (POLLERR | POLLHUP | POLLNVAL)){std::cerr << "Error on fd: " << pfd.fd << "\n";// 通常移除失效FD}}}return 0;
}

同理，可以扩展到网络部分 ，使用poll实现多路转接，仓库连接：

Poll_Server · 小鬼/linux学习 - 码云 - 开源中国

总结

二者对比

特性	Select	Poll
最大 FD 数	受限（FD_SETSIZE）	无限制
性能（FD 量大时）	O(n) 扫描	O(n) 扫描
事件类型	仅读/写/异常	更丰富（POLLRDNORM 等）
平台支持	跨平台	Linux 专用
FD 重用	每次需重置 fd_set	可复用 pollfd 数组

 使用建议：

• Select：FD 数量少（<1024），需跨平台

• Poll：FD 数量多，仅需支持 Linux

注意：两种模型都采用 水平触发（LT） 模式，即只要 FD 处于就绪状态，每次调用都会返回该 FD