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【Linux高级IO】五种IO模型多路转接（select）

news 来源：原创 2025/6/7 21:05:42

1. 五种IO模型

1.1 阻塞式IO

1.2 非阻塞IO

1.3 信号驱动IO

1.4 多路转接

1.5 异步IO

2. 同步通信与异步通信

3. 多路转接

3.1 select

总结

在这里插入图片描述

1. 五种IO模型

1.1 阻塞式IO

阻塞式IO最为常见，在内核将数据准备好之前, 系统调用会一直等待，所有的套接字默认都是阻塞方式；

最常见的就是C语言中调用scanf，程序启动，等待输入，不输入一直阻塞等待；

比如：小明去钓鱼，阻塞式IO就类似于小明一直盯着鱼竿，什么都不干就等着鱼上钩；

1.2 非阻塞IO

非阻塞IO：如果内核还未将数据准备好, 系统调用仍然会直接返回, 并且返回EWOULDBLOCK错误码；

非阻塞IO往往需要程序员使用循环的方式反复尝试读写文件描述符，这个过程称为轮询；这对CPU来说是较大的浪费，一般只有特定场景下才使用；

比如：小王也去钓鱼，在等待鱼上钩的这段时间，小王可以看看书，吃点零食...做其他的事情；

1.3 信号驱动IO

信号驱动IO：内核将数据准备好的时候, 使用SIGIO信号通知应用程序进行IO操作；

比如：小聪也去钓鱼，他在鱼竿加了一个铃铛，在等待鱼上钩的期间，他可以干其他事，等有鱼上钩铃铛就会提醒有鱼了；

1.4 多路转接

IO多路转接：多路转接能够同时等待多个文件描述符的就绪状态.

从流程图上看起来和阻塞IO类似，如何理解？

比如：小张也是去钓鱼，他拿了很多鱼竿，同时使用多个鱼竿钓鱼；一个人盯着多个鱼竿；

1.5 异步IO

由内核在数据拷贝完成时, 通知应用程序(而信号驱动是告诉应用程序何时可以开始拷贝数据)；

怎么去理解？

比如：小李是一个老板，走到鱼塘边看到这么多人在钓鱼，他想吃鱼了，但是他又不想自己钓，于是和自己的司机说，你去钓鱼，钓上来鱼给我，然后通知另一个司机来接他；小李全程不参与钓鱼，由他的司机给他钓；司机就相当于操作系统，小李相当于是一个线程，钓鱼是IO，鱼就是数据；

2. 同步通信与异步通信

同步通信

在同步通信中，发送方和接收方在通信过程中是时间上密切关联的。发送方发送消息后，需要等待接收方确认已经接收到消息，才能继续进行后续操作。

特点：

阻塞：发送方在发送消息后会被阻塞，直到接收方处理完毕并回复。这意味着发送方的执行流会暂停，直至接收方确认。
实现简单：因其简单的请求、响应模式，容易实现和理解。
实时性：适用于需要即时反馈的场景，比如电话通话或某些即时消息服务。

比如：打电话；

异步通信

在异步通信中，发送方和接收方之间的通信不需要严格的时间同步。发送方在发送完消息后，不必等待接收方的确认，可以继续执行其他任务。

特点：

非阻塞：发送方在发送消息后不会被阻塞，可以自由进行其他操作。接收方会在适当的时候处理接收到的消息。
复杂性高：由于涉及到消息的队列、存储和后续处理，通常实现起来比同步通信复杂。
适应性强：适用于高并发、跨网络或需要高响应性的场景，比如事件驱动的编程模型、某些消息队列系统。

比如：电子邮箱；

两种通信的关键点在于阻塞与非阻塞；

阻塞调用是指调用结果返回之前，当前线程会被挂起. 调用线程只有在得到结果之后才会返回；
非阻塞调用指在不能立刻得到结果之前，该调用不会阻塞当前线程. 等待需要时可以再获取执行结果；

如何设置非阻塞？

fcntl

文件描述符, 默认都是阻塞IO，但是可以通过接口设置为非阻塞；

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>

int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );

参数：

fd：文件描述符
cmd：操作命令，指定要执行的操作类型。
arg：可选参数，根据 cmd 的不同而有所不同，某些操作不需要这个参数。

传入的cmd的值不同, 后面追加的参数也不相同；

fcntl函数有5种功能：

复制一个现有的描述符（cmd=F_DUPFD）
获得/设置文件描述符标记(cmd=F_GETFD或F_SETFD).
获得/设置文件状态标记(cmd=F_GETFL或F_SETFL).
获得/设置异步I/O所有权(cmd=F_GETOWN或F_SETOWN).
获得/设置记录锁(cmd=F_GETLK,F_SETLK或F_SETLKW).

使用示例：

将文件描述符设置为非阻塞；

void SetNoBlock(int fd) { 
    int fl = fcntl(fd, F_GETFL); 

    if (fl < 0) { 
        perror("fcntl");
        return; 
    }

    fcntl(fd, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK); 
}

F_GETFL将当前的文件描述符的属性取出来(这是一个位图)；该位图表示文件描述符的各种状态和行为；这里是获取出它的状态和行为，然后添加一个非阻塞的状态；

文件访问模式：

O_RDONLY：以只读模式打开文件。
O_WRONLY：以只写模式打开文件。
O_RDWR：以读写模式打开文件。

文件状态标志：

O_APPEND：文件指针在每次写操作后移到文件末尾。这意味着任何写入都将附加到文件的现有内容后面。
O_NONBLOCK：文件描述符被设置为非阻塞模式。对该文件描述符的读写操作不会导致进程阻塞。
O_SYNC：写入操作会在返回前完成同步，这样就可以确保数据已经写入磁盘。
O_DSYNC：确保数据已写入磁盘。

验证一下非阻塞IO：

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <cerrno>

void SetNonBlock(int fd)
{
    int fl = fcntl(fd, F_GETFL);
    if(fl < 0)
    {
        std::cerr << "fcntl error" << std::endl;
        exit(0);
    }
    fcntl(fd, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK);
}

int main()
{
    SetNonBlock(0);
    while (true)
    {
        char buffer[1024];
        ssize_t s = read(0, buffer, sizeof(buffer) - 1);
        if (s > 0)
        {
            buffer[s] = 0;
            std::cout << "echo# " << buffer << std::endl;
        }
        else if (s == 0)
        {
            std::cout << "end stdin" << std::endl;
            break;
        }
        else
        // 非阻塞等待， 如果数据没有准备好，返回值会按照出错返回, s == -1
        // 数据没有准备好 vs 真的出错了 ： 处理方式一定不是一样的。 s无法区分！
        // 数据没有准备好，算读取错误吗？不算。read，recv以出错的形式告知上层，数据还没有准备好
        {
            if (errno == EWOULDBLOCK)
            {
                std::cout << "OS的底层数据未准备就绪, errno: " << errno << std::endl;
            }
            else if(errno == EINTR)//信号导致中断
            {
                std::cout << "IO interrupted by signal, try again" << std::endl;
            }
            else
            {
                std::cout << "read error!" << std::endl;
            }
        }
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

3. 多路转接

多路转接有什么优势？

比如：TCPServer，服务端需要创建一个监听套接字，然后接收客户端发来的连接请求，然后返回新的fd，服务端需要维护多个连接，对于每个连接都可能需要读数据/写数据；也就是说，服务端需要监控多个fd的IO事件；没有多路转接：

把所有的fd都设置非阻塞，然后不停的循环遍历每个fd，判断是否有IO事件；
创建多个线程，让线程去监控IO事件；
基于信号以及子进程的方式，让子进程去执行处理对应的IO操作，设置忽略SIGCHLD
使用孙子进程，子进程退出，自动回收资源

这几种方式都有很大的效率和内存开销的问题：

循环遍历的方式：CPU 资源浪费严重，因为即使没有 I/O 事件发生，CPU 也会不断地进行循环检查；可扩展性差，随着连接数的增加，性能会急剧下降；
线程/进程的创建和销毁开销较大，过多的线程/进程会导致系统资源耗尽；

应对多个连接的IO时，多路转接无疑是最合适的方式；

3.1 select

IO总结就两个过程：

等（阻塞，等待数据）
就是拷贝（读/写数据，read、write、recv、send）

多路转接帮我们解决的就是IO中的等；有IO事件就绪就返回；并且它可以一次等待多个文件描述符；

接口原型：

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

参数：

nfds：需要监控的最大文件描述符编号加 1。select 函数会检查从 0 到 nfds - 1 的所有文件描述符。例如，如果要监控的文件描述符是 3、5、7，那么 nfds 应该设置为 8（最大文件描述符 7 加 1）。

readfds：指向一个 fd_set 类型的集合，该集合包含了需要监控读事件的文件描述符。当集合中的某个文件描述符，select 函数会将其标记为就绪。如果不需要监控读事件，可以将其设置为 NULL；

writefds：指向一个 fd_set 类型的集合，该集合包含了需要监控写事件的文件描述符。当集合中的某个文件描述符可以进行写操作时，select 函数会将其标记为就绪。如果不需要监控写事件，可以将其设置为 NULL。

exceptfds：指向一个 fd_set 类型的集合，该集合包含了需要监控异常事件的文件描述符。当集合中的某个文件描述符发生异常时，select 函数会将其标记为就绪。如果不需要监控异常事件，可以将其设置为 NULL；

timeout：指向一个 struct timeval 类型的结构体，用于设置 select 函数的超时时间。struct timeval 结构体定义如下：

struct timeval {
    time_t      tv_sec;         /* seconds */
    suseconds_t tv_usec;        /* microseconds */
};

// 示例
struct timeval timeout ={5，0};// 5秒以内阻塞等待，5秒以后非阻塞;(阻塞+非阻塞)
// 5秒以内阻塞式等待，5秒内就绪了select正常返回，5秒内没有就绪，返回值就为0(超时返回)

struct timeval timeout ={0，0};// 立即检测，有就绪的直接返回，没有返回0(非阻塞)
struct timeval timeout= nullptr;// (阻塞)

返回值：

大于 0：表示就绪的文件描述符的总数，即 readfds、writefds 和 exceptfds 三个集合中就绪的文件描述符数量之和。
0：表示超时，即在指定的时间内没有文件描述符就绪。
-1：表示发生错误，此时会设置相应的 errno 变量，可以通过 perror 函数输出错误信息

设置位图不允许私自设置，系统也提供了接口：

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

示例：

简易的SelectServer，详细可见我的码云：SelectSever示例

Select的优缺点
优点：select只负责等待，可以等待多个fd，IO的时候效率比较高；
缺点:

每次都要对select的参数重置;
编写程序的时候，select要是有第三方数组，所以充满遍历，可能会影响select的效率
用户到内核，内核到用户，每次select调用和返回，都要对位图进行重新设置，内核和用户之间要一直进行数据拷贝
select让OS在底层遍历要关心的所有fd，这也会导致效率低下，内核在检查文件描述符状态时，采用的是线性遍历的方式，即从 0 到 nfds - 1 逐个检查每个文件描述符是否就绪。随着要监控的文件描述符数量增加，遍历的时间也会线性增长；
fd_set是系统提供的类型，fd_set大小是固定的；也就是说位图的大小也是固定的，select最多能检测的fd总数是有上限的；

后续会介绍其他实现多路转接的接口，他们解决了select中存在的一些问题，也是现在最为常用的方式；