I/O多路复用
I/O复用使得程序能同时监听多个文件描述符，这对提高程序的性能至关重要。通常，网络程序在下列情况下需要使用I/O复用技术：
服务端程序要同时处理多个 socket。比如非阻塞 connect 技术。
服务端程序要同时处理多用户请求和网络连接。
服务器要同时处理监听 socket 和连接 socket。这是 I/O复用使用最多的场合。
I/O复用虽然能同时监听多个文件描述符，但它本身是阻塞的。并且当多个文件描述符同时就绪时，如果不采取额外的措施，程序就只能按顺序一次处理其中的每一个文件描述符，这使得服务器程序看起来像是串行工作的。如果要实现并发，只能使用多进程或多线程等编程手段。Linux 下实现 I/O复用的系统调用主要有 select、poll 和 epoll。
select
select系统调用的用途是：在一段指定时间内，监听用户感兴趣的文件描述符上的可读、可写和异常事件。内核通过对这些参数在线修改来反馈其中的就绪事件。每次调用select都要重置这3个参数。函数原型：
#include <sys/select.h>int select(nfds,fd_set *readfds,fd_set *writefds,fd_set *exceptfds,&timeout);
nfds：指定被监听的文件描述符的总数。
select将事件分为可读(readfds)、可写(writefds)和异常(exceptfds)，并将相应的事件放入对应的文件描述符集合中。
timeout：用来设置select函数的超时时间，采用指针参数是因为内核将修改它以告诉应用程序select等待了多久。如果给timeout变量的成员都传递0，则select将立即返回。如果给timeout传递NULL，则select将一直阻塞，直到某个文件描述符就绪。
select成功时返回就绪文件描述符的总数。如果在超时时间内没有任何文件描述符就绪，select将返回0。select失败时返回-1并设置errno。使用以下函数完成对事件的操作：
void FD_CLR(int fd, fd_set *set); //将fd从set上删除void FD_ZERO(fd_set *set); //将set中所有设置位清除void FD_SET(int fd, fd_set *set); //将fd添加到相应的集合上int FD_ISSET(int fd, fd_set *set); //判断fd是不是在set集合上
select工作原理：
select示例代码：
FD_ZERO(&readset); //清空一个文件描述符集合FD_SET(new_sock, &readset);//将一个文件描述符添加到一个指定的文件描述符集合maxfd=new_sock+1;while(1) {r_readset = readset; //因为每次会修改传入的事件，所以用变量记录事件，每次调用select时需要传入变量r_readset，而不是readset。timeout.tv_sec = 0;timeout.tv_usec = 500000;//io复用if((nfound = select(maxfd,&r_readset,(fd_set *)0,(fd_set *)0,&timeout))<0){perror("select");continue;}else if(nfound==0){continue;}if(FD_ISSET(new_sock,&r_readset))//检查集合中指定的文件描述符是否可以读{//接收消息byteread=recv(new_sock,&msgs,sizeof(msgs),0);if(byteread<0) //recv出错{perror("recv:");break;}if(byteread==0) //连接中止，发送下线信息{break;}//完成相应的操作}//end if}//end while
select的参数类型fd_set没有将文件描述符和事件绑定，它只是一个文件描述符集合，所以select需要提供3种类型的参数分别传入。由于内核对fd_set集合是在线修改的，应用程序下次调用select前需要重置这3个fd_set集合。工作流程：
(1)创建TCP连接，并将 fd 添加到 fd_set 集合中;
(2)将 fd_set 集合从用户态拷贝到内核态;
(3)等待相应事件发生，内核会修改事件集合;
(4)将内核态的 fd_set 集合拷贝到用户态；
(5)应用程序根据发生的事件完成相应的操作。
select的缺点：
(1)进程能够监视的文件描述符的数量存在最大限制，一般是1024，由于select采用轮询的方式扫描文件描述符，所以文件描述符数量越多，性能越差；
(2)内核 / 用户空间内存拷贝问题，select需要复制大量的句柄数据结构，产生巨大的开销；
(3)select返回的是含有整个句柄的数组，应用程序需要遍历整个数组才能发现哪些句柄发生了事件。
poll
poll系统调用和select类似，也是在一定时间内轮询一定数量的文件描述符，以测试其中是否有就绪事件。poll的原型如下：
#include <poll.h>int poll(struct pollfd fds[], nfds_t nfds, int timeout)；
fds：是一个struct pollfd结构类型的数组，用于存放需要检测其状态的socket文件描述符；每当调用这个函数之后，系统不会清空这个数组，操作起来比较方便；特别是对于socket连接比较多的情况下，在一定程度上可以提高处理的效率；poll()函数适合于大量socket描述符的情况；从下面的结构体可以看出，结构体pollfd将文件描述符和事件进行了绑定。
struct pollfd{int fd; //文件描述符short events; //注册的事件short revents; //实际发生的事件，由内核填充}poll事件类型：POLLIN有数据可读POLLRDNORM 有普通数据可读POLLRDBAND 有优先数据可读POLLPRI有紧急数据可读POLLOUT数据可写POLLWRNORM 普通数据可写POLLWRBAND 优先数据可写POLLMSGSIGPOLL 消息可用
nfds：nfds_t类型的参数，用于标记数组fds中的结构体元素的总数量；
timeout：是poll函数调用阻塞的时间，单位是毫秒；
返回值大于0：fds中准备好读、写或异常事件的socket文件描述符的总数量；
返回值等于0：fds中没有任何socket文件描述符准备好读、写，或异常事件；此时poll超时，超时时间是timeout毫秒；换句话说，如果所检测的socket文件描述符上没有任何事件发生的话，那么poll()函数会阻塞timeout所指定的毫秒时间长度之后返回，如果timeout==0，那么poll() 函数立即返回而不阻塞，如果timeout == INFTIM，那么poll() 函数会一直阻塞下去，直到所检测的socket文件描述符上的感兴趣的事件发生是才返回，如果感兴趣的事件永远不发生，那么poll()就会永远阻塞下去。
poll统一处理所有事件类型，因此只需一个事件集参数。用户通过pollfd.events传入感兴趣的事件，它是一系列事件的按位或，内核通过修改pollfd.revents反馈其中就绪的事件。可以使用pollfd.revents与事件类型按位与进行判断是否发生相应的事件。poll同样存在的问题：(1)内核/用户空间内存拷贝问题；(2)应用程序需要采用的轮询方式来检测就绪事件，算法时间复杂度是O(n)。相应代码会放到文章最后。
epoll
epoll是Linux特有的I/O复用函数。它在实现和使用上与select、poll有很大差异。首先，epoll使用一组函数来完成任务，而不是单个函数。其次，epoll把用户关心的文件描述符上的事件放在内核里的一个事件表中，从而无需像select和poll那样每次调用都要重复传入文件描述符集合或事件集合。但epoll需要使用一个额外的文件描述符，来唯一标识内核中的这个事件表。这个文件描述符使用epoll_create函数来创建。
#include <sys/epoll.h>int epoll_create(int size);
size：现在并不起作用，只是给内核一个提示，告诉它事件表需要多大。该函数返回的文件描述符将用作其他所有epoll系统调用的第一个参数，以指定要访问的内核事件表。
当进程调用epoll_create方法时，Linux内核会创建一个eventpoll结构体，这个结构体中有两个成员与epoll的使用方式密切相关。eventpoll结构体如下所示：
struct eventpoll{....//红黑树的根节点，这颗树中存储着所有添加到epoll中的需要监控的事件struct rb_root rbr;//双链表中则存放着将要通过epoll_wait返回给用户的满足条件的事件struct list_head rdlist;....};
epoll_ctl( )
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event); //用于操作epoll的内核事件表
fd参数是要操作的文件描述符，op参数则指定操作类型。操作类型有以下3种：
EPOLL_CTL_ADD，往事件表中注册fd上的事件。
EPOLL_CTL_MOD，修改fd上的注册事件。
EPOLL_CTL_DEL，删除fd上的注册事件。
event参数指定事件，它是epoll_event结构指针类型。epoll_event的定义如下：
struct epoll_event{__uint32_t events; //epoll事件epoll_data_t data; //用户数据}
其中events成员描述事件类型。epoll支持的事件类型和poll基本相同。表示epoll事件类型的宏是在poll对应的宏前加上”E”，比如epoll的数据可读事件是EPOLLIN。但epoll有两个额外的事件类型——EPOLLET和EPOLLONESHOT。它们对于epoll的高效运作非常关键。data成员用于存储用户数据，其类型epoll_data_t的定义如下：
typedef union epoll_data{void *ptr;int fd;uint32_t u32;uint64_t u64;}epoll_data_t;
epoll_data_t是一个联合体，其中使用最多的成员是fd，它指定事件所从属的目标文件描述符。epoll_ctl成功时返回0，失败时返回-1并设置errno。
每一个epoll对象都有一个独立的eventpoll结构体，用于存放通过epoll_ctl方法向epoll对象中添加进来的事件。这些事件都会挂在红黑树上，如此，重复添加的事件就可以通过红黑树而高效的识别出来(红黑树的插入时间效率是O(lgn)，其中n为元素个数)。
而所有添加到epoll中的事件都会与设备(网卡)驱动程序建立回调关系，也就是说，当相应的事件发生时会调用这个回调方法。这个回调方法在内核中叫ep_poll_callback,它会将发生的事件添加到eventpoll的rdlist双链表中。
在epoll中，对于每一个事件，都会建立一个epitem结构体，如下所示：
struct epitem{struct rb_node rbn; //红黑树节点struct list_head rdllink; //双向链表节点struct epoll_filefd ffd; //事件句柄信息struct eventpoll *ep; //指向其所属的eventpoll对象struct epoll_event event; //期待发生的事件类型}
epoll_wait()
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event* events, int maxevents, int timeout);
该函数成功时返回就绪的文件描述符的个数，失败时返回-1并设置errno。epoll_wait函数如果检测到事件，就将所有就绪的事件从内核事件表中复制到它的第二个参数events指向的数组中。这个数组只用于输出epoll_wait检测到的就绪事件，而不像select和poll的数组参数那样及用于传入用户注册的事件，又用于输出内核检测到的就绪事件。这就极大地提高了应用程序索引就绪文件描述符的效率。
当调用epoll_wait检查是否有事件发生时，只需要检查eventpoll对象中的rdlist双链表中是否有epitem元素即可。如果rdlist不为空，则把发生的事件复制到用户态，同时将事件数量返回给用户。
简单的归纳epoll的用法了：
(1)调用epoll_create()，返回一个句柄来唯一标识内核中的事件表。
(2)使用epoll_ctl()系统调用，向epoll对象中添加、删除、修改感兴趣的事件，返回0表示成功，返回-1表示失败。
(3)通过epoll_wait()系统调用获取就绪事件。
epoll对文件描述符的操作有两种模式：LT(Level Trigger，电平触发)模式和ET(Edge Trigger，边沿触发)模式。LT模式是默认的工作模式，这种模式下epoll相当于一个效率较高的poll。当往epoll内核事件表中注册一个文件描述符上的EPOLLET事件时，epoll将以ET模式来操作该文件描述符。ET模式是epoll的高效工作模式。
对于采用LT工作模式的文件描述符，当epoll_wait检测到其上有事件发生并将此事件通知应用程序后，应用程序可以不立即处理该事件。这样，当应用程序下一次调用epoll_wait时，epoll_wait还会再次向应用程序通告此事件，直到该事件被处理。而对于采用ET工作模式的文件描述符，当epoll_wait检测到其上有事件发生并将此事件通知应用程序后，应用程序必须立即处理该事件，因为后续的epoll_wait调用将不再向应用程序通知这一事件。可见，ET模式在很大程度上降低了同一个epoll事件被重复触发的次数，因此效率比LT高。
select、poll和epoll对比
这三组系统调用都能同时监听多个文件描述符。它们将等待由timeout参数指定的超时时间，直到一个或多个文件描述符上有事件发生时返回，返回值是就绪文件描述符的数量。返回0表示没有事件发生。
select的参数类型fd_set没有将文件描述符和事件绑定，它只是一个文件描述符集合，所以select需要提供3种类型的参数分别传入。由于内核对fd_set集合是在线修改的，应用程序下次调用select前需要重置这3个fd_set集合。
poll的参数类型pollfd将文件描述符和事件都定义在其中，任何事件都被统一处理，从而使得编程接口简洁得多。并且内核每次修改的是revents成员，而events成员保持不变，因此下次调用poll时不需要重置pollfd的事件集合参数。由于每次select和poll调用都返回整个用户注册的事件集合，所以应用程序找到就绪文件描述符的时间复杂度为O(n)。
epoll采用与select和poll完全不同的方式管理用户注册的事件。它在内核中维护一个事件表，并提供了一个独立的系统调用epoll_ctl来控制往其中添加、删除、修改事件。每次epoll_wait调用都直接从该内核事件表中取得用户注册的事件，而不用反复从用户空间读入这些事件。epoll_wait系统调用的events参数仅用来返回就绪的事件，这使得应用程序索引就绪文件描述符的事件复杂度为O(1)。
代码实现
以下代码使用poll实现了一个简单聊天室的功能，该聊天室程序能让所有用户同时在线群聊，它分为客户端和服务器两个部分。其中客户端程序有两个功能：一是从标准输入读入用户数据，并将数据发送至服务器；二是往标准输出终端打印服务器发送给它的数据。服务器的功能是接收客户数据，并把客户数据发送给每一个登录到该服务器上的客户端。下面依次给出服务器端和客户端的代码。
#define _GNU_SOURCE 1 //server.c#include <sys/types.h>#include <sys/socket.h>#include <netinet/in.h>#include <arpa/inet.h>#include <assert.h>#include <stdio.h>#include <unistd.h>#include <errno.h>#include <string.h>#include <fcntl.h>#include <stdlib.h>#include <poll.h>#define USER_LIMIT 5#define BUFFER_SIZE 64#define FD_LIMIT 65535struct client_data{sockaddr_in address;char* write_buf;char buf[ BUFFER_SIZE ];};int setnonblocking( int fd ){int old_option = fcntl( fd, F_GETFL );int new_option = old_option | O_NONBLOCK;fcntl( fd, F_SETFL, new_option );return old_option;}int main( int argc, char* argv[] ){if( argc <= 2 ){printf( "usage: %s ip_address port_number\n", basename( argv[0] ) );return 1;}const char* ip = argv[1];int port = atoi( argv[2] );int ret = 0;struct sockaddr_in address;bzero( &address, sizeof( address ) );address.sin_family = AF_INET;inet_pton( AF_INET, ip, &address.sin_addr );address.sin_port = htons( port );int listenfd = socket( PF_INET, SOCK_STREAM, 0 );//1.创建socketprintf("Listenfd:[%d]\n", listenfd); //每次都是3assert( listenfd >= 0 );//socket返回值是一个文件描述符，socket类型本身也是定义为int的，既然是文件描述符，那么在//系统中都当作是文件来对待。0,1,2分别表示标准输入、标准输出、标准错误。所以其他打开文件描述符都会大于2。ret = bind( listenfd, ( struct sockaddr* )&address, sizeof( address ) ); //2.bindprintf("Bind ret:[%d]\n", ret);assert( ret != -1 );ret = listen( listenfd, 5 ); //3.监听printf("Listen ret:[%d]\n", ret);assert( ret != -1 );client_data* users = new client_data[FD_LIMIT];pollfd fds[USER_LIMIT+1]; //文件描述符上可读、可写和异常事件int user_counter = 0;for( int i = 1; i <= USER_LIMIT; ++i ){fds[i].fd = -1;fds[i].events = 0;}fds[0].fd = listenfd;//指定文件描述符fds[0].events = POLLIN | POLLERR; //events告诉poll监听fd上的什么事件，这个例子就是监听可读和错误事件fds[0].revents = 0; //由内核填写，以通知fd上实际发生的事件while( 1 ){ret = poll( fds, user_counter+1, -1 );if ( ret < 0 ){printf( "poll failure\n" );break; //跳出循环}for( int i = 0; i < user_counter+1; ++i ){if( ( fds[i].fd == listenfd ) && ( fds[i].revents & POLLIN ) ){ //监听的文件描述符是server创建的socket且有可读事件发生，即有客户端的连接。接下来完成accept相关工作。struct sockaddr_in client_address;socklen_t client_addrlength = sizeof( client_address );int connfd = accept( listenfd, ( struct sockaddr* )&client_address, &client_addrlength ); //acceptprintf("Connfd:[%d]\n", connfd);if ( connfd < 0 ){printf( "errno is: %d\n", errno );continue;}if( user_counter >= USER_LIMIT ){const char* info = "too many users\n";printf( "%s", info );send( connfd, info, strlen( info ), 0 );close( connfd );continue; //continue语句的作用是跳过本次循环体中余下未执行的语句，立即进入下一次循环条件判定。}user_counter++;users[connfd].address = client_address;setnonblocking( connfd );fds[user_counter].fd = connfd;fds[user_counter].events = POLLIN | POLLRDHUP | POLLERR;fds[user_counter].revents = 0;printf( "comes a new user, now have %d users\n", user_counter );} //if( ( fds[i].fd == listenfd ) && ( fds[i].revents & POLLIN ) ) endelse if( fds[i].revents & POLLERR ){printf( "get an error from %d\n", fds[i].fd );char errors[ 100 ];memset( errors, '\0', 100 );socklen_t length = sizeof( errors );if( getsockopt( fds[i].fd, SOL_SOCKET, SO_ERROR, &errors, &length ) < 0 ){printf( "get socket option failed\n" );}continue;}//else if( fds[i].revents & POLLERR ) endelse if( fds[i].revents & POLLRDHUP ){//客户端退出是触发，POLLRDHUP：TCP连接被对方关闭，或者对方关闭了写操作users[fds[i].fd] = users[fds[user_counter].fd];close( fds[i].fd );fds[i] = fds[user_counter];i--;user_counter--;printf( "a client left\n" );}//else if( fds[i].revents & POLLRDHUP ) endelse if( fds[i].revents & POLLIN ){int connfd = fds[i].fd;memset( users[connfd].buf, '\0', BUFFER_SIZE );ret = recv( connfd, users[connfd].buf, BUFFER_SIZE-1, 0 );printf( "get %d bytes of client data %s from %d\n", ret, users[connfd].buf, connfd );if( ret < 0 ){if( errno != EAGAIN ){close( connfd );users[fds[i].fd] = users[fds[user_counter].fd];fds[i] = fds[user_counter];i--;user_counter--;}}else if( ret == 0 ){printf( "code should not come to here\n" );}else{for( int j = 1; j <= user_counter; ++j ){if( fds[j].fd == connfd ){continue;}fds[j].events |= ~POLLIN;fds[j].events |= POLLOUT;users[fds[j].fd].write_buf = users[connfd].buf;}}}//else if( fds[i].revents & POLLIN ) endelse if( fds[i].revents & POLLOUT ){int connfd = fds[i].fd;if( ! users[connfd].write_buf ){continue;}ret = send( connfd, users[connfd].write_buf, strlen( users[connfd].write_buf ), 0 );users[connfd].write_buf = NULL;fds[i].events |= ~POLLOUT;fds[i].events |= POLLIN;}}//for end}//while enddelete [] users;close( listenfd );return 0;}
#define _GNU_SOURCE 1 //client.c#include <sys/types.h>#include <sys/socket.h>#include <netinet/in.h>#include <arpa/inet.h>#include <assert.h>#include <stdio.h>#include <unistd.h>#include <string.h>#include <stdlib.h>#include <poll.h>#include <fcntl.h>#define BUFFER_SIZE 64int main( int argc, char* argv[] ){if( argc <= 2 ){printf( "usage: %s ip_address port_number\n", basename( argv[0] ) );return 1;}const char* ip = argv[1];int port = atoi( argv[2] );struct sockaddr_in server_address;bzero( &server_address, sizeof( server_address ) );server_address.sin_family = AF_INET;inet_pton( AF_INET, ip, &server_address.sin_addr );server_address.sin_port = htons( port );int sockfd = socket( PF_INET, SOCK_STREAM, 0 );printf("Sockfd:[%d]\n", sockfd);assert( sockfd >= 0 );if ( connect( sockfd, ( struct sockaddr* )&server_address, sizeof( server_address ) ) < 0 ){printf( "connection failed\n" );close( sockfd );return 1;}pollfd fds[2];fds[0].fd = 0; //标准输入fds[0].events = POLLIN;fds[0].revents = 0;fds[1].fd = sockfd;fds[1].events = POLLIN | POLLRDHUP;fds[1].revents = 0;char read_buf[BUFFER_SIZE];int pipefd[2];int ret = pipe( pipefd );assert( ret != -1 );while( 1 ){ret = poll( fds, 2, -1 );if( ret < 0 ){printf( "poll failure\n" );break;}if( fds[1].revents & POLLRDHUP ){printf( "server close the connection\n" );break;}else if( fds[1].revents & POLLIN ){memset( read_buf, '\0', BUFFER_SIZE );recv( fds[1].fd, read_buf, BUFFER_SIZE-1, 0 );printf( "%s\n", read_buf );}if( fds[0].revents & POLLIN ){ret = splice( 0, NULL, pipefd[1], NULL, 32768, SPLICE_F_MORE | SPLICE_F_MOVE );ret = splice( pipefd[0], NULL, sockfd, NULL, 32768, SPLICE_F_MORE | SPLICE_F_MOVE );}}close( sockfd );return 0;}
运行过程：
(1)运行服务器端代码
(2)运行客户端代码并发送消息
(3)服务器端转发消息的情况如下：
参考：/davidsguo008/article/details/73556811
