UNIX网络编程卷一笔记第六章第6章 I/O复用

蔚落 2022-10-01 13:47 146阅读 0赞

## 1 概述 ##

同时监视多个I/O条件，在其中任意一个就绪时通知进程，这样的能力称为I/O复用，由select和poll函数支持，较新的还有Posix中的pselect函数。（Linux中还多出了epoll）

应用场合：

1. 同时处理多个描述符时，必须用。

2. 同时处理多个套接字时，比较少见。

3. 既要处理监听套接字，又要处理已连接套接字。

4. 既要处理TCP，又要处理UDP。

5. 要处理多个服务器或多个协议。

## 2 I/O模型 ##

Unix可用的5种I/O模型：

1. 阻塞式I/O；

2. 非阻塞I/O；

3. I/O复用；

4. 信号驱动式I/O（SIGIO）；

5. 异步I/O（Posix的aio\_系列函数）。

一个输入操作一般包括两个阶段：等待数据、从内核和进程复制数据。

### 2.1 阻塞式I/O模型 ###

直到复制完成或发生错误才返回，如被信号打断。

### 2.2 非阻塞式I/O模型 ###

无数据时直接返回错误，不会陷入睡眠，有数据时直接复制数据。

### 2.3 I/O复用模型 ###

阻塞在select或poll上，而不是阻塞在真正的I/O系统调用上。另一种I/O模型是在多线程中使用阻塞I/O，每个线程处理一个文件描述符，这样类似于select，但更自由，不过开销也更大。

### 2.4 信号驱动式I/O模型 ###

让内核在描述符就绪时发送SIGIO信号通知我们。

### 2.5 异步I/O模型 ###

Posix规定了一族以aio\_开头的函数。这些函数的工作机制是：告知内核启动某个操作，并让内核在整个操作完成后通知我们。

与信号I/O的区别是：信号I/O是内核通知何时可以启动一个操作，异步I/O通知I/O操作何时完成。

完成后会产生指定的信号。

### 2.6 同步I/O和异步I/O对比 ###

Posix的定义：

1. 同步I/O操作导致请求进程阻塞，直到I/O操作完成；

2. 异步I/O操作不导致请求进程阻塞。

前4种模型都是同步I/O模型，因为都会在两个阶段中至少发生一次阻塞，只有异步I/O模型与此定义的异步I/O匹配。

## 3 select函数 ##

超时时间：参数为NULL则会永久等待，为0则会立即返回。

BSD的内核不自动重启被信号中断的select。

select可监视的描述符最多为FD\_SETSIZE个，一般是1024。它是以轮询的方式查询各个描述符状态，因此设置恰好为最大的描述符+1的maxfd参数，能减少轮询花费的时间。

中间的三个参数readset、writeset和exceptset指定要测试读、写、异常条件的描述符，都是值-结果参数。目前支持的异常条件只有两个：

1. 某个套接字的带外数据的到达。

2. 某个已置为分组模式的伪终端存在可从其主端读取的控制状态信息。

这三个参数都为空的话，select就是一个比sleep更精确的定时器。

每次重新调用select时都得再次把所有描述符集内所关心的位均置为1。

### 3.1 描述符就绪条件 ###

满足下列条件的套接字准备好读：

1. 接收缓冲区中的数据字节数大于等于它的低水位标记。可用SO\_RCVLOWAT设置此标记，TCP和UDP默认为1。

2. 接收了FIN的TCP连接，读操作不阻塞并返回0。

3. 监听套接字且已完成的连接数不为0，对它的accept通常不阻塞。

4. 有套接字错误待处理，读操作不阻塞并返回-1，同时设置errno，可以指定SO\_ERROR调用getsockopt获取并清除。

满足下列条件的套接字准备好写：

1. 发送缓冲区中的可用空间字节数大于等于它的低水位标记，并且，或者是已连接，或者不需要连接。可用SO\_SNDLOWAT来设置该标记，TCP和UDP默认为2048。

2. 该连接的写半部关闭，写这样的套接字将产生SIGPIPE。

3. 使用非阻塞connect的套接字已建立连接，或者connect已失败。

4. 有套接字错误待处理。

如果一个套接字存在带外数据或者仍处于带外标记，它有异常条件待处理。

发生错误时，套接字同时可读可写。

## 4 批量输入 ##

6.4中的str\_cli函数仍然不正确。

假设客户的请求到达服务器和服务器的应答到达客户都需要8个时间单位，在批量方式运行客户程序处理多个文件时，客户是以网络的最快速度持续发送请求（因为文件操作比网络传输快得多），在写完来自文件的最后一个请求时，如果立即关闭连接，管道中未发送的请求和应答就会被丢弃，造成接收的数据大小小于文件大小。

此时需要关闭TCP连接中的一半，即想给服务器发送一个FIN告知数据发送结束，但仍然可以读此套接字。可由shutdown函数来完成。

stdio有不透明的缓冲区，但select看不到这个缓冲区，因此就不会知道是否有未读取的数据在其中，可能会在有数据可读的情况下陷入不必要的阻塞中，此时因为数据还未处理完，对端不会再发送数据过来，这样就可能一直阻塞下去。因此select和stdio混用非常容易发生问题。

有自己缓冲区的readline函数有同样的问题，可以在select前查看缓冲区是否为空，但因为文本行可能有一个或多个甚至是半个，程序的复杂性会大大增加。

## 5 shutdown函数 ##

close有两个限制可用shutdown避免：

1. close只在描述符的引用计数为0时才关闭套接字。shutdown可直接正常终止连接。

2. close终止了两个方向的数据传送。shutdown可选择只关一个方向。

用shutdown关闭读端时，接收缓冲区的数据都被丢弃，该TCP套接字接收的来自对端的任何数据都被确认后丢弃。

关闭写端时，发送缓冲区的数据将被发送掉，再正常终止。

读写都关闭时，相当于先关闭读再关闭写。

## 6 TCP回射服务器程序（修订版） ##

服务器程序只用一个进程来处理所有客户的请求。

用一个数组来保存所有连接的套接字描述符，初始的读集合只包括监听套接字，之后每次accept一次就添加进一个新fd，连接关闭时从集合中去掉这个fd。

如果用readline来接受客户的请求，可能会遭到拒绝服务型攻击，用read则不会阻塞于此。

## 7 pselect函数 ##

pselect相对于select的变化：

1. 使用timespec结构而不是timeval结构，最大精度提高到纳秒。

2. 允许在pselect调用时阻塞指定的信号集，在返回时信号掩码又会重置为调用前的值。

## 8 poll函数 ##

与select类似，但处理流设备时能提供额外的信息。

描述符集是通过一个结构体数组和长度提供的，结构体中调用值和返回结果是分开的。返回后依次检查每个成员的revent值。

等待时间是毫秒数，如果为0则不等待，为INFTIM则永远等待。

UNIX网络编程卷一笔记第六章第6章 I/O复用

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