I/O多路转接模型提供一种等待多个描述符就绪的方式，相比于阻塞式I/O模型阻塞于特定描述符的read或write调用，I/O多路转接能监控多个描述符。
以TCP服务器为例：
使用阻塞式I/O时，进程阻塞于accept调用直到内核为监听套接字维护的已完成连接队列不为空， 此时如果只有一个进程（或线程），那么其他已连接客户端则不能得到及时的响应。 所以就必须为每个已连接的客户端创建一个进程（或线程）来保证每个客户端都得到及时的响应。 此方法的不足是：
- 进程的创建和调度都需占用系统资源；
- 一般而言系统能创建的最大进程数是有限制的（C10K问题）。
使用I/O多路转接时，进程阻塞于select调用直到一个或多个描述符准备就绪。 这就允许我们同时监控监听描述符和已连接描述符，用一个进程为多个客户端提供及时服务也成为可能。
select系统调用
#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
struct timeval {
long tv_sec;
long tv_usec;
};
int select(int maxfdp1, fd_set *readfset, fd_set *writefset, fd_set *exceptionfset, const struct timeval *tv);
// 成功返回就绪的描述符个数，超时返回0，出错返回-1
// fd_set操作函数
void FD_ZERO(fd_set *fdset);
void FD_SET(int fd, fd_set *fdset);
void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset);
int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset);
套接字描述符就绪条件：
- 接收缓冲区中的数据>=接收缓冲区低水位标记 读就绪
- 关闭连接的读一半 读就绪
- 已完成连接队列非空 读就绪
- 发送缓冲区可用空间大小>=发送缓冲区低水位标记 写就绪
- 关闭连接的写一半 写就绪
- 待处理错误 读写就绪
- TCP带外数据 异常事件就绪
另外超时参数需要在每次调用select前重置，否则，在第一次超时返回后，select调用将不再等待固定时间而直接返回。
poll函数
poll提供的功能与select类似。
#include <poll.h>
struct pollfd {
int fd;
int events;
int revents;
};
int poll(struct pollfd *fdarray, unsigned long arraysize, int timeout);
// 成功返回就绪的描述符个数，超时返回0，出错返回-1
// fdarray数组中fd为负值的项将被忽略
events和revents常值说明：
-
POLLIN- 是否可为events输入：是
- 是否可为revents输出：是
- 说明：普通或优先级带数据可读
-
POLLRDNORM- 是否可为events输入：是
- 是否可为revents输出：是
- 说明：普通数据可读
-
POLLRDBAND- 是否可为events输入：是
- 是否可为revents输出：是
- 说明：优先级带数据可读
-
POLLPRI- 是否可为events输入：是
- 是否可为revents输出：是
- 说明：高优先级数据可读
-
POLLOUT- 是否可为events输入：是
- 是否可为revents输出：是
- 说明：普通数据可写
-
POLLWRNORM- 是否可为events输入：是
- 是否可为revents输出：是
- 说明：普通数据可写
-
POLLWRBAND- 是否可为events输入：是
- 是否可为revents输出：是
- 说明：优先级带数据可写
-
POLLERR- 是否可为events输入：否
- 是否可为revents输出：是
- 说明：错误
-
POLLHUP- 是否可为events输入：否
- 是否可为revents输出：是
- 说明：挂起
-
POLLNVAL- 是否可为events输入：否
- 是否可为revents输出：是
- 说明：描述符不是一个打开的文件
poll识别三类数据：普通、优先级带(prioriy band)、高优先级(high priority)，这些术语出自基于流的实现。
那么上表跟TCP和UPD套接字是怎样的一种映射关系呢？
- 所有正规TCP、UDP数据被认为是普通数据
- TCP连接上读入的FIN被认为是普通数据
- TCP连接存在错误既可认为是普通数据，也可认为是错误。无论是哪种情况，随后的读操作将返回-1。
- 对于监听套接字，已连接队列非空既可认为是普通数据，也可认为是优先级数据。大多数实现将其视为普通数据
poll的timeout参数：
- -1(INFTIM) 永远等待
- 0 立即返回
- >0 等待固定时间(单位：ms)
shutdown函数
此函数用于关闭连接的一半。
#include <sys/socket.h>
int shutdown(int sockfd, int howto); // 成功返回0，失败返回-1
howto参数：
SHUT_RD关闭连接的读一半，清空套接字接收缓冲区中的数据SHUT_WR关闭连接的写一半，套接字发送缓冲区中剩下的数据将被发送，且会发送FIN标记SHUT_RDWR与调用两次shutdown等效：第一次调用指定SHUT_RD，第二次调用指定SHUT_WR
示例程序
回射程序服务器
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
#include <errno.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#define SA struct sockaddr
#define FD_SIZE 2
static void errsys(const char *msg, int nErr);
int main(int argc, char *argv[]) {
int listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (listenfd < 0) {
errsys("create listen fd err!", errno);
}
struct sockaddr_in servaddr;
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
servaddr.sin_port = htons(60000);
if (bind(listenfd, (const SA*)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0) {
errsys("bind err!", errno);
}
if (listen(listenfd, 5) < 0) {
errsys("listen err!", errno);
}
int maxfd = listenfd;
fd_set allset, readset;
FD_ZERO(&allset);
FD_SET(listenfd, &allset);
FD_ZERO(&readset);
int connfds[FD_SIZE];
memset(connfds, -1, sizeof(connfds));
static const int s_buffSize = 256;
char s_recvBuff[s_buffSize];
for (;;) {
readset = allset;
int nready = select(maxfd+1, &readset, NULL, NULL, NULL);
if (nready < 0){
errsys("select err!", errno);
}
if (FD_ISSET(listenfd, &readset)) { // 有新客户连入服务器
int fd = accept(listenfd, NULL, NULL);
printf("new clients! fd:%d\n", fd);
if (fd >= 0) {
int i = 0;
for (; i < FD_SIZE; ++i) {
if (connfds[i] < 0) {
connfds[i] = fd;
FD_SET(fd, &allset);
if (fd > maxfd) {
maxfd = fd;
}
break;
}
}
if (i == FD_SIZE) {
printf("too many clients!\n");
close(fd);
}
}
if (--nready <= 0) {
continue;
}
}
// 处理连接套接字
for (int i = 0; i < FD_SIZE; ++i) {
int fd = connfds[i];
if (fd >= 0 && FD_ISSET(fd, &readset)) {
int n = read(fd, s_recvBuff, s_buffSize);
if (n == 0) { // 客户端发送FIN
connfds[i] = -1;
FD_CLR(fd, &allset);
if (maxfd == fd) {
--maxfd;
}
}
else if (n > 0) { // 回写
int writen = write(fd, s_recvBuff, n);
if (writen != n) {
printf("write sockfd %d err!write len:%d\n", fd, writen);
}
}
else { // 此情况不应出现
errsys("read err!", errno);
}
if (--nready <= 0)
break;
}
}
}
exit(0);
}
static void errsys(const char *msg, int nErr) {
const char *s_err = strerror(nErr);
if (NULL == s_err) {
s_err = "";
}
printf("%s %s\n", msg, s_err);
exit(1);
}
回射程序客户端
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#define SA struct sockaddr
static void errsys(const char *msg, int nErr);
int main(int argc, char *argv[]) {
if (argc < 2) {
errsys("enter your server ip!", 0);
}
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (sockfd < 0) {
errsys("create sockfd err.", errno);
}
struct sockaddr_in servaddr;
memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
servaddr.sin_port = htons(60000);
if (connect(sockfd, (const SA *)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0) {
errsys("connect err.", errno);
}
fd_set allset, rset;
FD_ZERO(&allset);
FD_SET(fileno(stdin), &allset);
FD_SET(sockfd, &allset);
int maxfd = fileno(stdin);
if (sockfd > maxfd) {
maxfd = sockfd;
}
static const int s_buffSize = 256;
char buff[s_buffSize] = {0};
bool bEof = false;
for (;;) {
rset = allset;
struct timeval limTim;
limTim.tv_sec = 5;
limTim.tv_usec = 0;
int nReady = select(maxfd+1, &rset, NULL, NULL, &limTim);
if (0 == nReady) { // timeout
if (bEof) {
printf("this situation should't hanppen. the server fucks me?");
break;
}
else {
printf("tik tok!\n");
continue;
}
}
if (FD_ISSET(fileno(stdin), &rset)) { // 从标准输入读入数据
int n = read(fileno(stdin), buff, s_buffSize);
if (n > 0) {
if (write(sockfd, buff, n) != n) {
printf("send data err.\n");
exit(2);
}
}
else {
bEof = true;
shutdown(sockfd, SHUT_WR);
}
--nReady;
}
if (nReady > 0 && FD_ISSET(sockfd, &rset)) { // 收到服务器回写数据
int n = read(sockfd, buff, s_buffSize);
if (n > 0) {
write(fileno(stdout), buff, n);
}
else if (n < 0) {
errsys("server quit.\n", errno);
}
else {
if (bEof) {
printf("echo finished.\n");
}
else {
printf("server shutdown.\n");
}
break;
}
--nReady;
}
}
exit(0);
}
static void errsys(const char *msg, int nErr) {
const char *s_err = "";
if (nErr != 0) {
s_err = strerror(nErr);
}
printf("%s %s\n", msg, s_err);
exit(1);
}