第 12 章 I/O 复用

本章代码,在TCP-IP-NetworkNote中可以找到。

12.1 基于 I/O 复用的服务器端

12.1.1 多进程服务端的缺点和解决方法

为了构建并发服务器,只要有客户端连接请求就会创建新进程。这的确是实际操作中采用的一种方案,但并非十全十美,因为创建进程要付出很大的代价。这需要大量的运算和内存空间,由于每个进程都具有独立的内存空间,所以相互间的数据交换也要采用相对复杂的方法(IPC 属于相对复杂的通信方法)

I/O 复用技术可以解决这个问题。

12.1.2 理解复用

「复用」在电子及通信工程领域很常见,向这些领域的专家询问其概念,可能会得到如下答复:

在 1 个通信频道中传递多个数据(信号)的技术

「复用」的含义:

为了提高物理设备的效率,只用最少的物理要素传递最多数据时使用的技术

上述两种方法的内容完全一致。可以用纸电话模型做一个类比:

上图是一个纸杯电话系统,为了使得三人同时通话,说话时要同事对着两个纸杯,接听时也需要耳朵同时对准两个纸杯。为了完成 3 人通话,可以进行如下图的改进:

如图做出改进,就是引入了复用技术。

复用技术的优点:

  • 减少连线长度
  • 减少纸杯个数

即使减少了连线和纸杯的量仍然可以进行三人同时说话,但是如果碰到以下情况:

「好像不能同时说话?」

实际上,因为是在进行对话,所以很少发生同时说话的情况。也就是说,上述系统采用的是「时分复用」技术。因为说话人声频率不同,即使在同时说话也能进行一定程度上的区分(杂音也随之增多)。因此,也可以说是「频分复用技术」。

12.1.3 复用技术在服务器端的应用

纸杯电话系统引入复用技术之后可以减少纸杯数量和连线长度。服务器端引入复用技术可以减少所需进程数。下图是多进程服务端的模型:

下图是引入复用技术之后的模型:

从图上可以看出,引入复用技术之后,可以减少进程数。重要的是,无论连接多少客户端,提供服务的进程只有一个。

12.2 理解 select 函数并实现服务端

select 函数是最具代表性的实现复用服务器的方法。在 Windows 平台下也有同名函数,所以具有很好的移植性。

12.2.1 select 函数的功能和调用顺序

使用 select 函数时可以将多个文件描述符集中到一起统一监视,项目如下:

  • 是否存在套接字接收数据?
  • 无需阻塞传输数据的套接字有哪些?
  • 哪些套接字发生了异常?
术语:「事件」。当发生监视项对应情况时,称「发生了事件」。

select 函数的使用方法与一般函数的区别并不大,更准确的说,他很难使用。但是为了实现 I/O 复用服务器端,我们应该掌握 select 函数,并运用于套接字编程当中。认为「select 函数是 I/O 复用的全部内容」也并不为过。select 函数的调用过程如下图所示:

12.2.2 设置文件描述符

利用 select 函数可以同时监视多个文件描述符。当然,监视文件描述符可以视为监视套接字。此时首先需要将要监视的文件描述符集中在一起。集中时也要按照监视项(接收、传输、异常)进行区分,即按照上述 3 种监视项分成 3 类。

利用 fd_set 数组变量执行此操作,如图所示,该数组是存有0和1的位数组。

图中最左端的位表示文件描述符 0(所在位置)。如果该位设置为 1,则表示该文件描述符是监视对象。那么图中哪些文件描述符是监视对象呢?很明显,是描述符 1 和 3。在 fd_set 变量中注册或更改值的操作都由下列宏完成。

  • FD_ZERO(fd_set *fdset):将 fd_set 变量所指的位全部初始化成0
  • FD_SET(int fd,fd_set *fdset):在参数 fdset 指向的变量中注册文件描述符 fd 的信息
  • FD_SLR(int fd,fd_set *fdset):从参数 fdset 指向的变量中清除文件描述符 fd 的信息
  • FD_ISSET(int fd,fd_set *fdset):若参数 fdset 指向的变量中包含文件描述符 fd 的信息,则返回「真」

上述函数中,FD_ISSET 用于验证 select 函数的调用结果,通过下图解释这些函数的功能:

12.2.3 设置检查(监视)范围及超时

下面是 select 函数的定义:

#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>

int select(int maxfd, fd_set *readset, fd_set *writeset,
           fd_set *exceptset, const struct timeval *timeout);
/*
成功时返回大于 0 的值,失败时返回 -1
maxfd: 监视对象文件描述符数量
readset: 将所有关注「是否存在待读取数据」的文件描述符注册到 fd_set 型变量,并传递其地址值。
writeset: 将所有关注「是否可传输无阻塞数据」的文件描述符注册到 fd_set 型变量,并传递其地址值。
exceptset: 将所有关注「是否发生异常」的文件描述符注册到 fd_set 型变量,并传递其地址值。
timeout: 调用 select 函数后,为防止陷入无限阻塞的状态,传递超时(time-out)信息
返回值: 发生错误时返回 -1,超时时返回0,。因发生关注的时间返回时,返回大于0的值,该值是发生事件的文件描述符数。
*/

如上所述,select 函数用来验证 3 种监视的变化情况,根据监视项声明 3 个 fd_set 型变量,分别向其注册文件描述符信息,并把变量的地址值传递到上述函数的第二到第四个参数。但在此之前(调用 select 函数之前)需要决定下面两件事:

  1. 文件描述符的监视(检查)范围是?
  2. 如何设定 select 函数的超时时间?

第一,文件描述符的监视范围和 select 的第一个参数有关。实际上,select 函数要求通过第一个参数传递监视对象文件描述符的数量。因此,需要得到注册在 fd_set 变量中的文件描述符数。但每次新建文件描述符时,其值就会增加 1 ,故只需将最大的文件描述符值加 1 再传递给 select 函数即可。加 1 是因为文件描述符的值是从 0 开始的。

第二,select 函数的超时时间与 select 函数的最后一个参数有关,其中 timeval 结构体定义如下:

struct timeval
{
    long tv_sec;
    long tv_usec;
};

本来 select 函数只有在监视文件描述符发生变化时才返回。如果未发生变化,就会进入阻塞状态。指定超时时间就是为了防止这种情况的发生。通过上述结构体变量,将秒数填入 tv_sec 的成员,将微妙数填入 tv_usec 的成员,然后将结构体的地址值传递到 select 函数的最后一个参数。此时,即使文件描述符未发生变化,只要过了指定时间,也可以从函数中返回。不过这种情况下, select 函数返回 0 。因此,可以通过返回值了解原因。如果不向设置超时,则传递 NULL 参数。

12.2.4 调用 select 函数查看结果

select 返回正整数时,怎样获知哪些文件描述符发生了变化?向 select 函数的第二到第四个参数传递的 fd_set 变量中将产生如图所示的变化:

由图可知,select 函数调用完成候,向其传递的 fd_set 变量将发生变化。原来为 1 的所有位将变成 0,但是发生了变化的文件描述符除外。因此,可以认为值仍为 1 的位置上的文件描述符发生了变化。

12.2.5 select 函数调用示例

下面是一个 select 函数的例子:

编译运行:

gcc select.c -o select
./select

结果:

可以看出,如果运行后在标准输入流输入数据,就会在标准输出流输出数据,但是如果 5 秒没有输入数据,就提示超时。

12.2.6 实现 I/O 复用服务器端

下面通过 select 函数实现 I/O 复用服务器端。下面是基于 I/O 复用的回声服务器端。

编译运行:

gcc echo_selectserv.c -o selserv
./selserv 9190

结果:

从图上可以看出,虽然只用了一个进程,但是却实现了可以和多个客户端进行通信,这都是利用了 select 的特点。

12.3 基于 Windows 的实现

暂略

12.4 习题

以下答案仅代表本人个人观点,可能不是正确答案。
  1. 请解释复用技术的通用含义,并说明何为 I/O 复用。

    答:通用含义:在 1 个通信频道中传递多个数据(信号)的技术。IO复用就是进程预先告诉内核需要监视的IO条件,使得内核一旦发现进程指定的一个或多个IO条件就绪,就通过进程进程处理,从而不会在单个IO上阻塞了。

    参考文章:Linux网络编程-IO复用技术

  2. 多进程并发服务器的缺点有哪些?如何在 I/O 复用服务器中弥补?

    答:多进程需要进行大量的运算和大量的内存空间。在 I/O 复用服务器中通过 select 函数监视文件描述符,通过判断变化的文件描述符,来得知变化的套接字是哪个,从而实时应答来自多个客户端的请求。

  3. 复用服务器端需要 select 函数。下列关于 select 函数使用方法的描述错误的是?

    答:以下加粗的为正确的描述。

    1. 调用 select 函数前需要集中 I/O 监视对象的文件描述符
    2. 若已通过 select 函数注册为监视对象,则后续调用 select 函数时无需重复注册
    3. 复用服务器端同一时间只能服务于 1 个客户端,因此,需要服务的客户端接入服务器端后只能等待
    4. 与多线程服务端不同,基于 select 的复用服务器只需要 1 个进程。因此,可以减少因创建多进程产生的服务器端的负担
  4. select 函数的观察对象中应包含服务端套接字(监听套接字),那么应将其包含到哪一类监听对象集合?请说明原因

    答:应该包含到「是否存在待读取数据」,因为服务器端需要查看套接字中有没有可以读取的数据。

最后修改:2019 年 01 月 23 日 05 : 38 PM
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