c++高级篇(二) ——Linux下IO多路复用之select模型

简介: c++高级篇(二) ——Linux下IO多路复用之select模型

什么是IO多路复用

前言

我们在Linux上服务端一般是要同时连接多个客户端进行通信,但是为每一个客户端连接创建一个进/线程,会消耗很多资源,一个1核2GB的虚拟机,大概只能创建100多个线程,但是我们经常使用网络知道,这样是远远不能满足我们日常的使用需求的,所以为了解决这一问题,就需要我们去使用IO多路复用。

IO多路复用

IO多路复用指的是我们可以使用一个进/线程去处理多个TCP链接,减少系统开销,而我们常见的IO多路复用主要用三种:

  • select(1024)
  • poll(几千)
  • epoll(百万)

网络通讯中的读与写事件

读事件

  • 已连接队列中有已经准备好的socket(有新的客户端连接上来)
  • 接收缓存有数据可以读(对端发送的报文已经送达)
  • tcp连接断开(对端使用close()函数断开了连接)

写事件

  • 发送端缓冲区没有满,可以写入数据(向对端发送报文)

select模型

位图

  • 什么是位图
    select实现IO多路复用是基于位图来实现的,位图的本质是一个32位整型数组(int[32]),一个32位整型有4个字节,每个字节有8个位:
    32 ∗ 8 ∗ 4 = 1024 32*8*4=102432∗8∗4=1024
    每一个位可以监听一个socket这也是select模型课件监听1024个socket的原因所在。
  • 位图的相关操作
    在Linux内核中为我们提供相关的宏让我们操作位图:
void D_CLR(int fd,fd_set* set);//将socket从位图中删除
int FD_ISSET(int fd,fd_set *set);//判断socket是否在位图中
void FD_SET(int fd,fd_set* set);//将socket加入到位图中
void FD_ZERO(fd_set* set); //将位图全部初始化为0

select模型的细节

写事件

  • 如果tcp的发送缓冲区没有满,那么此时socket连接是可写的
  • 一般来说发送缓冲区不容易填满,但是如果发送数据量过大或者网络带宽不够,发送缓冲区有填满的可能。

水平触发

  • select()监视的socket如果发生了事件,select()会返回(通知应用程序处理事件),如果事件没有被处理,再次调用select()的时候会立即再通知
  • 存在的问题
  • 这里操作位图的方法是轮询,它的性能会随着socket的增多而增多
  • 每次调用select,需要拷贝位图,而且select属于用户态,网络通信属于内核态,需要拷贝两次,会影响select的性能
  • 受位图大小的限制,每个进/线程selectt所能处理的socket数量默认是1024个,性能不够高,无法处理网络通信频繁的实际场景

select模型监控socket通讯流程图

代码示例

#include "data-sharing-center/public/_cmpublic.h"
#include <string.h>
using namespace std;
int inintserver(int port); //初始化监听端口
int main(int argc,char* argv[])
{
    if(argc!=2)
    {
        cout<<"using example:./server [port]"<<endl;
        return -1;
    }
    //初始化服务端用来监听的socket
    int listensock=inintsocket(atoi(argv[1]));
    if(listensock<0)
    {
        perror("inintsocket() error");
        return -1;
    }
    cout<<"listensock="<<listensock<<endl;
    //初始化select
    fd_set readfds;
    FD_ZERO(&readfds);
    FD_SET(listensock,&readfds);
    int maxfd=listensock;//记录当前监听socket的数量
    while(true)  //使用select循环监听
    {
        //定义超时结构体
        struct timeval timeout;  //定义超时结构体
        timeout.tv_sec=10; //秒
        timeout.tv_usec=0; //微妙
        fd_set tmps=readfds;  //select操作中会对位图进行修改,创建一个临时位图
        int infds=select(maxfd+1,&tmps,NULL,NULL,&timeout);  //开启监听
        if(infds<0)   //连接失败
        {
            perror("select() error");
            break;
        }
        else if(infds==0)  //超时(此时间段没有事件发生)
        {
            cout<<"select timeout"<<endl;
            continue;
        }
        else    //有事件发生
        {
            //遍历位图,查看是哪一个socket发生事件
            for(int eventfd=0;eventfd<=maxfd;eventfd++)
            {
                if(FD_ISSET(eventfd,&tmps))    //查看是否是该socket
                {
                    if(eventfd=listensock)   //如果是监听,说明发生的事件是有客户顿socket发送了连接请求
                    {
                        //接收客户端连接
                        struct sockaddr_in clientaddr;
                        socklen_t addrlen=sizeof(clientaddr);
                        int clientsock=accept(listensock,(struct sockaddr*)&clientaddr,&addrlen);
                        if(clientsock<0)
                        {
                            perror("accept() error");
                            continue;
                        }
                        cout<<"client connected,clientsock:"<<clientsock<<endl;
                        //将新的客户端socket加入位图
                        FD_SET(clientsock,&readfds);
                        if(clientsock>maxfd)
                        {
                            maxfd=clientsock;
                        }
                    }
                    else   //否则就是客户端向服务端发送了数据,或者有客户端断开了连接
                    {
                        char buffer[1024]; //用来接收数据
                        memset(buffer,0,sizeof(buffer));
                        if(recv(eventfd,buffer,sizeof(buffer),0)<0)   //说明是有客户端断开了
                        {
                            cout<<"client disconnected,clientfd="<<eventfd<<endl;
                            close(eventfd);
                            FD_CLR(eventfd,&tmps);
                            if(maxfd==eventfd);  //重新计算maxfd的值,注意,只有当eventfd==maxfd时才需要计算。
                            {
                                for(int ii=maxfd;ii>0;ii--)
                                {
                                    if(FD_ISSET(ii,&readfds))
                                    {
                                        maxfd=ii;
                                        break;
                                    }
                                }
                            }
                        }
                        else   //说明是有客户端发送了数据
                        {
                            cout<<"client data:"<<buffer<<endl;
                            send(eventfd,buffer,strlen(buffer),0);  //把数据发送回去说明已经收到了
                        }
                    }   
                }
            }
        }
    }
    return 0;
}
int inintsocket(int port)
{
    int sock=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    if(sock<0)
    {
        perror("socket() error");
        return -1;
    }
    //设置端口复用
    int opt=1;
    unsigned int len=sizeof(opt);
    setsockopt(sock,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&opt,len);
    //绑定端口
    struct sockaddr_in serveraddr;
    serveraddr.sin_family=AF_INET;
    serveraddr.sin_port=htons(port);
    serveraddr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
    if(bind(sock,(struct sockaddr*)&serveraddr,sizeof(serveraddr))<0)
    {
        perror("bind() error");
        close(sock);
        return -1;
    }
    //监听
    if(listen(sock,5)<0)
    {
        perror("listen() error");
        close(sock);
        return -1;
    }
    return sock;
}

注意: 这里的头文件是博主自己封装的,大家可以使用’man+函数名的方式查看相关函数所需的头文件。

相关文章
|
Java Linux API
IO模型
BIO、NIO、AIO是Java中处理网络I/O的三种模型。BIO为阻塞式,每个连接需单独线程,高并发下性能受限;NIO通过非阻塞与多路复用提升并发能力,少量线程可处理大量请求;AIO进一步实现异步非阻塞,数据复制时线程可释放,由回调机制处理后续操作。三者适用于不同场景,BIO易用但低效,NIO高效但复杂,AIO理论性能更优但目前在Linux上仍依赖多路复用实现。Java 21引入虚拟线程后,BIO也可兼具高性能与易编写特性。
471 2
|
存储 网络协议 Linux
【Linux】进程IO|系统调用|open|write|文件描述符fd|封装|理解一切皆文件
本文详细介绍了Linux中的进程IO与系统调用,包括 `open`、`write`、`read`和 `close`函数及其用法,解释了文件描述符(fd)的概念,并深入探讨了Linux中的“一切皆文件”思想。这种设计极大地简化了系统编程,使得处理不同类型的IO设备变得更加一致和简单。通过本文的学习,您应该能够更好地理解和应用Linux中的进程IO操作,提高系统编程的效率和能力。
860 34
|
Linux C语言 网络架构
Linux的基础IO内容补充-FILE
而当我们将运行结果重定向到log.txt文件时,数据的刷新策略就变为了全缓冲,此时我们使用printf和fwrite函数打印的数据都打印到了C语言自带的缓冲区当中,之后当我们使用fork函数创建子进程时,由于进程间具有独立性,而之后当父进程或是子进程对要刷新缓冲区内容时,本质就是对父子进程共享的数据进行了修改,此时就需要对数据进行写时拷贝,至此缓冲区当中的数据就变成了两份,一份父进程的,一份子进程的,所以重定向到log.txt文件当中printf和fwrite函数打印的数据就有两份。此时我们就可以知道,
491 0
|
存储 Linux Shell
Linux的基础IO
那么,这里我们温习一下操作系统的概念我们在Linux平台下运行C代码时,C库函数就是对Linux系统调用接口进行的封装,在Windows平台下运行C代码时,C库函数就是对Windows系统调用接口进行的封装,这样做使得语言有了跨平台性,也方便进行二次开发。这就是因为在根本上操作系统确实像银行一样,并不完全信任用户程序,因为直接开放底层资源(如内存、磁盘、硬件访问权限)给用户程序会带来巨大的风险。所以就向银行一样他的服务是由工作人员隔着一层玻璃,然后对顾客进行服务的。
259 0
|
消息中间件 Linux C++
c++ linux通过实现独立进程之间的通信和传递字符串 demo
的进程间通信机制,适用于父子进程之间的数据传输。希望本文能帮助您更好地理解和应用Linux管道,提升开发效率。 在实际开发中,除了管道,还可以根据具体需求选择消息队列、共享内存、套接字等其他进程间通信方
515 16
|
Linux API C语言
Linux基础IO
Linux基础IO操作是系统管理和开发的基本技能。通过掌握文件描述符、重定向与管道、性能分析工具、文件系统操作以及网络IO命令等内容,可以更高效地进行系统操作和脚本编写。希望本文提供的知识和示例能帮助读者更深入地理解和运用Linux IO操作。
429 14
|
编译器 C++ 开发者
【C++篇】深度解析类与对象(下)
在上一篇博客中,我们学习了C++的基础类与对象概念,包括类的定义、对象的使用和构造函数的作用。在这一篇,我们将深入探讨C++类的一些重要特性,如构造函数的高级用法、类型转换、static成员、友元、内部类、匿名对象,以及对象拷贝优化等。这些内容可以帮助你更好地理解和应用面向对象编程的核心理念,提升代码的健壮性、灵活性和可维护性。
|
编译器 C++ 容器
【c++11】c++11新特性(上)(列表初始化、右值引用和移动语义、类的新默认成员函数、lambda表达式)
C++11为C++带来了革命性变化,引入了列表初始化、右值引用、移动语义、类的新默认成员函数和lambda表达式等特性。列表初始化统一了对象初始化方式,initializer_list简化了容器多元素初始化;右值引用和移动语义优化了资源管理,减少拷贝开销;类新增移动构造和移动赋值函数提升性能;lambda表达式提供匿名函数对象,增强代码简洁性和灵活性。这些特性共同推动了现代C++编程的发展,提升了开发效率与程序性能。
686 12
|
编译器 C语言 C++
类和对象的简述(c++篇)
类和对象的简述(c++篇)
|
设计模式 安全 C++
【C++进阶】特殊类设计 && 单例模式
通过对特殊类设计和单例模式的深入探讨,我们可以更好地设计和实现复杂的C++程序。特殊类设计提高了代码的安全性和可维护性,而单例模式则确保类的唯一实例性和全局访问性。理解并掌握这些高级设计技巧,对于提升C++编程水平至关重要。
377 16