[Linux]--底层文件 I/O 操作之多路复用

此系列笔记参考华清远见《嵌入式 Linux 应用程序开发标准教程》

　　前面的 fcntl()函数解决了文件的共享问题，接下来该处理 I/O 复用的情况了。

I/O 处理的模型有 5 种。

阻塞 I/O 模型 ：在这种模型下，若所调用的 I/O 函数没有完成相关的功能，则会使进程挂起，直

到相关数据到达才会返回。对管道设备、终端设备和网络设备进行读写时经常会出现这种情况。

非阻塞模型：在这种模型下，当请求的 I/O 操作不能完成时，则不让进程睡眠，而且立即返回。

非阻塞 I/O 使用户可以调用不会阻塞的 I/O 操作，如 open()、write()和 read()。如果该操作不能完

成，则会立即返回出错（例如：打不开文件）或者返回 0（例如：在缓冲区中没有数据可以读取

或者没有空间可以写入数据） 。

I/O 多路转接模型：在这种模型下，如果请求的 I/O 操作阻塞，且它不是真正阻塞 I/O，而是让其中

的一个函数等待，在这期间，I/O 还能进行其他操作。本节要介绍的 select()和 poll 函数()就是属

于这种模型。

信号驱动 I/O 模型： 在这种模型下， 通过安装一个信号处理程序， 系统可以自动捕获特定信号的到来，

从而启动 I/O。这是由内核通知用户何时可以启动一个 I/O 操作决定的。

异步 I/O 模型：在这种模型下，当一个描述符已准备好，可以启动 I/O 时，进程会通知内核。现

在，并不是所有的系统都支持这种模型。

　　select()和 poll()的 I/O 多路转接模型是处理 I/O 复用的一个高效的方法。它可以具体设置程序中每一个所关心的文件描述符的条件、希望等待的时间等，从 select()和 poll()函数返回时，内核会通知用户已准备好的文件描述符的数量、已准备好的条件等。通过使用 select()和 poll()函数的返回结果，就可以调用相应的 I/O 处理函数。

一般来说，在使用 select()函数之前，首先使用 FD_ZERO()和 FD_SET()来初始化文件描述符集，在使用了select()函数时，可循环使用 FD_ISSET()来测试描述符集，在执行完对相关文件描述符的操作之后，使用FD_CLR()来清除描述符集。

本实例中主要实现通过调用 select()函数来监听 3 个终端的输入 （分别重定向到两个管道文件的虚拟终端以及主程序所运行的虚拟终端） ，并分别进行相应的处理。在这里我们建立了一个 select()函数监视的读文件描述符集，其中包含 3 个文件描述符，分别为一个标准输入文件描述符和两个管道文件描述符。通过监视

主程序的虚拟终端标准输入来实现程序的控制（例如：程序结束） ；以两个管道作为数据输入，主程序将

从两个管道读取的输入字符串写入到标准输出文件（屏幕）。

/* multiplex_select */
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
#include <errno.h>
#define MAX_BUFFER_SIZE 1024 /* 缓冲区大小*/
#define IN_FILES 3 /* 多路复用输入文件数目*/
#define TIME_DELAY 60 /* 超时值秒数 */
#define MAX(a, b) ((a > b)?(a):(b))
int main(void)
{
int fds[IN_FILES];
char buf[MAX_BUFFER_SIZE];
int i, res, real_read, maxfd;
struct timeval tv;
fd_set inset,tmp_inset;

/*首先以只读非阻塞方式打开两个管道文件*/
fds[0] = 0;
if((fds[1] = open ("in1", O_RDONLY|O_NONBLOCK)) < 0)
{
printf("Open in1 error\n");
return 1;
}
if((fds[2] = open ("in2", O_RDONLY|O_NONBLOCK)) < 0)
{
printf("Open in2 error\n");
return 1;
}

/*取出两个文件描述符中的较大者*/
maxfd = MAX(MAX(fds[0], fds[1]), fds[2]);

/*初始化读集合 inset，并在读集合中加入相应的描述集*/
FD_ZERO(&inset);
for (i = 0; i < IN_FILES; i++)
{
FD_SET(fds[i], &inset);
}
FD_SET(0, &inset);
tv.tv_sec = TIME_DELAY;
tv.tv_usec = 0;

/*循环测试该文件描述符是否准备就绪，并调用 select 函数对相关文件描述符做对应操作*/
while(FD_ISSET(fds[0],&inset) || FD_ISSET(fds[1],&inset) || FD_ISSET(fds[2], &inset))
{
/* 文件描述符集合的备份， 这样可以避免每次进行初始化 */
tmp_inset = inset;
res = select(maxfd + 1, &tmp_inset, NULL, NULL, &tv);
switch(res)
{
case -1:
{
printf("Select error\n");
return 1;
}break;
case 0: /* Timeout */
{
printf("Time out\n");
return 1;
}break;
default:
{
for (i = 0; i < IN_FILES; i++)
{
if (FD_ISSET(fds[i], &tmp_inset))
{
memset(buf, 0, MAX_BUFFER_SIZE);
real_read = read(fds[i], buf, MAX_BUFFER_SIZE);
if (real_read < 0)
{
if (errno != EAGAIN)
{
return 1;
}
}else if (!real_read)
{
close(fds[i]);
FD_CLR(fds[i], &inset);
}else
{
if (i == 0)
{
/* 主程序终端控制 */
if ((buf[0] == 'q') || (buf[0] == 'Q'))
{
return 1;
}
}else
{/* 显示管道输入字符串 */
buf[real_read] = '\0';
printf("%s", buf);
}
}
} /* end of if */
} /* end of for */
}break;
} /* end of switch */
} /*end of while */
return 0;
}

上面的程序运行结果如下所示



下面的实例用 poll()函数实现同样功能的代码。

/* multiplex_poll.c */
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <time.h>
#include <errno.h>
#include <poll.h>

#define MAX_BUFFER_SIZE 1024 /* 缓冲区大小*/
#define IN_FILES 3 /* 多路复用输入文件数目*/
#define TIME_DELAY 60 /* 超时时间秒数 */
#define MAX(a, b) ((a > b)?(a):(b))

int main(void)
{
struct pollfd fds[IN_FILES];
char buf[MAX_BUFFER_SIZE];
int i, res, real_read, maxfd;

/*首先按一定的权限打开两个源文件*/
fds[0].fd = 0;
if((fds[1].fd = open ("in1", O_RDONLY|O_NONBLOCK)) < 0)
{
printf("Open in1 error\n");
return 1;
}
if((fds[2].fd = open ("in2", O_RDONLY|O_NONBLOCK)) < 0)
{
printf("Open in2 error\n");
return 1;
}
/*取出两个文件描述符中的较大者*/
for (i = 0; i < IN_FILES; i++)
{
fds[i].events = POLLIN;
}
/*循环测试该文件描述符是否准备就绪，并调用 select 函数对相关文件描述符做对应操作*/
while(fds[0].events || fds[1].events || fds[2].events)
{
if (poll(fds, IN_FILES, 0) < 0)
{
printf("Poll error\n");
return 1;
}
for (i = 0; i< IN_FILES; i++)
{
if (fds[i].revents)
{
memset(buf, 0, MAX_BUFFER_SIZE);
real_read = read(fds[i].fd, buf, MAX_BUFFER_SIZE);
if (real_read < 0)
{
if (errno != EAGAIN)
{
return 1;
}
}
else if (!real_read)
{
close(fds[i].fd);
fds[i].events = 0;
}else
{
if (i == 0)
{
if ((buf[0] == 'q') || (buf[0] == 'Q'))
{
return 1;
}
}else
{
buf[real_read] = '\0';
printf("%s", buf);
}
} /* end of if real_read*/
} /* end of if revents */
} /* end of for */
} /*end of while */
exit(0);
}