文件描述符

简介

文件描述符：File Descriptor，简称FD，当应用程序请求内核打开/新建一个文件时，内核会返回一个文件描述符用于对应这个打开/新建的文件。FD本质上就是一个非负整数的索引值。

每一个进程只能看到自己的文件描述符，每个进程的文件描述符的编号都是从0开始，进程启动，默认都会打开标准输入(fd=0)，标准输出(fd=1)，标准错误这三个文件(fd=2)，之后再打开的文件的描述符从编号3开始

最大个数限制

按照对于文件描述符概念的理解，其最大个数限制应该取决于系统资源的使用情况。但是内核通常会有系统级限制，对单个进程打开最大文件数做限制（通常是1024，可以通过 ulimit -n 命令查看）

在使用完文件描述符之后需要将其释放（close函数）给操作系统，否则文件描述符将一直存在。

操作函数

sizeof(struct fd_set) = 1024	// 按bit操作

// 初始化函数，初始化一个set集合，将set 1024个标志位置0
void FD_ZERO(fd_set *set);
// 将文件描述符fd对应的标志位在set集合中清空（=0）
void FD_CLR(int fd, fd_set *set);
// 将文件描述符fd对应的标志位在set集合中置位（=1）
void FD_SET(int fd, fd_set *set);
// 判断set集合中fd对应的标志位是否置位（==1？）
int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set);

网络文件描述符

在网络编程中，对于服务器端有两类文件描述符：监听文件描述符（Listen FD） 通信文件描述符（Communication FD）,而对于每一种文件描述符又对应两个读写缓冲区：Read Buffer、Write Buffer

	Listen FD	Communication FD
作用	监听客户端的连接请求，检测到之后调用 accept 就可以建立新的连接	负责和建立连接的客户端数据通信
个数	1个	取决于与服务器建立连接的客户端（N个）
流程	调用accept函数，监听FD的读缓冲区是否有数据。 - 有数据说明客户端有请求，接触阻塞，建立连接 - 没有数据，阻塞，继续监听	1. 发送数据（write / send）将数据写入对应的文件描述符对应的写缓冲区，内核检测到写缓冲区有数据，将数据发送到客户端 2. 接收数据（read / recv）始终监听对应的文件描述符的读缓冲区，当检测到有数据，读出！

IO多路复用方法对比

	select	poll	epoll
底层原理	线性表（轮询）	线性表（轮询）	红黑树（事件通知触发）
效率	较低	较低	最高
连接上限	1024	取决于系统	取决于系统
平台限制	跨平台（linux / window / mac…）	linux	linux

select函数

#include <sys/select.h>

/* According to earlier standards */
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

// The time structures involved are defined in <sys/time.h>
//  struct timeval {
//       long    tv_sec;         /* seconds */
//       long    tv_usec;        /* microseconds */
//  };

参数

nfds（指示内核需要检测最大文件描述符个数+1）

select默认最大检测个数是1024，这是由于内核进程最大可以维护1024个文件描述符（可以修改）。但是指定第一个参数select函数在遍历文件描述符的时候不用全部遍历，只需要遍历nfds个即可。在windows中，这个参数是无效的，指定-1即可
readfds（读缓冲区的文件描述符的个数）

只检测这个文件描述符的读缓冲区是否可读
writefds（写缓冲区的文件描述符的个数）

只检测这个文件描述符的读缓冲区是否可写
exceptfds（需要异常检测文件描述符的个数）
timeout（超时时长）

该函数本身是阻塞的，当加入timeout参数之后即使没有可读、可写、异常的文件描述符，达到timeout时长函数也将解除阻塞返回。当被设置为NULL，将阻塞直至检测到文件描述符状态改变

返回值

readfds、writefds、execptfds是传入传出参数。传入fd_set类型指针，最终可读、可写、异常的文件描述符同样写回用户传入的指针指向的空间内（一定小于等于传入文件描述符的个数）

大于0：表示三个集合中总共被置位的位数之和
等于0：timeout=0 && 三个集合没有被检测到
小于0：select出错，根据errno判断出错原因

流程

初始化read、write、except三个文件描述符集合（FD_ZERO）
将文件描述符设置到select函数中，交付内核检测
内核首先一份需要检测的文件描述符，在检测对应的读写缓冲区
当检测到可读/可写将文件描述符对应的标志位写回fd_set对应的文件描述符集合中
用户处理

poll函数

#include <poll.h>
int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);

 struct pollfd {
     int   fd;         /* file descriptor */
     short events;     /* requested events */ (传入)要监视的事件（输入事件、输出事件、错误事件等）
     short revents;    /* returned events */  (传出)实际发生的事件（由系统填充）
 };

参数

struct pollfd fds
- fd：被检测的文件描述符
- events：委托给内核检测的事件
- revents：实际发生的事件，内核的返回值
nfds：fds数组中的结构体数量。
- POLLIN：表示有数据可读（输入事件）。
- POLLOUT：表示可以写数据（输出事件）。
- POLLERR：表示发生错误。
- POLLHUP：表示发生挂起事件。
- POLLNVAL：表示文件描述符无效。
timeout：：指定超时时间（ms）
- -1：永久阻塞，直到有事件发生。
- 0：立即返回，无论是否有事件发生。
- 大于0：表示超时时间，poll函数会等待指定的毫秒数，如果超过该时间还没有事件发生，则返回。

epoll

流程

创建epoll实例（epoll_create）
注册文件描述符和事件（epoll_ctl）
等待事件发生（epoll_wait）
处理事件（自定义）

相关函数及结构体

epoll_create
1
2
3
#include <sys/epoll.h>

int epoll_create(int size);
- 作用：创建一个epoll实例，也就是一颗红黑树
- 参数size：Linux 2.6.8之后这个参数被忽略，大于0即可。之前的版本该参数指定了红黑树节点个数
- 返回值：一个epoll实例
epoll_ctl
1
2
3
#include <sys/epoll.h>

int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
- 作用：将要监视的文件描述符和关注的事件注册到epoll实例中
- 参数：
  - epfd：epoll实例，即通过epoll_create创建出来的返回值
  - op：操作类型，可以是EPOLL_CTL_ADD（添加文件描述符）、EPOLL_CTL_MOD（修改文件描述符）或EPOLL_CTL_DEL（删除文件描述符）
  - fd：要操作的文件描述符
  - event：指定关注的事件类型（见下文）
epoll_wait
1
2
3
#include <sys/epoll.h>

int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);
- 作用：等待事件的发生，该函数会阻塞程序执行，直到有事件发生或超时。
- 参数
  - epfd：epoll_create实例的文件描述符
  - events：：指向struct epoll_event结构体数组的指针，用于存储事件的结果（传出参数）
  - maxevents：events数组的大小，表示最大可以存储多少个事件。
  - timeout：等待超时时间（ms）。传入-1表示永久等待，传入0表示立即返回，传入正整数表示等待指定的毫秒数。

struct epoll_event

struct epoll_event {
    uint32_t events;  	// 事件类型
    epoll_data_t data;  // 用户自定义数据
};

typedef union epoll_data {
    void        *ptr;
   	int          fd;
 	uint32_t     u32;
 	uint64_t     u64;
} epoll_data_t;

参数
- events：事件类型，EPOLLIN / EPOLLOUT / EPOLLRDHUP / EPOLLPRI / EPOLLERR
- data：用户自定义数据（联合体结构，只能使用一个，通常使用fd）。这个参数必须是用户来指定，最终返回的时候，可以根据传入参数判断文件描述符的index或者其它数据类型

yangLieee

IO多路复用