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多路复用
1．函数说明
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。
总的来说，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。如常见对管道设备、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I/O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（如打不开文件）或者返回0（如在缓冲区中没有数据可以读取或者没空间可以写入数据）。
● 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，在此期间，I/O还能进行其他操作。如本小节要介绍的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，进程要定义一个信号处理程序，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。
它是非阻塞的。当有就绪的数据时，内核就向该进程发送SIGIO信号。 无论我们如何处理SIGIO信号，这种模型的好处是当等待数据到达时，可以不阻塞。主程序继续执行，只有收到SIGIO信号时才去处理数据即可。
● 异步I/O模型：在这种模型下，进程先让内核启动I/O操作，并在整个操作完成后通知该进程。这种模型与信号驱动模型的主要区别在于：信号驱动I/O是由内核通知我们何时可以启动一个I/O操作，而异步I/O模型是由内核通知进程I/O操作何时完成的。现在，并不是所有的系统都支持这种模型。
可以看到，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（或事件）等。通过使用select()和poll()函数的返回结果（可能是检测到某个文件描述符的注册事件或是超时，或是调用出错），就可以调用相应的I/O处理函数了。
2．函数格式
select()函数的语法要点如表2.8所示。
表2.8 select()函数语法要点
| 所需头文件 |
#include <sys/types.h>
#include <sys/time.h>
#include <unistd.h>
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| 函数原型 |
int select(int numfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds，
fd_set *exeptfds, struct timeval *timeout)
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| 函数传入值 |
numfds：该参数值为需要监视的文件描述符的大值加1 |
| readfds：由select()监视的读文件描述符集合 |
| writefds：由select()监视的写文件描述符集合 |
| exeptfds：由select()监视的异常处理文件描述符集合 |
| timeout |
NULL：永远等待，直到捕捉到信号或文件描述符已准备好为止 |
| 具体值：struct timeval类型的指针，若等待了timeout时间还没有检测到任何文件描符准备好，就立即返回 |
| 0：从不等待，测试所有指定的描述符并立即返回 |
| 函数返回值 |
成功：准备好的文件描述符
0：超时； 1：出错
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可以看到，select()函数根据希望进行的文件操作对文件描述符进行了分类处理，这里对文件描述符的处理主要涉及4个宏函数，如表2.9所示。
表2.9 select()文件描述符处理函数
| FD_ZERO(fd_set *set) |
清除一个文件描述符集 |
| FD_SET(int fd, fd_set *set) |
将一个文件描述符加入文件描述符集中 |
| FD_CLR(int fd, fd_set *set) |
将一个文件描述符从文件描述符集中清除 |
| FD_ISSET(int fd, fd_set *set) |
如果文件描述符fd为fd_set集中的一个元素，则返回非零值，可以用于调用select()后测试文件描述符集中的哪个文件描述符是否有变化 |
一般来说，在每次使用select()函数之前，首先使用FD_ZERO()和FD_SET()来初始化文件描述符集（在需要重复调用select()函数时，先把一次初始化好的文件描述符集备份下来，每次读取它即可）。在select()函数返回后，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后，使用FD_CLR()来清除描述符集。
另外，select()函数中的timeout是一个struct timeval类型的指针，该结构体如下所示：
struct timeval
{
long tv_sec; /* 秒 */
long tv_unsec; /* 微秒 */
}
可以看到，这个时间结构体的精确度可以设置到微秒级，这对于大多数的应用而言已经足够了。
poll()函数的语法要点如表2.10所示。
表2.10 poll()函数语法要点
| 所需头文件 |
#include <sys/types.h>
#include <poll.h>
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| 函数原型 |
int poll(struct pollfd *fds, int numfds, int timeout) |
| 函数传入值 |
fds：struct pollfd结构的指针，用于描述需要对哪些文件的哪种类型的操作进行监控
struct pollfd
{
int fd; /* 需要监听的文件描述符 */
short events; /* 需要监听的事件 */
short revents; /* 已发生的事件 */
}
events成员描述需要监听哪些类型的事件，可以用以下几种标志来描述。
POLLIN：文件中有数据可读，下面实例中使用到了这个标志
POLLPRI:：文件中有紧急数据可读
POLLOUT：可以向文件写入数据
POLLERR：文件中出现错误，只限于输出
POLLHUP：与文件的连接被断开，只限于输出
POLLNVAL：文件描述符是不合法的，即它并没有指向一个成功打开的文件
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| numfds：需要监听的文件个数，即第一个参数所指向的数组中的元素数目 |
| timeout：表示poll阻塞的超时时间（毫秒）。如果该值小于等于0，则表示无限等待 |
| 函数返回值 |
成功：返回大于0的值，表示事件发生的pollfd结构的个数
0：超时； 1：出错
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3．使用实例
当使用select()函数时，存在一系列的问题，例如，内核必须检查多余的文件描述符，每次调用select()之后必须重置被监听的文件描述符集，而且可监听的文件个数受限制（使用FD_SETSIZE宏来表示fd_set结构能够容纳的文件描述符的大数目）等。实际上，poll机制与select机制相比效率更高，使用范围更广。下面以poll()函数为例实现某种功能。
本实例中主要实现通过调用poll()函数来监听三个终端的输入（分别重定向到两个管道文件的虚拟终端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poll()函数监视的读文件描述符集，其中包含三个文件描述符，分别为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（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）。
为了充分表现poll()函数的功能，在运行主程序时，需要打开3个虚拟终端：首先用mknod命令创建两个管道in1和in2。接下来，在两个虚拟终端上分别运行cat>in1和cat>in2。同时在第三个虚拟终端上运行主程序。
在程序运行后，如果在两个管道终端上输入字符串，则可以观察到同样的内容将在主程序的虚拟终端上逐行显示。
如果想结束主程序，只要在主程序的虚拟终端下输入以“q”或“Q”字符开头的字符串即可。如果三个文件一直在无输入状态中，则主程序一直处于阻塞状态。为了防止无限期的阻塞，在程序中设置超时值（本实例中设置为60s），当无输入状态持续到超时值时，主程序主动结束运行并退出。该程序的流程图如图2.3所示。
图2.3 多路复用实例流程图
/* 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 60000 /* 超时时间秒数：60s */
#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;
}
/* 循环测试是否存在正在监听的文件描述符 */
while(fds[0].events || fds[1].events || fds[2].events)
{
if (poll(fds, IN_FILES, 0) < 0)
{
printf("Poll error or Time out\n");
return 1;
}
for (i = 0; i< IN_FILES; i++)
{
if (fds[i].revents) /* 判断在哪个文件上发生了事件 */
{
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; /* 系统错误，结束运行 */
}
}
else if (!real_read)
{
close(fds[i].fd);
fds[i].events = 0; /* 取消对该文件的监听 */
}
else
{
if (i == 0) /* 如果在标准输入上有数据输入时 */
{
if ((buf[0] == 'q') || (buf[0] == 'Q'))
{
return 1; /* 输入“q”或“Q”则会退出 */
}
}
else
{ /* 将读取的数据先传送到终端上 */
buf[real_read] = '\0';
printf("%s", buf);
}
} /* end of if real_read*/
} /* end of if revents */
} /* end of for */
} /*end of while */
exit(0);
}
读者可以将以上程序交叉编译，并下载到开发板上运行，以下是运行结果：
$ mknod in1 p
$ mknod in2 p
$ cat > in1 /* 在第一个虚拟终端 */
SELECT CALL
TEST PROGRAMME
END
$ cat > in2 /* 在第二个虚拟终端 */
select call
test programme
end
$ ./multiplex_select /* 在第三个虚拟终端 */
SELECT CALL /* 管道1的输入数据 */
select call /* 管道2的输入数据 */
TEST PROGRAMME /* 管道1的输入数据 */
test programme /* 管道2的输入数据 */
END /* 管道1的输入数据 */
end /* 管道2的输入数据 */
q /* 在第三个终端上输入“q”或“Q”则立刻结束程序运行 */
程序的超时结束结果如下：
$ ./multiplex_select
…（在60s之内没有任何监听文件的输入）
Poll error or Time out
本文选自华清远见嵌入式培训教材《从实践中学嵌入式Linux应用程序开发》
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