Linux多路I/O基础
非阻塞I/O是linux系统中非常重要的概念和技术，本文将从用户空间到内核空间，对非阻塞I/O进行梳理。
一、多路I/O之用户空间
我们在开发应用程序时，经常会有这样的需要：同时对多个文件进行I/O操作。实现这种需要的常见技术就是多路I/O（multiplexed I/O）。多路I/O可以允许一个应用程序同时阻塞在多个文件描述符（File Descriptor）上。当其中任何一个文件描述符可以进行非阻塞I/O时，应用程序会收到一个唤醒通知，然后进行有效的I/O操作。
多路I/O是应用程序的信息枢纽，使用多路I/O技术的应用程序主要工作流程可归纳为以下几步：
(1)、应用程序将要查询的文件描述符传递给内核，当其中任何文件可以进行I/O操作时，内核将通知应用程序：已经就绪。
(2)、如果所有文件都没有做好I/O的准备，那么应用程序对应的进程将会休眠。
(3)、有文件做好I/O准备，进程被唤醒。
(4)、对所有已经做好I/O准备的文件，执行无阻塞I/O。
(5)、回到第(1)步。
下图是使用多路I/O技术的应用的工作流程。
图1
Linux系统为用户空间的应用程序提供了比较完善的多路I/O接口，其中主要的有两种：select和poll。两个接口调用都可以让应用程序实现多路I/O的作用，前者select源自于BSD，而poll源自于system V。
1、select
下面对select的主要用法进行说明。
使用select函数需要包含glibc的头文件：#include <sys/select.h>。这个头文件是标准C库提供的，对于嵌入式系统而言，可以在交叉编译工具
链相关的目录中找到，它的实现则可以在glibc的源代码中看到。对于X86的PC机而言，一般可以在/usr/include目录下面找到这个头文件。
select.h文件中定义了select库函数的原型、相关数据结构和一组有用的宏。
select函数的原型如下：
int select ( int n,
fd_set *readfds,
fd_set *writefds,
fd_set *exceptfds,
);
fd_set实际上是一个long int的整数，用其中的各个位来表示文件描述符。
应用程序首先需要定义最多三个fd_set，用于保存要监听的文件描述符的集合。例如，下面的语句定义了一个readfds，可以用于保存所有要进行读I/O的文件描述符。
fd_set readfds;
配套的有几个宏定义。FD_SET， FD_CLR， FD_ISSET， FD_ZERO。
FD_ZERO的作用是将定义的fd_set变量各个位全部清零。例如对上面定义的readfds，可以使用宏FD_ZERO进行清零。
FD_ZERO(&readfds);
如果要往readfds中添加一个要监听的文件描述符fd，可以将这个文件的句柄传递给宏FD_SET。
FD_SET(fd, &readfds);
如果要判断一个fd_set变量中是否已经包含指定的文件描述符fd。
FD_ISSET(fd, &readfds);
应用程序需要将被监听的文件分成三组并定义相应的fd_set： readfds, writefds, exceptfds，并用上述的宏将文件描述符写入对应的fd_set变量。
最后将这些fd_set变量的指针传递给select函数。
回过头来，参数里面的三个fd_set指针，分别对就到三类文件。
fd_set *readfds ---- 这个是对应将要发起读I/O操作的文件描述符
fd_set *writefds ---- 这个是对应将要发起写I/O操作的文件描述符
fd_set *exceptfds ---- 这个是对应发生异常的文件描述符
这三个参数既是输入性质，又是输出性质，如果指定的文件描述符可进行相应的I/O操作，会在select返回时，透过fd_set指针将fd_set变量的相应bit置位，应用程序再使用宏FD_ISSET就可判断这个文件是否可进行I/O操作。
再说第一个参数n，这个参数有点奇怪。在所有要监听的文件描述符中，选择一个最大的，然后加一，作为参数n传入给select函数。
最后一个参数 timeout。当所有指定的文件描述符I/O都不可用时，进程会休眠，timeout用于指定出现这种情况时，休眠的最长时间。
select函数的返回值是int类型的。 当返回值大于0时，返回值表示当前可进行I/O操作的文件描述符的个数。如果是因为超时而返回的，那么返回值可能是0。当返回值为-1时，表示出错。如果select出错，那么errno全局变量会被修改，可通过查看errno的值来确定错误的类型。
select函数还有一个变种: pselect，功能与select相同，用法大同小异，在此不再赘述。
2、poll
select是使用三个基于位掩码的fd_set来处理文件描述符，当要监听的文件描述符数值很大时，select的效率会比较低。poll是system V引入的，与select相比，poll使用的是poll_fd类型的数组来组织要监听的文件描述符。
#include <poll.h>
int poll (struct poll_fd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
poll_fd是一个结构体，用于描述一个要监听的文件的信息。
struct pollfd{
int fd; // 这个是要监听的文件描述符
short events; //这个是请求的I/O操作类型
short revents; //这个是返回的当前可进行的I/O操作类型
}
events和revents是通过对代表各种I/O操作的位掩码与行或运算而构成的。events包含要监听的事件，poll用当前可用的事件来填充revents。
这些掩码及含义如下：
掩码 | 含义 |
POLLIN | 有数据可读 |
POLLRDNORM | 有普通数据可读 |
POLLRDBAND | 优先级带数据可读 |
POLLPRI | 高优先级数据可读 |
POLLOUT | 可以非阻塞地写数据 |
POLLWRNORM | 可以非阻塞地写普通数据 |
POLLWRBAND | 可以非阻塞地写优先级带数据 |
POLLERR | 发生错误 |
POLLHUP | 发生挂起 |
POLLNVAL | 描述字不是一个打开的文件 |
poll函数的第二个参数nfds表示要监听的文件描述符的个数。
如果指定的文件描述符中，有能以非阻塞方式进行I/O的，poll函数会在与之对应的revents中作标记。如果所有的文件描述符都不能以非阻塞的方式进行I/O，那么当前进程会休眠，这个休眠的时间，通过poll函数的第三个参数timeout指定。timeout的单位是毫秒。当timeout的值为0时，表示不休眠立即返回，当timeout的值为-1时，表示永远等待直到有某个文件描述符可进行I/O。当休眠timeout的时间过后，poll会再次检查是否有可以进行的非阻塞I/O，如果有，则填入revents中，如果仍然没有，则返回0。
poll函数的返回值：
当返回值大于0时，表示当前能以非阻塞方式进行I/O的文件描述符的个数。
当返回值等于0时，表示返回的原因是超时，也就是说当前没有任何文件描述符能以非阻塞的方式进行I/O。
当返回值小于0时，表示此次poll调用出错，错误原因会更新到errno全局变量中。
二、多路I/O之内核空间
select和poll是标准的C库函数，它是把linux系统调用封装后提供给应用程序使用的。select和poll对应的系统调用在内核的fs/select.c文件中实现。
在select.c文件中，通过宏SYSCALL_DEFINE X 定义了select和poll两个系统调用。这两个系统调用的执行流程大致相同，在这里，以poll为例进行说明。
图2
上图是poll从系统调用的定义到驱动中的主要调用流程。应用程序调用poll函数后，会调用到内核空间的do_sys_poll函数，do_sys_poll会调用do_poll函数，在do_poll函数中，有一个大的死循环。每次循环，都会对所有传入的fd（用户空间需要监听的文件描述符）调用do_pollfd函数。
也就是扫描每个fd，对它调用do_pollfd。do_pollfd函数会调用给定文件的字符驱动的poll函数，我们知道，在驱动的poll函数中，主要工作有两个，
一个是调用poll_wait，把当前进程添加到等待对列中，另一个就是检查当前是否有可以立即进行的I/O，并将检查结果返回。所有驱动的poll函数本身是
不会睡眠的。
当do_poll完成对所有fd的“扫描-轮询”后，会记录当前可以立即进行I/O的文件的个数count，如果count不为0，也就是至少存在一个文件可以马上进行I/O，那么do_poll将跳出死循环，直接返回，然后一路返回到应用程序。反之，将当前进程在wait上睡眠timeout指定的时间。那么进程退出睡眠就有两种情况，一种是超时（仍然没有文件可进行I/O），另一种是在睡眠的过程中，有I/O事件可用，进程被唤醒。两种情况下进程被唤醒后，都将进入do_poll的下一轮死循环。如果是超时，在下一轮循环中，将直接退出循环体；如果是因为有I/O事件可用，在下一轮循环中，调用do_pollfd就可以查询到可以进行I/O的fd，也会跳出列循环。
图3
综上所述：
1、poll系统调用在内核中，会对所以指定的文件描述符进行扫描，查询是否有可用的I/O，如果有则返回相应的I/O事件和文件描述符个数；如果没有，则将当前进程睡眠，如果进程睡眠的过程中被到达的I/O事件唤醒，那么将可用的I/O事件和文件描述符个数返回。如果设置的超时到达时，仍然没有可用的文件可以马上进行I/O，则返回0。---- 这部分是linux的poll机制，不需要修改。
2、对驱动编写者而言，如果要支持poll轮询机制，需要实现字符驱动的poll回调函数，在这个函数中主要工作有两个：调用poll_wait将当前进程添加到等待队列中；检查并返回当前可用的I/O情况。
3、select系统调用的机制与poll类似，最终也会调用到文件驱动的poll函数。所以当前仅当文件驱动实现了poll回调函数时，才支持select和poll机制。
