多路复用输入/输出 ---- select

Posted 2020-07-16

一、select

    系统提供select函数来实现多路复用输入/输出模型。select系统调用是用来让我们的程序监视多个文件句柄的状态变化的。程序会停在select这里阻塞等待，直到被监视的文件句柄有一个或多个发生了状态改变。

    文件句柄，其实就是一个整数，我们最熟悉的句柄是0、1、2三个，0：标准输入，1：标准输出，2：标准错误输出。0、1、2是整数表示的，对应的FILE *结构：stdin、stdout、stderr。

二、select 相关

1、select函数  //一次可等待多个描述符

#include <sys/select.h>

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,

             fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout); 

（1）参数：

// nfds: 需要监视的最大的文件描述符值 +1；

// readfds: 需要检测的可读文件描述符的集合；

// wtitefds: 需要检测的可写文件描述符的集合；

// exceptfds: 需要检测的异常文件描述符的集合；

// timeout ：结构timeval，用来设置select()的等待时间；

      //timeout：

           NULL：select() 没有timeout，select将一直被阻塞，直到某个文件描述符上发生了事件。

           0 ：仅检测描述符集合的状态，然后立即返回，并不等待外部事件的发生。

           特定的时间值：如果在指定的时间段里没有事件发生，select将超时返回。

（2) 返回值：

       执行成功则返回文件描述词状态已改变的个数.

       如果返回0代表在描述词状态改变前已超过timeout时间，没有返回；

       当有错误发生时则返回-1，错误原因存于errno，此时参数readfds，writefds，exceptfds和timeout的值变成不可预测。

（3）select“参数-值”传递的方式。同时，select 文件描述符有限定。

    select返回后，需要FD_ISSET轮询来获取就绪的描述符。

    select需要在返回后，通过遍历文件描述符来获取已经就绪的socket。

2、其他函数

  void FD_CLR(int fd, fd_set *set);//清除描述词组set中相关fd 的位

  int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set);//测试描述词组set中相关fd 的位是否为真

  void FD_SET(int fd, fd_set *set);//设置描述词组set中相关fd的位

  void FD_ZERO(fd_set *set);//清除描述词组set的全部位

#include <aio.h>

int aio_read(struct aiocb *aiocbp);        Link with -lrt.

3、相关结构体

struct timeval 
{      long    tv_sec;         /* seconds */  
       long    tv_usec;        /* microseconds */
};
and
struct timespec 
{      long    tv_sec;         /* seconds */ 
       long    tv_nsec;        /* nanoseconds */
};

三、select模型

1、 select模型的关键在于理解 fd_set,为说明方便，取fd_set长度为1字节，fd_set中的每 1 bit可以对应一个文件描述符fd。则1字节长的fd_set最大可以对应 8个fd。

（1）执行fd_set set; FD_ZERO(&set);则set用位表示是0000,0000。

（2）若fd＝5,执行FD_SET(fd,&set);后set变为0001,0000(第5位置为1)

（3）若再加入fd＝2，fd=1,则set变为0001,0011

（4）执行select(6,&set,0,0,0)阻塞等待

（5）若fd=1,fd=2上都发生可读事件，则select返回，此时set变为0000,0011。注意：没有事件发生的fd=5被清空。

2、特点：

　　（1)可监控的文件描述符个数取决与sizeof(fd_set)的值。若服务器上sizeof(fd_set)＝512，每bit表示一个文件描述符，则服务器上支持的最大文件描述符是512*8=4096。虽然可调，但调整上限受于编译内核时的变量值。

　　（2）将fd加入select监控集的同时，还要再使用一个数据结构array保存放到select监控集中的fd，一是用于再select返回后，array作为源数据和fd_set进行FD_ISSET判断。二是select返回后会把以前加入的但并无事件发生的fd清空，则每次开始 select前都要 重新从array取得fd逐一加入（FD_ZERO最先），扫描array的同时取得fd最大值maxfd，用于select的第一个 参数。

　　（3）可见select模型必须在select前循环array（加fd，取maxfd），select返回后循环array

（FD_ISSET判断是否有时间发生）。

四、select 服务器实例：

#include <stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<netinet/in.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
#include<sys/select.h>

#define _BACKLOG_ 5
int fds[64];
void usage(const char *proc)
{
	printf("%s:[ip][port]\n",proc);
}
static int startup(const char *ip,const int port)
{
	int sock=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);//创建套接字
	if(sock < 0)
	{
		perror("socket");
		exit(1);
	}
	struct sockaddr_in local; //填充本地信息
	local.sin_family=AF_INET;
	local.sin_port=htons(port);
	local.sin_addr.s_addr=inet_addr(ip);
	
	if(bind(sock,(struct sockaddr*)&local,sizeof(local)) < 0) //绑定
	{
		perror("bind");
		exit(2);
	}	
	if(listen(sock,_BACKLOG_) < 0) //监听
	{
		perror("listen");		
		exit(3);
	}
	return sock; //返回套接字
}

int main(int argc,char *argv[])
{
	if(argc != 3)
	{
		usage(argv[0]);
		return 1;
	}
	char *ip=argv[1];
	int port=atoi(argv[2]);
	int listen_sock=startup(ip,port); 

	struct sockaddr_in client;  //创建结构体sockaddr_in client
	socklen_t len=sizeof(client);//取其长度
	client.sin_family=AF_INET;
	client.sin_port=htons(port);
	client.sin_addr.s_addr=inet_addr(ip);

	int done=0;
	int new_sock=-1;
	int max_fd; //
	fd_set _reads;//可读文件描述符
	fd_set _writes;	//可写文件描述符
	int i=0;
	int fds_num=sizeof(fds)/sizeof(fds[0]); //文件描述符的最大长度
	for(;i<fds_num;++i) //对fds[]进行初始化
	{
		fds[i]=-1;
	}
	fds[0]=listen_sock;//先将listen_sock 填入 fds[]
	new_sock=fds[0]; //将fds[0]信息置于new_sock

	while(!done)
	{
		FD_ZERO(&_reads); //对可读描述符进行清零设置
		FD_ZERO(&_writes); 
		FD_SET(listen_sock,&_reads); //设置listen_sock 可读
		struct timeval _timeout={5,0}; //设置 超时时间

		for(i=1;i<fds_num;++i) //将fds[]信息保存至 max_fd[]
		{
			if(fds[i] > 0)
			{
				FD_SET(fds[i],&_reads); 
				FD_SET(fds[i],&_writes);
				if(fds[i] > max_fd)
				{
					max_fd=fds[i];
				}
			}
		}
		switch(select(max_fd+1,&_reads,&_writes,NULL,&timeout)) //select阻塞等待
		{
		case -1://error
			perror("select");
			break;
		case 0://timeout
			printf("select timeout...\n");
			break;
		default:
			{
				i=0;
				for(;i<fds_num;++i)
				{
					//listen socket ready
					if(fds[i] == listen_sock && FD_ISSET(fds[i],&_reads))
					{
						new_sock=accept(listen_sock,(struct sockaddr*)&client,&len);
						if(new_sock < 0)
						{
							perror("accept");
							continue;
						}
						printf("get a new connet...%d\n",new_sock);
						for(i=0;i<fds_num;++i)
						{
							if(fds[i] == -1)
							{
								fds[i] = new_sock;
								break;
							}
						}
						if(i == fds_num)
						{
							close(new_sock);
						}
					}
					else if(fds[i] > 0 && FD_ISSET(fds[i],&_reads) && FD_ISSET(fds[i],&writes)) //listen socket
					{
						char buf[1024];
						ssize_t _size=read(fds[i],buf,sizeof(buf)-1);
						if(_size > 0)//read success
						{
							buf[_size]=‘\0‘;
							printf("Client: %s\n",buf);
						}
						else if(_size == 0)//client close
						{
							printf("client close...\n");
							close(fds[i]);
							fds[i]=-1;
							break;
						}
						else
						{
							perror("read");
						}
						if(FD_ISSET(fds[i],&_writes))
						{
							_size=write(fds[i],buf,strlen(buf));
							if(_size < 0)
							{
								perror("write");
							}
						}
						else
						{
							printf("can‘t write back...\n");
						}
					}
					else
					{}
				}
			}
			break;
		}
	}
	return 0;
}

总结:

    每次调用select，都需要把fd集合从用户态拷贝到内核态,同时每次调用select都需要在内核遍历传递进来的所有fd,导致fd 的开销太大。

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