IO多路转接之Select详解及实现select网络服务器

select

在五种IO模型中我们认识了select，用于实现多路复用输入/输出模型。
回忆一下其作用：
1. select系统调用是用来让我们的程序监视多个文件描述符的状态变化的;
2. 程序会停在select这里等待，直到被监视的文件描述符有一个或多个发生了状态改变。

函数原型

参数解释：

1. 参数nfds是需要监视的最大的文件描述符值+1；
2. readfds,writefds,exceptfds分别对应于需要检测的可读文件描述符的集合，可写文件描述符的集合及异常文件描述符的集合;
3. 参数timeout为结构timeval，用来设置select()的等待时间

参数timeout取值：

1. NULL：则表示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;
2. 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。
3. 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.

fd_set结构
注意到select函数中参数类型出现了fd_set结构，其实它是一个”位图”，使用位图中对应的位来表示要监视的文件描述符。
它的大小由系统决定，是有上限的，所以表示的文件描述符也是有上限的。
系统中提供了一组操作fd_set的接口, 来比较方便的操作位图：

函数	作用
FD_CLR	用来清除描述词组set中相关fd的位
FD_ISSET	用来测试描述词组set中相关fd的位是否为真
FD_SET	用来设置描述词组set中相关fd的位
FD_ZERO	用来清除描述词组set的全部位

函数返回值：

特定的数：执行成功则返回文件描述词状态已改变的个数
0：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
-1：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。

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举例select执行过程

上文提到过fd_set为位图，用来监视文件描述符集。要理解select模型，我们首先要理解fd_set。
比如：fd_set长度为1字节，fd_set中的每一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fdset set; FDZERO(&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。且fd_set的大小由系统决定，是有上限的，所以表示的文件描述符也是有上限的

socket就绪条件

从select函数原型我们可知，select监视读、写、或者异常条件就绪。
那么在什么情况下，满足就绪条件呢？

读就绪：

1. socket内核中，接收缓冲区中的字节数，大于等于低水位标记SO_RCVLOWAT. 此时可以无阻塞的读该文件描述符, 并且返回值大于0;
2. socket TCP通信中, 对端关闭连接, 此时对该socket读, 则返回0;
3. 监听的socket上有新的连接请求;
4. socket上有未处理的错误;

写就绪：

1. socket内核中, 发送缓冲区中的可用字节数(发送缓冲区的空闲位置大小), 大于等于低水位标记 SO_SNDLOWAT, 此时可以无阻塞的写, 并且返回值大于0;
2. socket的写操作被关闭(close或者shutdown).对一个写操作被关闭的socket进行写操作, 会触发 SIGPIPE信号;
3. socket使用非阻塞connect连接成功或失败之后;
4. socket上有未读取的错误

异常就绪

socket上收到带外数据. 关于带外数据, 和TCP紧急模式相关。

select的特点

1. 可监控的文件描述符个数取决与sizeof(fdset) 的值 ，是有上限的，每bit表示一个文件描述符
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，其作用为：
   
   1. 用于在select 返回后，array作为源数据和fdset 进行FDISSET判断，是否已经就绪。
   2. 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加入都fd_set(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。

select的优缺点

优点

比较与多线程和多进程，效率较高。

缺点

1. 每次调用select, 都需要手动设置fd集合, 从接口使用角度来说非常不便.
2. 每次调用select，都需要把fd集合从用户态拷贝到内核态，这个开销在fd很多时会很大
3. 同时每次调用select都需要在内核遍历传递进来的所有fd，这个开销在fd很多时也很大
4. select支持的文件描述符数量太小
   

   ---

使用select编写网络服务器

我们在代码里只是为了演示select的用法，假设数据可以一次从客户端取完，不用考虑数据粘包等问题，代码如下：

 1 #include
  2 #include
  3 #include
  4 #include
  5 #include
  6 #include
  7 #include
  8 #include
  9 #define MAX_FDS sizeof(fd_set)*8
 10 #define INIT_DATA -1
 11 
 12 static void initArray(int arr[],int num){
 13     int i=0;
 14     for(;i15         arr[i]=INIT_DATA;
 16     }
 17 }
 18 
 19 static int addSockToArray(int arr[],int num,int fd){
 20     int i=0;
 21     for(;i22         if(arr[i]<0){
 23             arr[i]=fd;
 24             return i;
 25         }
 26     }
 27     return -1;  //full
 28 }
 29 
 30 int setArrayToFdSet(int arr[],int num,fd_set *rfds){
 31     int i=0;
 32     int max_fd=INIT_DATA;
 33     for(;i34         if(arr[i]>=0){
 35             FD_SET(arr[i],rfds);
 36 
 37             if(max_fd38                 max_fd=arr[i];
 39             }
 40         }
 41     }
 42     return max_fd;
 43 }
 44 
 45 
 46 static void serviceIO(int arr[],int num,fd_set *rfds){
 47     int i=0;
 48     for(;i49         if(arr[i]>INIT_DATA){
 50             int fd=arr[i];
 51             if(i==0&&FD_ISSET(arr[i],rfds)){
 52                 //listen ready
 53                 struct sockaddr_in client;
 54                 socklen_t len=sizeof(client);
 55                 int sock=accept(fd,(struct sockaddr*)&client,&len);
 56                 if(sock<0){
 57                     perror("accept");
 58                     continue;
 59                 }
 60                 printf("get a new client [%s:%d]\n",inet_ntoa(client.sin_addr),ntohs(client.sin_port)    );
 61                 //addArray
 62                 if(addSockToArray(arr,num,sock)==-1)
 63                 {
 64                     close(sock);
 65                 }
 66 
 67             }
 68             else if(i!=0&&FD_ISSET(arr[i],rfds)){
 69                 //normal fd ready
 70                 char buf[1024];
 71                 ssize_t s=read(fd,buf,sizeof(buf)-1);
 72                 if(s>0){
 73                     buf[s]=0;
 74                     printf("client:> %s\n",buf);
 75                 }
 76                 else if(s==0){
 77                     close(fd);
 78                     arr[i]=INIT_DATA;
 79                     printf("client quit!\n");
 80                 }
 81                 else{
 82                     perror("read\n");
 83                     close(fd);
 84                     arr[i]=INIT_DATA;
 85                 }
 86             }
 87             else{
 88                 //do nothing
 89             }
 90         }
 91     }
 92 }
 93 
 94 
 95 int startup(int port){
 96     int sock=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
 97     if(sock<0){
 98         perror("sock");
 99         exit(2);
100     }
101 
102     int opt=1;
103     setsockopt(sock,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&opt,sizeof(opt));
104 
105     struct sockaddr_in local;
106     local.sin_family=AF_INET;
107     local.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
108     local.sin_port=htons(port);
109 
110     if(bind(sock,(struct sockaddr*)&local,sizeof(local))<0){
111         perror("bind");
112         exit(3);
113     }
114     if(listen(sock,5)<0){
115         perror("listen");
116         exit(4);
117     }
118     return sock;
119 }
120 // ./select_server port
121 int main(int argc,char *argv[]){
122     if(argc!=2){
123         printf("Usage:%s [port]\n",argv[0]);
124         return 1;
125     }
126 
127     int listen_sock=startup(atoi(argv[1]));
128 
129     fd_set rfds;
130     int fd_array[MAX_FDS];
131     initArray(fd_array,MAX_FDS);
132     addSockToArray(fd_array,MAX_FDS,listen_sock);
133     for(;;){
134         FD_ZERO(&rfds);
135 
136         int max_fd=setArrayToFdSet(fd_array,MAX_FDS,&rfds);
137 
138         struct timeval timeout={3,0};
139         switch(select(max_fd+1,&rfds,NULL,NULL,NULL)){
140             case -1:
141                 perror("select\n");
142                 break;
143             case 0:
144                 printf("timeout...\n");
145                 break;
146             default:
147                 serviceIO(fd_array,MAX_FDS,&rfds);
148                 break;
149         }
150     }
151 }

---

测试：
用远程登录工具telnet测试，需要安装：
yum install telnet-server
yum install telnet
service xinetd restart
如下图：