I/O多路转接之select
初识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描述符的状态变化的 ;
* 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;
select函数原型
select 的函数原型如下 : #include
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout); 参数解释 :
参数 nfds 是需要监视的最大的文件描述符值 +1 ；
rdset,wrset,exset 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;
参数 timeout 为结构 timeval ，用来设置 select() 的等待时间
参数 timeout 取值 :
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 ;
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。
关于 fd_set 结构
其实这个结构就是一个整数数组, 更严格的说, 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
提供了一组操作fd_set的接口, 来比较方便的操作位图
void FD_CLR(int fd, fd_set *set); // 用来清除描述词组set中相关fd 的位
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set); // 用来测试描述词组set中相关fd 的位是否为真
void FD_SET(int fd, fd_set *set); // 用来设置描述词组set中相关fd的位
void FD_ZERO(fd_set *set); // 用来清除描述词组set的全部位 关于 timeval 结构
timeval 结构用于描述一段时间长度，如果在这个时间内，需要监视的描述符没有事件发生则函数返回，返回值为0。
函数返回值：
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
错误值可能为:
EBADF 文件描述词为无效的或该文件已关闭
EINTR 此调用被信号所中断
EINVAL 参数n 为负值。
ENOMEM 核心内存不足
常见的程序片段如下 :
fs_set readset；
FD_SET(fd,&readset);
select(fd+1,&readset,NULL,NULL,NULL);
if(FD_ISSET(fd,readset)){……}理解select执行过程
理解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 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
socket 就绪条件
读就绪
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;
socket TCP 通信中 , 对端关闭连接 , 此时对该 socket 读 , 则返回 0;
监听的socket 上有新的连接请求 ;
socket 上有未处理的错误 ;
写就绪
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;
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;
socket 使用非阻塞 connect 连接成功或失败之后 ;
socket 上有未读取的错误 ;
select 的特点
可监控的文件描述符个数取决与 sizeof(fd_set) 的值 . 我这边服务器上 sizeof(fd_set) ＝ 512 ，每 bit 表示一个文件 描述符，则我服务器上支持的最大文件描述符是512*8=4096. 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。
备注 : fd_set 的大小可以调整，可能涉及到重新编译内核
select 缺点
每次调用 select, 都需要手动设置 fd 集合 , 从接口使用角度来说也非常不便 .
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
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
select 支持的文件描述符数量太小
select 使用示例 : 检测标准输入输出
只检测标准输入
#include
#include
#include
int main() {
fd_set read_fds;
FD_ZERO(&read_fds);
FD_SET(0, &read_fds);
for (;;) {
printf("> ");
fflush(stdout);
int ret = select(1, &read_fds, NULL, NULL, NULL);
if (ret < 0) {
perror("select");
continue;
}
if (FD_ISSET(0, &read_fds)) {
char buf[1024] = {0};
read(0, buf, sizeof(buf) - 1);
printf("input: %s", buf);
} else {
printf("error! invaild fd\n");
continue;
}
FD_ZERO(&read_fds);
FD_SET(0, &read_fds);
}
return 0;
} 当只检测文件描述符 0 （标准输入）时，因为输入条件只有在你有输入信息的时候，才成立，所以如果 一直不输入，就会产生超时信息
select 使用示例
使用 select 实现字典服务器
tcp_socket.hpp
#pragma once
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
typedef struct sockaddr sockaddr;
typedef struct sockaddr_in sockaddr_in;
#define CHECK_RET(exp) \
if (!(exp)) \
{ \
return false; \
} \
class TcpSocket
{
public:
TcpSocket() : fd_(-1) {}
TcpSocket(int fd) : fd_(fd) {}
bool Socket()
{
fd_ = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (fd_ < 0)
{
perror("socket");
return false;
}
printf("open fd = %d\n", fd_);
return true;
}
bool Close() const
{
close(fd_);
printf("close fd = %d\n", fd_);
return true;
}
bool Bind(const std::string &ip, uint16_t port) const
{
sockaddr_in addr;
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
addr.sin_port = htons(port);
int ret = bind(fd_, (sockaddr *)&addr, sizeof(addr));
if (ret < 0)
{
perror("bind");
return false;
}
return true;
}
bool Listen(int num) const
{
int ret = listen(fd_, num);
if (ret < 0)
{
perror("listen");
return false;
}
return true;
}
bool Accept(TcpSocket *peer, std::string *ip = NULL, uint16_t *port = NULL) const
{
sockaddr_in peer_addr;
socklen_t len = sizeof(peer_addr);
int new_sock = accept(fd_, (sockaddr *)&peer_addr, &len);
if (new_sock < 0)
{
perror("accept");
return false;
}
printf("accept fd = %d\n", new_sock);
peer->fd_ = new_sock;
if (ip != NULL)
{
*ip = inet_ntoa(peer_addr.sin_addr);
}
if (port != NULL)
{
*port = ntohs(peer_addr.sin_port);
}
return true;
}
bool Recv(std::string *buf) const
{
buf->clear();
char tmp[1024 * 10] = {0};
// [注意!] 这里的读并不算很严谨, 因为一次 recv 并不能保证把所有的数据都全部读完
// 参考 man 手册 MSG_WAITALL 节.
ssize_t read_size = recv(fd_, tmp, sizeof(tmp), 0);
if (read_size < 0)
{
perror("recv");
return false;
}
if (read_size == 0)
{
return false;
}
buf->assign(tmp, read_size);
return true;
}
bool Send(const std::string &buf) const
{
ssize_t write_size = send(fd_, buf.data(), buf.size(), 0);
if (write_size < 0)
{
perror("send");
return false;
}
return true;
}
bool Connect(const std::string &ip, uint16_t port) const
{
sockaddr_in addr;
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip.c_str());
addr.sin_port = htons(port);
int ret = connect(fd_, (sockaddr *)&addr, sizeof(addr));
if (ret < 0)
{
perror("connect");
return false;
}
return true;
}
int GetFd() const
{
return fd_;
}
private:
int fd_;
}
; tcp_select_server.hpp
#pragma once
#include
#include
#include
#include
#include "tcp_socket.hpp"
// 必要的调试函数
inline void PrintFdSet(fd_set *fds, int max_fd)
{
printf("select fds: ");
for (int i = 0; i < max_fd + 1; ++i)
{
if (!FD_ISSET(i, fds))
{
continue;
}
printf("%d ", i);
}
printf("\n");
}
typedef std::function Handler;
// 把 Select 封装成一个类. 这个类虽然保存很多 TcpSocket 对象指针, 但是不管理内存
class Selector
{
public:
Selector()
{
// [注意!] 初始化千万别忘了!!
max_fd_ = 0;
FD_ZERO(&read_fds_);
}
bool Add(const TcpSocket &sock)
{
int fd = sock.GetFd();
printf("[Selector::Add] %d\n", fd);
if (fd_map_.find(fd) != fd_map_.end())
{
printf("Add failed! fd has in Selector!\n");
return false;
}
fd_map_[fd] = sock;
FD_SET(fd, &read_fds_);
if (fd > max_fd_)
{
max_fd_ = fd;
}
return true;
}
bool Del(const TcpSocket &sock)
{
int fd = sock.GetFd();
printf("[Selector::Del] %d\n", fd);
if (fd_map_.find(fd) == fd_map_.end())
{
printf("Del failed! fd has not in Selector!\n");
return false;
}
fd_map_.erase(fd);
FD_CLR(fd, &read_fds_);
// 重新找到最大的文件描述符, 从右往左找比较快
for (int i = max_fd_; i >= 0; --i)
{
if (!FD_ISSET(i, &read_fds_))
{
continue;
}
max_fd_ = i;
break;
}
return true;
}
// 返回读就绪的文件描述符集
bool Wait(std::vector *output)
{
output->clear();
// [注意] 此处必须要创建一个临时变量, 否则原来的结果会被覆盖掉
fd_set tmp = read_fds_;
// DEBUG
PrintFdSet(&tmp, max_fd_);
int nfds = select(max_fd_ + 1, &tmp, NULL, NULL, NULL);
if (nfds < 0)
{
perror("select");
return false;
}
// [注意!] 此处的循环条件必须是 i < max_fd_ + 1
for (int i = 0; i < max_fd_ + 1; ++i)
{
if (!FD_ISSET(i, &tmp))
{
continue;
}
output->push_back(fd_map_[i]);
}
return true;
}
private:
fd_set read_fds_;
int max_fd_;
// 文件描述符和 socket 对象的映射关系
std::unordered_map fd_map_;
};
class TcpSelectServer
{
public:
TcpSelectServer(const std::string &ip, uint16_t port) : ip_(ip), port_(port)
{
}
bool Start(Handler handler) const
{
// 1. 创建 socket
TcpSocket listen_sock;
bool ret = listen_sock.Socket();
if (!ret)
{
return false;
}
// 2. 绑定端口号
ret = listen_sock.Bind(ip_, port_);
if (!ret)
{
return false;
}
// 3. 进行监听
ret = listen_sock.Listen(5);
if (!ret)
{
return false;
}
// 4. 创建 Selector 对象
Selector selector;
selector.Add(listen_sock);
// 5. 进入事件循环
for (;;)
{
std::vector output;
bool ret = selector.Wait(&output);
if (!ret)
{
continue;
}
// 6. 根据就绪的文件描述符的差别, 决定后续的处理逻辑
for (size_t i = 0; i < output.size(); ++i)
{
if (output[i].GetFd() == listen_sock.GetFd())
{
// 如果就绪的文件描述符是 listen_sock, 就执行 accept, 并加入到 select 中
TcpSocket new_sock;
listen_sock.Accept(&new_sock, NULL, NULL);
selector.Add(new_sock);
}
else
{
// 如果就绪的文件描述符是 new_sock, 就进行一次请求的处理
std::string req, resp;
bool ret = output[i].Recv(&req);
if (!ret)
{
selector.Del(output[i]);
// [注意!] 需要关闭 socket
output[i].Close();
continue;
}
// 调用业务函数计算响应
handler(req, &resp);
// 将结果写回到客户端
output[i].Send(resp);
}
} // end for
} // end for (;;)
return true;
}
private:
std::string ip_;
uint16_t port_;
}; server.cc
#include
#include "tcp_select_server.hpp"
std::unordered_map g_dict;
void Translate(const std::string &req, std::string *resp)
{
auto it = g_dict.find(req);
if (it == g_dict.end())
{
*resp = "未找到";
return;
}
*resp = it->second;
return;
}
int main(int argc, char *argv[])
{
if (argc != 3)
{
printf("Usage ./dict_server [ip] [port]\n");
return 1;
}
// 1. 初始化词典
g_dict.insert(std::make_pair("hello", "你好"));
g_dict.insert(std::make_pair("world", "世界"));
g_dict.insert(std::make_pair("bit", "贼NB"));
// 2. 启动服务器
TcpSelectServer server(argv[1], atoi(argv[2]));
server.Start(Translate);
return 0;
}