C++网络编程select函数原理详解

一.select功能的引出

1. 文件描述符lfd和cfd

1.1 lfd是服务器端调用socket()函数创建的

sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);

上面的sock会传入listen函数的第一个参数，使得sock成为了监听套接字lfd——所以也相当于是listen的作用使得服务器套接字成为了监听套接字，之前没有指定具体功能。

int listen(int sock, int backlog);//成功时返回0，失败返回-1

第一个参数就是lfd，即监听套接字；backlog 是连接等待队列请求的长度，若为5，则表示最多5个连接请求进入队列——p65-66

即有5个客户端等着连接，服务器会按顺序一个一个处理连接

1.2 客户端请求连接的函数是connect()

int connect(int sock, struct sockaddr* servaddr, socklen_t addrlen);//成功时返回0，失败返回-1
//sock,是客户端程序socket()函数创建的套接字，传入这里
//servaddr是保存目标服务器端地址信息的结构体变量的地址serv_addr
//addrlen是sizeof(servaddr),即指针变量长度

这里创建的并不是cfd，因为cfd和lfd是针对服务器说的。客户端那边就一种文件描述符，服务器端有两种，所以加以区分

**1.3 ** 服务器接收客户端的请求，需要调用accept()

这个**accept()返回cfd**，即负责与客户端进行I/O的套接字文件描述符

int accept(int sock, struct sockaddr* addr, socklen_t* addrlen);//成功时返回cfd，失败返回-1
//第一个参数传入lfd
//第二个参数指向保存了发起连接请求的客户端地址信息

第一个参数要把lfd传进去

总的来说，lfd就是服务器端用于监听有没有客户端连接的套接字，或者说监听有没有来自客户端的connect()；

而cfd就是负责连接客户端，看看有没有来自客户端的read() / write()这种I/O请求

只有先lfd监听到客户端的连接请求，然后答应连接accept()，才会创建出cfd

要补充一下文件描述符表：

文件描述符的前三个：0, 1, 2分别被定死为 标准输入、标准输出、标准错误，所以其它文件描述符都是从3开始编号的，每个进程会有一个1024长的文件描述符表

一个进程能够同时打开多个文件，对应需要多个文件描述符，所以需要用一个文件描述符表对文件描述符进行管理；通常默认大小为1024，也即能容纳1024个文件描述符；

2. 没有I/O多路复用时的服务器

多进程也好，多进程也好，在基于TCP/IP的服务器-客户端模型中，服务器总是在用listen()监听有没有要连接的客户端，或者调用了accept()函数并一直在阻塞，直到客户端有连接请求connect()。

用前面的lfd和cfd来简述的话： 服务器用一个lfd去监听客户端，有连接的话，对请求队列里的客户端依次答应连接请求，并创建cfd，来一个客户端就创建一个cfd，然后cfd和客户端进行I/O,而lfd继续去监听。——所以TCP/IP那本书把lfd比喻做门卫

存在的问题：

任何事件都要服务器自己做：监听客户端，数据处理。

然后能不能让**内核**也帮着处理一些事情

3. select的引出

IO多路复用也叫 IO多路转接

select之于服务器server，相当于秘书之于老板，select是由内核提供的。之前没有select时，server要一直accept()阻塞，等待有客户端的连接。

有了select之后，相当于给各个客户端留电话，谁有事就给秘书打电话，然后秘书告诉老板去调用accept()，创建cfd，和客户端建立连接。

select自己不会创建出cfd，与客户端连接。

所以select做的就是监听，lfd。其实请求连接本质是一个读事件，只是读到的数据是连接请求

服务器不再像以前那样一直accept()阻塞，在等着有客户端连接而是让select监听到有连接请求事件之后再调用accept()。

在多进程或多线程中，相当于开辟多个进程，每个都在那accept()，一个进程对应一个客户端，客户端有事就连接上了，客户端一直没事那该进程调用的accept()就一直在那阻塞，如下图左，有了IO多路复用，就可以一个进程连接多个客户端，如下右：

补充

服务器的服务相当于有三种：

阻塞：像前面说的调用了accept()一直在阻塞，有了连接请求就连上，结束阻塞，没有就一直阻塞

非阻塞忙轮询：不阻塞，一直去问有没有需要连接的，有就调用accept()，没有就一直问

响应式：别人有连接我再调用accept()——就是多路IO复用或者说多路IO转接

二. select函数参数和功能分析

#include
#include
int select(int maxfd, fd_set* readset, fd_set* writeset, fd_set* exceptset, const struct timeval* timeout);//成功返回大于0的数，失败返回-1；这个大于0的数是发生事件的文件描述符数，返回0就是没有哪个文件描述符有事件
//maxfd，文件描述符数量，是最大文件描述符的值+1

前面说了，一个进程里文件描述符表是1024大的，而0, 1，2这几个文件描述符被标准输入、标准输出、标准错误占用了，比如我有三个客户端，首先服务器的lfd得占用3，客户端的三个cfd1, cfd2, cfd3则依次是 4， 5， 6，即最大文件描述符是6，那文件描述符的数量就是6 + 1 == 7

因为是文件描述符是从0开始的。

//fd_set是一个集合，fd_set的size值在linux下一般被定义为1024，意思是select管理的文件描述符数量不能大于1024，继而文件描述符取值为0~1023

//readset、 writeset、exceptset分别对应文件描述符的三种事件，分别是读事件，写事件，异常事件
//timeout是设置的超时时间，防止陷入无限阻塞

我们传入时，假如文件描述符3，5和 6 之前经常发生读事件，那我们把他们放入read_set里，监听他们的读（因为它们实际上并不是都会发生读事件）

同理，监听文件描述符6的写事件，放进write_set，监听文件描述符7的异常事件。

他们每个集合，或者说fd_set，先暂且理解为就是一个数组，数组下标就是文件描述符0,1,2,3,4，…，如果要监听3和5的读事件，那就把下标为3，5和6处的值改为1，其余为0，然后作为readset传入select()函数第二个参数，同理，写事件，异常事件，也是这样：————位运算0和1

select()返回结果是这三个集合发生事件的总数，如下，文件描述符5和6发生了读事件，4发生了写事件，异常事件没有发生（即使我们监听了7，但它这回没发生异常）：

这种情况，三个集合传入select后，返回整型 3（因为就3个文件描述符发生了事件）
显然，select()函数肯定会对我们传入的那几个集合进行修改，比如，我们传入的readset中，下标3，5和6对应的数是1，那fd3没发生，就将其改为0.
下面是fd2没发生，调用select()函数后将fd2所在数值改为0：

补充，如果我们只监听读事件，那除了readset，那另外两个参数我们传入空指针NULL即可，或者0

综上，select的使用流程如下：

即先将三种监视对应的fd_set写好，然后确定maxfd，然后设置timeout。
补充下第四个参数struct timeval* timeout计时的结构体：

实际上timeout的参数设置有三种情况：

1.传NULL，就是阻塞状态，一直等下去（不限时嘛）

2.设置一个大于0的时间timeval，就是等待固定时间

3.设置timeval为0，就是非阻塞，检查描述符集合后立刻返回，轮询。——即调用一下select，就去看看有没有事件，没有事件就返回，返回后过会又调用select，又去看有没有事件

三. select函数的相关函数来操作fd_set

fd_set这一集合并不是数组，而是位图（bitmap），这是一种数据结构。在网络编程中，对于位图的操作都会有相应的接口函数。因为他不像数组那样好操作。

如前所述，设置相应的fd_set是使用select的第一步。

在fd_set中更改值的操作由下列**宏**完成：

FD_ZERO(fd_set* fdset);//将fd_set变量的所有位初始化为0————zero
FD_SET(int fd, fd_set* fdset);//将待监听的文件描述符添加到监听集合中，其实就是将fd的值改为1————也就是所谓的注册文件描述符fd的信息
FD_CLR(int fd, fd_set* fdset);//清除文件描述符fd的信息，就是将1改为0————clear
FD_ISSET(int fd, fd_set* fdset);//判断一个文件描述符fd是否在监听集合fdset中，在则返回1，不在则返回0————is set

使用示例如下，首先我们要定义一个fd_set类型的变量set（它可以是readset，writeset、exceptset），将它的地址传入那些宏，所以注意取地址符

如果我们要监听fd1、fd2、fd4、fd5等四个文件描述符，那就需要调用四次FD_SET(),第一个参数就是对应的1, 2，4，5，会将这些位置的值改为1，这就是所谓的**注册**文件描述符的信息

FD_CLR本意就是clear，将fd的值清0，使用场景：比如我们监听文件描述符fd1，2，4，5，后来fd4断开连接了，我们读fd4发来的数据返回Null，就知道它断开连接了，那就需要把fd4从原来的监听集合中移除

FD_ISSET使用：FD_ISSET(4, &set);判断文件描述符fd4是否在监听集合set中,本意就是is set。——可以用来验证select函数的调用结果