【一文搞懂】FD_SET的使用

阅读大概需要十分钟，绝对干货，看完还没搞懂你找我。

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随便查一下，可以看到对FD_SET的说明如下：

一个long类型的数组，提供给select()机制使用的一种数据结构。主要功能是建立联系。其中每一个数组元素都能与任意一个打开的句柄（socket句柄、文件、命名管道、设备句柄等）建立联系。但是这种建立联系的工作是必须由程序员自己去完成的。

小白，比如像我这种就会纳闷，设置这种联系的目的是什么？

“可以理解为给打开的句柄添加了一种标识。(读 or 写 or 异常 )的标识。暂且你就只需要知道我们可以通过fd_set(小写)去判断socket的操作即可。

在这里，我们提出以下几个问题，从简单的到稍微复杂的依次如下：

1. fd_set是什么？
2. FD_SET、FD_ZERO、FD_ISSET、FD_CLR的作用都是什么？
3. 如何通过fd_set(结合select())判断句柄的状态？

本文就以上三个问题，回答和记录一下。实验环境（win10+vs2017+v141）

socket相关使用的文件头大致如下：

#include 
#include 
#include 
#pragma comment(lib, "iphlpapi.lib")
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")

1. fd_set是什么？

开篇我们就说了，fd_set是一个long类型的数组。我们可以认为这是一个很大的字节数组。

先来一小段代码理解一下fd_set这个数组。

代码1-1

int main()
{
	SOCKET socket = {0};	// 定义一个socket对象
	fd_set fdset = {0};		// 声明并定义，如果不赋初值，fd_set中存储的则是随机值

	FD_ZERO(&fdset);
	FD_SET(1, &fdset); // ’联系‘就是在这里产生的,以下4个操作会产生其他4个联系
	FD_SET(2, &fdset);
	FD_SET(3, &fdset);
	FD_SET(7, &fdset);
	FD_SET(socket, &fdset);

	int isset = FD_ISSET(socket, &fdset); // ’联系‘就是在这里产生的
	printf("isset = %d\n", isset); // isset = 1
	FD_CLR(socket, &fdset);
	isset = FD_ISSET(socket, &fdset); // isset = 0
	printf("isset = %d\n", isset);
	return 0;
}

调试截图如下：

可以看到，fd_set是一个长度为64的数组，由于代码进行了初始化，所以每一位都是0。在调用FD_SET的过程中，相当于vector.push_back的操作。

其中，到底有多少个set，则是通过fd_count来决定的。如上截图，虽然看似fd_array有效的值只有1、2、3、7，但实际上fd_count的值为5。这里不是没有绑定到scoket，而是因为socket被初始化为0了，所以实际上fdset变量保存的有效数组为[1,2,3,7,0]。

2. FD_SET、FD_ZERO、FD_ISSET、FD_CLR的作用都是什么？

首先我们得知道，提供的以上四个宏接口(注意是宏接口)的作用肯定是用来操作fd_set的。具体作用如下所示：

代码2-1

// 这里的fd 实际使用都是以 句柄 传入
FD_ZERO(fd_set *fdset);              // 将set清零使集合中不含任何fd
FD_SET(int fd, fd_set *fdset);       // 将fd加入set集合
FD_CLR(int fd, fd_set *fdset);       // 将fd从set集合中清除
FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset);     // 检测fd是否在set集合中，不在则返回0

正确的使用流程是：

调用FD_ZERO将一个 fd_set 变量的所有位设置为0。要开启描述符集中的一位，可以调用FD_SET。调用FD_CLR可以清除一位。最后，可以调用FD_ISSET测试描述符集中的一个指定位是否已打开。

还是结合1-1的代码：

1. FD_ZERO就是把当前fd_set所有位的数字都置为0。

2. FD_SET实现了句柄和fd_set的联系，可以把fd（代码2-1），也就是句柄加入到fd_set中。

3. FD_CLR清除所绑定的联系，注意注意：这里只清除你传进去的fd和fd_set之间的联系。需要注意的是，FD_CLR的操作类似于链表节点的删除（后续节点会填补被删除节点）。例如第一个问题中的代码；

   代码2-2

   	int isset = FD_ISSET(socket, &fdset); // 
   	printf("isset = %d\n", isset); // isset = 1
   	FD_CLR(socket, &fdset);
   	isset = FD_ISSET(socket, &fdset); // isset = 0
   	printf("isset = %d\n", isset);
   

   代码2-2第3行，只是清除了前文FD_SET(socket, &fdset);绑定的联系，但是不涉及1、2、3、7与fdset之间的联系。怎么判断这种联系？就是通过FD_ISSET

4. FD_ISSET宏接口。如上代码（代码2-2）所示。如果绑定的联系在则返回1，反之，则返回0。

   • 在调用FD_ISSET之后，isset的值为 1 【LINE 2】
   • 调用FD_CLR之后，isset的值变为 0 【LINE 5】

3. 如何通过fd_set(结合select())判断句柄的状态？

要了解如何判断，还是得先回到select()函数
搬书《UNIX 环境高级编程》一书中 I/O多路转接 章节讲解的很清楚

select()函数原型：

代码3-1

int select(	int maxfdpl, fd_set *restrict readfds,
 		fd_set *restrict writefds,fd_set *restrict exceptfds,
 		struct timeval *restrict typfr);
// 返回值∶准备就绪的描述符数目;若超时，返回0;若出错，返回-1

在所有POSIX 兼容的平台上，select 函数使我们可以执行I/O多路转接。传给 select 的参数告诉内核∶

• 我们所关心的描述符;

• 对于每个描述符我们所关心的条件（是否想从一个给定的描述符读，是否想写一个给定的描述符，是否关心一个给定描述符的异常条件）;

• 愿意等待多长时间（可以永远等待、等待一个固定的时间或者根本不等待）。

select 返回时，内核告诉我们∶

• 已准备好的描述符的总数量;

• 对于读、写或异常这3个条件中的每一个，哪些描述符已准备好。

使用这种返回信息，就可调用相应的 I/O函数（一般是 read 或 write），并且确知该函数不会阻塞。

• socket非阻塞
  如果要设置socket为非阻塞的状态，则需要调用ioctlsocket(m_Socket, FIONBIO, &ul);来设置。其中的ul是一个unsigned long类型的变量，在此函数接口中，ul == 1表示设置当前的m_Socket为非阻塞状态。

本文主要关注的是select()函数中间的三个参数readfds、writefds、exceptfds(第一个参数也很重要)。这三个参数是指向描述符集的指针，描述符集说明了我们关心的 可读、可写、异常 的结合。如下图所示：

1. select()的中间3个参数中的任意一个（或全部）可以是空指针，当你不需要进行操作判断读写异常的时候可以这么做。如果3个指针都是NULL，则select提供了比sleep更精确的定时器。（什么意思？sleep等待整数秒，而 select 的等待时间则可以小于1秒，其实际精度取决于系统时钟。）

2. select()的第一个参数maxfdp1的意思是“最大文件描述符编号加1”。还是得先明白一个概念，即fd_set的每一位只能使用一次，只能标志一种状态。为避免发生重复应用的情况,如下代码，就需要通过第一个参数去控制。也就是第一个参数maxfdp1。那么第一个参数值如何选取？

   • 设置为FD_SETSIZE。这是的一个常量，它指定最大描述符数（通常是1024）。但是一般情况下，该数过于大，一般的程序也就是3~10个描述符。所以一般情况下，选择手动指定。
   • 手动指定，如下代码就属于手动指定。在所有的描述符集中，选择我们关注的最大的描述符数即可。下边代码中，指定的最大描述符数是3，因此select函数的第一个参数为4(= 3+1)，即最大描述符编号值加1。

   代码3-2

    fd_set readset, writeset;
    FD_ZERO(&readset);
    FD_ZERO(&writeset);
    FD_SET(0, &readset);
    FD_SET(3, &readset);
    FD_SET(1, &writeset);
    FD_SET(2, &writeset);
    select(4, &readset, &writeset, NULL, NULL); // 该处的select就会返回-1

如代码3-2设置后的readset、writeset如下图所示：

select()有3个可能的返回值：

1. 返回值-1表示出错。这是可能发生的，例如，在所指定的描述符一个都没有准备好时捕捉到一个信号。在此种情况下，一个描述符集都不修改。代码3-2就会返回-1
2. 返回值0表示没有描述符准备好。若指定的描述符一个都没准备好，指定的时间就过了，那么就会发生这种情况。此时，所有描述符集都不修改。
3. 一个正返回值说明了已经准备好的描述符数。该值时3个描述符集中已经准备好的描述符之和，所以如果通过描述符已准备好读和写，那么在返回值中会对其计两次数。在这种情况下，3个描述符集中仍旧打开的位对应于已准备好的描述符。

对于“准备好”的含义要作一些更具体的说明。

• 若对读集（readfds）中的一个描述符进行的 read操作不会阻塞，则认为此描述符是准备好的。
• 若对写集（writefds）中的一个描述符进行的write 操作不会阻塞，则认为此描述符是准备好的。
• 若对异常条件集（exceptfds）中的一个描述符有一个未决异常条件，则认为此描述符是准备好的。现在，异常条件包括∶在网络连接上到达带外的数据，或者在处于数据包模式的伪终端上发生了某些条件。（Stevens【1990】的15.10 节中描述了后一种条件。）
• 对于读、写和异常条件，普通文件的文件描述符总是返回准备好。

一个描述符阻塞与否并不影响 select 是否阻塞，理解这一点很重要。也就是说，如果希望读个非阻塞描述符，并且以超时值为5秒调用 select，则 select 最多阻塞5s。相类似，如果指定一个无限的超时值，则在该描述符数据准备好，或捕捉到一个信号之前，select会一直阻塞。

如果在一个描述符上碰到了文件尾端，则select 会认为该描述符是可读的。然后调用 read，它返回0，这是 UNIX系统指示到达文件尾端的方法。（很多人错误地认为，当到达文件尾端时，select会指示一个异常条件。）

针对上述第3中情况，完整代码如下：

这里需要远端开一个服务，可以使用华为的IPOP工具。

代码3-3

#include 
#include 
#include 
#pragma comment(lib, "iphlpapi.lib")
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")
using namespace std;
int main()
{
    WSADATA wsa;
	WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsa);

	SOCKADDR_IN addrServer;
	SOCKET Socket = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
	fd_set readset, writeset;

	addrServer.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr("192.168.3.16");
	addrServer.sin_family = AF_INET;
	addrServer.sin_port = htons(6000);
    
	DWORD dwResult = connect(Socket, (SOCKADDR*)&addrServer, sizeof(SOCKADDR));
	FD_ZERO(&readset);
	FD_ZERO(&writeset);

	FD_SET(Socket, &readset);
	FD_SET(Socket, &writeset);

	/*
	int isset = FD_ISSET(Socket, &readset); // isset = 0
	printf("isset = %d\n", isset);
	isset = FD_ISSET(Socket, &writeset); // isset = 0
	printf("isset = %d\n", isset);
	*/

	int nRet = select(0, &readset, &writeset, NULL, NULL);
	cout << "The Ret of Select is " << nRet << endl;

	return 0;
}

输出：

The Ret of Select is 1

那么全篇都在说的 读、写、异常 是怎么判断的呢？

答案是FD_ISSET。

1. 在使用前我们通过FD_SET去建立这种读写异常的联系

2. select()的时候会修改fd_set的值，而这个修改完之后的值就是我们可以拿去判断的东西。如代码代码3-3，我们可以在select之后增加判断条件

   if (!FD_ISSET(m_Socket, &readset))
   {
       cout << "sock not in readset!" << endl;
   }
   if (FD_ISSET(m_Socket, &writeset))
   {
       cout << "sock not in writeset!" << endl;
   }
   if (FD_ISSET(m_Socket, &exceptset))
   {
       cout << "getsockopt fail!" << endl;
   }
   

   这个时候就可以判断句柄的操作了。

废话不多说，直接上现场：

因为没有发生读操作，所以只标志了写的操作。

补充：

参考资料：

1. 《unix高级环境编程》
2. win32官方文档

以上就是关于fd_set的详细说明。

为避免误人子弟，如有误，还望评论或私信指正。✌✌✌