IO多路转接之select

IO多路转接之select

1. 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；

2. select函数原型

#include 
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

2.1 参数解释

1. nfds：输入型参数，是需要监视的最大的文件描述符值 + 1；

2. rdset，wrset，exset，timeout：输入输出型参数

   rdset：需要检测的可读文件描述符的集合，wrset：可写文件描述符的集合，exset：异常文件描述符的集合;

   timeout：timeval结构体，用来设置select()的等待时间，共有三个可以被设置的选项：

   • NULL：阻塞等待，直到某个文件描述符上发生了事件；

   • 0：非阻塞等待，然后立即返回。

   • 具体的时间：指定的时间段里阻塞等待，如果等待成功返回剩余时间，否则将超时返回。

3. 函数返回值：

   n > 0 ：n个文件描述符就绪；

   n == 0：超时返回

   n < 0 ：等待失败

2.2 fd_set结构

其实这个结构就是一个“位图”。使用位图中对应的位来表示要监视的文件描述符。完成用户和内核之间的信息的互相传递。

这里提供了一组操作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

2.3 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。

/* A time value that is accurate to the nearest
   microsecond but also has a range of years.  */
struct timeval
  {
    __time_t tv_sec;		/* Seconds.  */
    __suseconds_t tv_usec;	/* Microseconds.  */
  };

2.4 函数返回值

1. 执行成功则返回文件描述词状态已改变的个数，
2. 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
3. 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

3. 理解select执行过程

理解select模型的关键在于理解fd_set，取fd_set长度为1字节，fd_set中的每一bit位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个bit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, NULL, NULL, NULL) 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。

4. socket就绪条件

4.1 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；

4.2 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；

5. select的特点

1. 可监控的文件描述符个数取决与sizeof(fd_set)的值。我的服务器上sizeof(fd_set)＝128，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128*8=1024。

2. 将fd加入select监控集的同时，还要再使用一个数据结构fdarray[]保存放到select监控集中的fd

   • 一是用于再select 返回后，fdarray[]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fdarray[]取得fd逐一加入（FD_ZERO最先），扫描fdarray[]的同时取得fd最大值maxfd，用于select的第一个参数。

6. select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也非常不便。
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。