C 迷你系列（六）select 与 stdio 混用所带来的问题

引言

在 《UNIX 网络编程》一书 135 页的末尾提到关于 select 与 stdio 相关函数混用的问题。这里我把它单独拿出来，以一个简单的例子说明一下。避免之后的使用中出现类似的问题。

问题根源

两者的缓冲区：

• 系统 I/O 在内核空间中存在缓冲，而在用户空间没有；
• stdio 系列函数除了在内核空间中有缓存，在用户空间也有缓冲；

缓冲区类型：

• 全缓冲(大部分缓冲都是这类型)
• 行缓冲(例如：stdio、stdout)
• 无缓冲(例如：stderr)

而具体的问题则是出现在 select 只会检测内核空间中的缓冲区，无法感知用户空间中的缓冲区。当数据从内核空间复制到用户空间的时候，即使该描述符对应的缓存空间有数据，select 也不会再给通知。如图：

image.png

示例

• 正常输出

#include 
#include 
#include 
#include 

#define BUFFER 3
#define BUFFER_LEN (BUFFER - 1)

int main()
{
    int n;
    fd_set rset;
    char buffer[BUFFER];
    FD_ZERO(&rset);
    for (;;)
    {
        FD_SET(fileno(stdin), &rset);
        select(fileno(stdin) + 1, &rset, NULL, NULL, NULL);
        n = read(fileno(stdin), buffer, BUFFER_LEN);
        printf("读取到：[%d] 字节，内容为：[%s]\n", n, buffer);
        memset(buffer, 0, sizeof(buffer));
    }
}

--- input
123456

--- output
读取到：[2] 字节，内容为：[12]
读取到：[2] 字节，内容为：[34]
读取到：[2] 字节，内容为：[56]
读取到：[1] 字节，内容为：[
]

Tips

我们分配 3 字节大小的缓冲区，然后再每次读取玩缓冲中的数据之后，将缓冲中的数据清空，避免影响输出。当我们输入：123456 并按回车换行时（实际：123456\n），内容依次输出了。最后的 1 字节内容就是最后的换行符。

我们分析一下从我们输出完并按下回车到显示时，都发生了什么：

1. 输入回车之后，数据从用户缓冲复制到了内核缓冲（行缓冲）；
2. select 检测到 stdin 对应的内核缓冲有数据可读的时候，解除阻塞；
3. read 函数取 2 个字节的数据到 buffer 中；
4. printf 将 buffer 中的数据显示出来，并进行下次循环，阻塞到 select；
5. 由于内核中还有数据未读完，select 再次解除阻塞，直至数据取完为止；

• 混用时的问题

#include 
#include 

int main()
{
    int n;
    fd_set rset;
    FD_ZERO(&rset);
    for (;;)
    {
        FD_SET(fileno(stdin), &rset);
        select(fileno(stdin) + 1, &rset, NULL, NULL, NULL);
        n = getc(stdin);
        printf("内容为：[%c]\n", n);
    }
}

---
intput: 123456
output: 内容为：[1]
intput: 9
output: 内容为：[2]
output: 内容为：[3]
output: 内容为：[4]
output: 内容为：[5]
output: 内容为：[6]
output: 内容为：[
output: ]
output: 内容为：[9]

我们发现输出已经出现问题了，我们继续分析一下该问题是怎么造成的：

1. 当我们输入 123456 之后，数据由用户空间缓冲复制到了内核缓冲；
2. select 检测到有数据可读，解除阻塞；
3. getc 函数从用户缓冲中取 1 字节数据，发现缓冲中无数据可读，于是将内核中的数据复制到用户缓冲，并取 1 字节作为输出；
4. 此时由于数据已经全部复制到了用户缓冲，所以 select 进入阻塞状态（即使用户空间的缓冲中有数据可读）；
5. 当输出 9 并回车时，该数据又被复制到了内核空间（行缓冲），select 解除阻塞；
6. getc 函数从用户缓冲中取出 1 字节数据输出（由于用户缓冲中有数据，所以 getc 便不会再从内核中复制数据）；
7. 由于内核中有数据，所以 select 便再解除阻塞，getc 再取 1 字节直到 9 被复制到用户缓冲并输出为止；

Tips

仔细看最后的输出，你会发现 9 之后的换行符还留在用户空间缓冲中，该数据只能等下次再有数据输出到内核空间中才会得到输出。