【网络编程】IO多路复用：select函数

select 函数是一种常见的 I/O 多路复用技术，使用 select 函数，通知内核挂起进程，当一个或多个 I/O 事件发生后，控制权返还给应用程序，由应用程序进行 I/O 事件的处理。

这些 I/O 事件的类型非常多，比如：

• 标准输入文件描述符准备好可以读。

• 监听套接字准备好，新的连接已经建立成功。

• 已连接套接字准备好可以写。

• 如果一个 I/O 事件等待超过了 10 秒，发生了超时事件。

一、相关函数介绍

select函数的声明如下：

int select(int nfds, fd_set *readset, fd_set *writeset, fd_set *exceptset, const struct timeval *timeout);

参数说明：

• nfds：监听的所有文件描述符中，最大文件描述符+1，表待监听文件符的数量，文件描述符下标从0开始。*
• readset：读文件描述符监听集合，传入、传出参数
• writeset：写文件描述符监听集合，传入、传出参数
• exceptset：异常文件描述符监听集合，传入、传出参数
• timeout ：定时器
  • 大于0：设置监听超时时长
  • NULL：阻塞监听
  • 0：非阻塞监听，轮询
• 返回值：若有就绪描述符则为其数目，若超时则为0，若出错则为-1

那么如何设置这些描述符集合呢？以下的宏可以帮助到我们。

void FD_ZERO(fd_set *fdset);			//清空一个文件描述符集合
void FD_SET(int fd, fd_set *fdset);		//将待监听的文件描述符，添加进监听集合中　　
void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset);		//将一个文件描述符从监听集合中移除　　　
int  FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset);	//判断一个文件描述符是否在监听集合中

怎么理解了，举例说明一下，下面一个向量代表了一个描述符集合，其中，这个向量的每个元素都是二进制数中的 0 或者 1。

a[maxfd-1], ..., a[1], a[0]

可以按照下面的思路来理解这些宏：

• FD_ZERO 用来将这个向量的所有元素都设置成 0；
• FD_SET 用来把对应套接字 fd 的元素，a[fd]设置成 1；
• FD_CLR 用来把对应套接字 fd 的元素，a[fd]设置成 0；
• FD_ISSET 对这个向量进行检测，判断出对应套接字的元素 a[fd]是 0 还是 1。

其中 0 代表不需要处理，1 代表需要处理。

二、代码实现

下面是一个具体的程序例子：

int main(int argc, char **argv) {
    if (argc != 2) {
        error(1, 0, "usage: select01 ");
    }
    int socket_fd = tcp_client(argv[1], SERV_PORT);

    char recv_line[MAXLINE], send_line[MAXLINE];
    int n;

    fd_set readmask;
    fd_set allreads;
    FD_ZERO(&allreads); 			//一开始全为空
    FD_SET(0, &allreads);			//标准输入置为1
    FD_SET(socket_fd, &allreads);	//连接套接字3置为1

    for (;;) {
        readmask = allreads;
        int rc = select(socket_fd + 1, &readmask, NULL, NULL, NULL);

        if (rc <= 0) {
            error(1, errno, "select failed");
        }

        if (FD_ISSET(socket_fd, &readmask)) {
            n = read(socket_fd, recv_line, MAXLINE);
            if (n < 0) {
                error(1, errno, "read error");
            } else if (n == 0) {
                error(1, 0, "server terminated \n");
            }
            recv_line[n] = 0;
            fputs(recv_line, stdout);
            fputs("\n", stdout);
        }

        if (FD_ISSET(STDIN_FILENO, &readmask)) {
            if (fgets(send_line, MAXLINE, stdin) != NULL) {
                int i = strlen(send_line);
                if (send_line[i - 1] == '\n') {
                    send_line[i - 1] = 0;
                }

                printf("now sending %s\n", send_line);
                size_t rt = write(socket_fd, send_line, strlen(send_line));
                if (rt < 0) {
                    error(1, errno, "write failed ");
                }
                printf("send bytes: %zu \n", rt);
            }
        }
    }

}

这里需要注意的是17-18行：

第 17 行是每次测试完之后，重新设置待测试的描述符集合。你可以看到上面的例子，在 select 测试之前的数据是{0,3}，select 测试之后就变成了{0}。

这是因为 select 调用每次完成测试之后，内核都会修改描述符集合，通过修改完的描述符集合来和应用程序交互，应用程序使用 FD_ISSET 来对每个描述符进行判断，从而知道什么样的事件发生。

第 18 行则是使用 socket_fd+1 来表示待测试的描述符基数。切记需要 +1。

三、套接字描述符就绪条件

当我们说 select 测试返回，某个套接字准备好可读，表示什么样的事件发生呢？

• 第一种情况是套接字接收缓冲区有数据可以读，如果我们使用 read 函数去执行读操作，肯定不会被阻塞，而是会直接读到这部分数据。
• 第二种情况是对方发送了 FIN，使用 read 函数执行读操作，不会被阻塞，直接返回 0。
• 第三种情况是针对一个监听套接字而言的，有已经完成的连接建立，此时使用 accept 函数去执行不会阻塞，直接返回已经完成的连接。
• 第四种情况是套接字有错误待处理，使用 read 函数去执行读操作，不阻塞，且返回 -1。

总结成一句话就是，内核通知我们套接字有数据可以读了，使用 read 函数不会阻塞。

说完了套接字可读，再来看套接字可写。select 检测套接字可写，完全是基于套接字本身的特性来说的，具体来说有以下几种情况。

• 第一种是套接字发送缓冲区足够大，如果我们使用阻塞套接字进行 write 操作，将不会被阻塞，直接返回。
• 第二种是连接的写半边已经关闭，如果继续进行写操作将会产生 SIGPIPE 信号。
• 第三种是套接字上有错误待处理，使用 write 函数去执行写操作，不阻塞，且返回 -1。

这里估计，很多人有些疑惑，跟我一样，我之前一直是从应用程序的角度去理解套接字可写的：当程序完成了相应的计算，有数据准备发送给对端时，可以往套接字写，对应的就是套接字可写。

总结成一句话就是，内核通知我们套接字可以往里写了，使用 write 函数就不会阻塞。

四、总结

主要知识点：

• 描述符基数是当前最大描述符 +1；
• 每次 select 调用完成之后，记得要重置待测试集合。

select的优缺点：

缺点：

• 监听上限受文件描述符限制，最大为1024
• 检测满足条件的fd，自己添加业务逻辑提高小，提高了编码难度

优点：

• 跨平台，win、linux、macOS、类unix等