Linux网络编程——I/O复用之select详解

一、I/O复用概述

I/O复用概念：

解决进程或线程阻塞到某个 I/O 系统调用而出现的技术，使进程不阻塞于某个特定的 I/O 系统调

I/O复用使用的场合：

1.当客户处理多个描述符（通常是交互式输入、网络套接字）时，必须使用I/O复用。

2.tcp服务器既要处理监听套接字，又要处理已连接套接字，一般要使用I/O复用。

3.如果一个服务器既要处理tcp又要处理udp，一般要使用I/O复用。

4.如果一个服务器要处理多个服务或多个服务时，一般要使用I/O复用。

I/O复用常用函数：

select、poll

二、select()函数

select函数介绍：

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

功能：轮询扫描多个描述符中的任一描述符是否发生响应，或经过一段时间后唤醒

参数：

参数	名称	说明
maxfd	指定要检测的描述符的范围	所检测描述符最大值+1
readset	可读描述符集	监测该集合中的任意描述符是否有数据可读
writeset	可写描述符集	监测该集合中的任意描述符是否有数据可写
exceptset	异常描述符集	监测该集合中的任意描述符是否发生异常
timeout	超时时间	超过规定时间后唤醒

返回值：

0：超时

-1：出错

>0：准备好的文件描述符数量

头文件：

#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>

超时时间：

//该结构体表示等待超时的时间
struct timeval{
	long tv_sec;//秒
	long tv_usec;//微秒
};

//比如等待10.2秒
struct timeval timeout;
timeoout.tv_sec = 10;
timeoout.tv_usec = 200000;

//将select函数的timeout参数设置为NULL则永远等待

描述符集合的操作：

select()函数能对多个文件描述符进行监测，如果一个参数对应一个描述符，那么select函数的4个参数最多能监测4个文件描述，那他如何实现对多个文件描述符的监测的呢？

大家想一想文件描述符基本具有3种特性（读、写、异常），如果我们统一将监测可读的描述符放入可读集合（readset），监测可写的描述符放入可写集合（writeset），监测异常的描述符放入异常集合（exceptset）。然后将这3个集合传给select函数，是不是就可监测多个描述符呢.

如何将某个描述符加入到特定的集合中呢？这时就需要了解下面的集合操作函数

/初始化描述符集
void FD_ZERO(fd_set *fdset);

//将一个描述符添加到描述符集
void FD_SET(int fd, fd_set *fdset);

//将一个描述符从描述符集中删除
void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset);

//检测指定的描述符是否有事件发生
int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset);

select()函数整体使用框架：

例子：检测 0、4、5 描述符是否准备好读

while(1)
{
	fd_set rset;//创建一个描述符集rset
	FD_ZERO(&rset);//对描述符集rset清零
	FD_SET(0, &rset);//将描述符0加入到描述符集rset中
	FD_SET(4, &rset);//将描述符4加入到描述符集rset中
	FD_SET(5, &rset);//将描述符5加入到描述符集rset中
	
	if(select(5+1, &rset, NULL, NULL, NULL) > 0)
	{
		if(FD_ISSET(0, &rset))
		{
			//描述符0可读及相应的处理代码
		}
		
		if(FD_ISSET(4, &rset))
		{
			//描述符4可读及相应的处理代码
		}
		if(FD_ISSET(5, &rset))
		{
			//描述符5可读及相应的处理代码
		}
	}
}

三、select函数的应用对比

我们通过udp同时收发的例子来说明select的妙处。

对于udp同时收发立马想到的是一个线程收、另一个线程发，下面的代码就是通过多线程来实现

#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <pthread.h>

//接收线程：负责接收消息并显示
void *recv_thread(void* arg)
{
	int udpfd = (int)arg;
	struct sockaddr_in addr;
	socklen_t addrlen = sizeof(addr);
	
	bzero(&addr,sizeof(addr));
	while(1)
	{
		char buf[200]  = "";
		char ipbuf[16] = "";
		recvfrom(udpfd, buf, sizeof(buf), 0, (struct sockaddr*)&addr, &addrlen);
		printf("\r\033[31m[%s]:\033[32m%s\n",inet_ntop(AF_INET,&addr.sin_addr,ipbuf,sizeof(ipbuf)),buf);
		write(1,"UdpQQ:",6);
	}
	return NULL;
}

int main(int argc,char *argv[])
{
	char buf[100] = "";
	int  udpfd = 0;
	pthread_t tid;
	struct sockaddr_in addr;
	struct sockaddr_in cliaddr;
	
	//对套接字地址进行初始化
	bzero(&addr,sizeof(addr));
	addr.sin_family = AF_INET;
	addr.sin_port   = htons(8000);
	addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

	bzero(&cliaddr,sizeof(cliaddr));	
	cliaddr.sin_family = AF_INET;
	cliaddr.sin_port   = htons(8000);

	//创建套接口
	if( (udpfd = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM, 0)) < 0)
	{
		perror("socket error");
		exit(-1);
	}
	
	//设置端口
	if(bind(udpfd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr)) < 0)
	{
		perror("bind error");
		close(udpfd);		
		exit(-1);
	}
	
	printf("input: \"sayto 192.168.221.X\" to sendmsg to somebody\n");
	//创建接收线程
	pthread_create(&tid, NULL, recv_thread, (void*)udpfd); //创建线程
	printf("\033[32m"); //设置字体颜色
	fflush(stdout);
	
	while(1)
	{	
		//主线程负责发送消息
		write(1,"UdpQQ:",6);//1 表示标准输出
		fgets(buf, sizeof(buf), stdin); //等待输入
		buf[strlen(buf) - 1] = '\0';    //确保输入的最后一位是'\0'
		if(strncmp(buf, "sayto", 5) == 0)
		{
			char ipbuf[INET_ADDRSTRLEN] = "";
			inet_pton(AF_INET, buf+6, &cliaddr.sin_addr);//给addr套接字地址再赋值.
			printf("\rconnect %s successful!\n",inet_ntop(AF_INET,&cliaddr.sin_addr,ipbuf,sizeof(ipbuf)));
			continue;
		}
		else if(strncmp(buf, "exit",4) == 0)
		{
			close(udpfd);
			exit(0);
		}
		
		sendto(udpfd, buf, strlen(buf),0,(struct sockaddr*)&cliaddr, sizeof(cliaddr));
	}
	
	return 0;
}

运行结果：

用select来完成上述同样的功能：

#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

int main(int argc,char *argv[])
{
	int udpfd = 0;
	struct sockaddr_in saddr;
	struct sockaddr_in caddr;

	bzero(&saddr,sizeof(saddr));
	saddr.sin_family = AF_INET;
	saddr.sin_port   = htons(8000);
	saddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
	
	bzero(&caddr,sizeof(caddr));
	caddr.sin_family  = AF_INET;
	caddr.sin_port    = htons(8000);
	
	//创建套接字
	if( (udpfd = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM, 0)) < 0)
	{
		perror("socket error");
		exit(-1);
	}
	
	//套接字端口绑字
	if(bind(udpfd, (struct sockaddr*)&saddr, sizeof(saddr)) != 0)
	{
		perror("bind error");
		close(udpfd);		
		exit(-1);
	}

	printf("input: \"sayto 192.168.220.X\" to sendmsg to somebody\033[32m\n");	
	while(1)
	{	
		char buf[100]="";	
		fd_set rset;	//创建文件描述符的聚合变量	
		FD_ZERO(&rset); //文件描述符聚合变量清0
		FD_SET(0, &rset);//将标准输入添加到文件描述符聚合变量中
		FD_SET(udpfd, &rset);//将udpfd添加到文件描述符聚合变量中		
		write(1,"UdpQQ:",6);
		
		if(select(udpfd + 1, &rset, NULL, NULL, NULL) > 0)
		{
			if(FD_ISSET(0, &rset))//测试0是否可读写
			{				
				fgets(buf, sizeof(buf), stdin);
				buf[strlen(buf) - 1] = '\0';
				if(strncmp(buf, "sayto", 5) == 0)
				{
					char ipbuf[16] = "";
					inet_pton(AF_INET, buf+6, &caddr.sin_addr);//给addr套接字地址再赋值.
					printf("\rsay to %s\n",inet_ntop(AF_INET,&caddr.sin_addr,ipbuf,sizeof(ipbuf)));
					continue;
				}
				else if(strcmp(buf, "exit")==0)
				{
					close(udpfd);
					exit(0);
				}
				sendto(udpfd, buf, strlen(buf),0,(struct sockaddr*)&caddr, sizeof(caddr));
			}
			if(FD_ISSET(udpfd, &rset))//测试udpfd是否可读写
			{
				struct sockaddr_in addr;
				char ipbuf[INET_ADDRSTRLEN] = "";
				socklen_t addrlen = sizeof(addr);
				
				bzero(&addr,sizeof(addr));
				
				recvfrom(udpfd, buf, 100, 0, (struct sockaddr*)&addr, &addrlen);
				printf("\r\033[31m[%s]:\033[32m%s\n",inet_ntop(AF_INET,&addr.sin_addr,ipbuf,sizeof(ipbuf)),buf);
			}
		}
	}
	
	return 0;
}

运行结果：

代码下载：