I/O多路转接之select
原创
1. select接口
接口说明
select 是由Linux提供的系统调用接口，可使用 man select 命令查看相关说明。
#include <sys/select.h>
// 类型 - 要关注的fd集合
typedef ... fd_set;
// 接口 - 系统调用
int select(int nfds, fd_set* readfds, fd_set* writefds, fd_set* exceptfds, truct timeval* timeout);
fd_set集合
fd_set 是一个位图结构，定义如下
typedef long int __fd_mask;
#define __FD_SETSIZE 1024
#define __NFDBITS (8 * (int)sizeof(__fd_mask))
typedef struct {
__fd_mask fds_bits[__FD_SETSIZE / __NFDBITS];
} fd_set;
fd_set的大小
__FD_SETSIZE的值一般为1024，也就是说，fd_set最多可以容纳1024个比特位，每个比特位表示一个要关注的fd。
下面是一些用于操作 fd_set 的宏。
// 将set中fd对应的比特位置为0
void FD_CLR(int fd, fd_set *set);
// 获取set中fd对应的比特位
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set);
// 将set中fd对应的比特位置为1
void FD_SET(int fd, fd_set *set);
// 清空set集合
void FD_ZERO(fd_set *set);
timeval时间
timeval 是一个表示时长的结构体，有两个成员，一个是秒（tv_sec），另一个是微秒（tv_usec），其表示的时长为二者之和。
struct timeval {
time_t tv_sec; /* seconds */
suseconds_t tv_usec; /* microseconds */
};
2. 接口的使用
接口参数
select 一共有5个参数，其中除了第1个参数 nfds ，其他都是输入输出型参数。
参数列表
nfds：表示最大的文件描述符，用于指定fd集合的遍历范围。readfds：要关注 读 操作的文件描述符集合。writefds：要关注 写 操作的文件描述符集合。exceptfds：要关注 异常 的文件描述符集合。timeout：设置等待超时的时间，设为空指针表示阻塞等待，设为0表示立即返回不等待。
返回值
返回值和输出参数
select 返回一个整数，表示关注的fd集合中，就绪fd的数量。同时，参数 readfds 、 writefds 、 exceptfds 会被修改为就绪的fd集合。
如果在调用时设置了 timeout 作为输入参数，则 timeout 会被设置为距离超时时间的剩余时间。比如将超时时间设为5秒，select 在等待3秒后返回，则 timeout 被设置为2秒。
3. select服务器
业务需求
主要功能
实现一个简单的并发网络服务器，能够接收来自多个客户端的连接，且能够并发地响应客户端的消息。
实现思路
使用 select 同时等待服务器fd和所有的链接fd，如果其中有某个fd就绪了，就处理对应的事件。
下面是 select 等待多个fd的例子。
select服务器
此时如果有客户端发起连接：
select发现服务器fd有读事件发生，停止等待并返回。对服务器fd调用accept，接受客户端的连接，并将链接fd放入fd集合中，交给select继续等待。
select可以同时关注多个fd上的I/O事件，比如同时接收客户端的连接请求和接收客户端的消息。
这样就可以实现在单执行流中并发的响应。
代码
使用C++封装实现一个简单的 select 网络服务器。
完整代码
// Linux
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/select.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
// C
#include <cstring>
#include <cassert>
// C++
#include <iostream>
#include <set>
// 监听端口
const in_port_t ServerPort = 8080;
class SelectServer {
// server fd
int server_;
// fd集合
std::set<int> set;
public:
// 初始化服务器
SelectServer(in_port_t port) {
// 创建tcp套接字
server_ = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
assert(server_ >= 0);
// 绑定地址端口
struct sockaddr_in addr;
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons(port);
addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
assert(bind(server_, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(struct sockaddr_in)) >= 0);
// 设置端口复用
const int Optlen = 1;
setsockopt(server_, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &Optlen, sizeof(Optlen));
// 监听
assert(listen(server_, 10) >= 0);
std::cout << "Server listening on 0.0.0.0:" << port << std::endl;
// 将套接字加入到set中
set.insert(server_);
}
~SelectServer() {
// 关闭服务器fd
close(server_);
}
// select服务器运行
void run() {
// fd集合
fd_set rfds;
// 业务循环
while (true) {
// 因为fd_set是一个输入输出参数，所以每次都需要清空重新设置
FD_ZERO(&rfds);
// 设置服务器fd
FD_SET(server_, &rfds);
// 设置链接fd
for (int e : set)
FD_SET(e, &rfds);
// select系统调用
int ret = select(*set.rbegin() + 1, &rfds, nullptr, nullptr, nullptr);
if (ret == -1) exit(-1);
if (ret == 0) continue;
// 获取结果
for (int fd : set) {
if (fd != server_ && FD_ISSET(fd, &rfds)) {
// 收到了链接fd的io事件
std::cout << "select from fd: " << fd << std::endl;
// TODO: 处理具体业务...
// 这里简单的接收一下客户端发来的消息，并原封不动发回，然后关闭fd
char buf[4096];
// 接收
assert(read(fd, (void*)buf, sizeof(buf) -1) >= 0);
std::cout << "read fd " << fd << ": " << buf << std::endl;
// 发送
std::cout << "write fd " << fd << ", length = "
<< write(fd, buf, strlen(buf)) << std::endl;
// 关闭连接
close(fd);
}
}
// 清除集合中的链接fd
set = { server_ };
// 判断是否有新的连接请求
if (FD_ISSET(server_, &rfds)) {
// 建立连接
sockaddr_in addr;
socklen_t addrlen = sizeof(addr);
int ret = accept(server_, (struct sockaddr*)&addr, &addrlen);
assert(ret >= 0);
char strAddr[INET_ADDRSTRLEN];
std::cout << "accept from "
<< inet_ntop(AF_INET, &(addr.sin_addr.s_addr), strAddr, sizeof(strAddr))
<< ":" << ntohs(addr.sin_port) << std::endl;
// 将新的连接fd加入到set中，进入下一轮select循环
set.insert(ret);
}
}
}
};
int main() {
SelectServer ss(ServerPort);
ss.run();
return 0;
}
4. 优缺点
优点
- 用单个执行流实现了并发通信，节省了多执行流调度的开销。
- 可以同时等待多个文件描述符，相比单个文件描述符的等待，效率更高。
缺点
- 实现比较复杂，不便于维护。
- fd集合是一个定长数组，也就算说文件描述符数量有上限。
- fd集合需要在用户和内核之间来回拷贝，而且每次都需要遍历所有fd，开销较大。随着fd数量的增加，其性能也会线性下降。