Linux socket编程(6):IO复用之select原理及例子

文章目录

1 五种I/O模型
2 select函数
3 select实战：实现多个套接字监听

在之前的网络编程中，我们遇到了一个问题：

客户端需要一边监听来自stdin的键盘输入，一边监听来自服务端的消息
服务端要一边获取来自客户端的消息，一边accept新的设备连接

也就是我们希望在一个或多个I/O条件准备就绪时，能够得到通知。在前面的文章中，我们使用Linux中的fork实现这些功能：利用fork实现服务端与多个客户端建立连接。但在Linux中还有一个I/O多路复用的概念，它由select和poll函数实现，这篇文章就来介绍一下多路复用的概念。

1 五种I/O模型

通常，一个输入操作有两个阶段：

等待数据准备就绪：等待数据在网络上到达，当数据包到达时，它被复制到内核的缓冲区中
将数据从内核复制到进程：将准备好的数据从内核缓冲区复制到应用程序缓冲区

下面来了解一下Linux中的五种I/O模型：

1.1 阻塞I/O模型

I/O的最常见模型是阻塞I/O模型。默认情况下，所有套接字都是阻塞的。用户通过调用recv/recvfrom/read等函数阻塞等待数据的到来，这些函数称为系统调用，会从应用程序中切换到内核中运行，在得到了一定的数据后返回到应用程序。如下图所示：

在这里插入图片描述

在上图中，进程调用recvfrom，系统调用在数据到达时将数据复制到应用程序缓冲区，然后返回。或者发生错误时也会返回，最常见的错误是系统调用被信号中断。

1.2 非阻塞I/O模型

当一个套接字被设置为非阻塞时，recv/recvfrom/read会立即返回，有数据则返回数据，而没数据也不会等待条件满足，而是立即返回一个错误EWOULDBLOCK。

在这里插入图片描述

对于前三次的recvfrom，没有要返回的数据，内核立即返回EWOULDBLOCK错误。在第四次调用recvfrom时，一个数据报已准备好，它被复制到我们的应用程序缓冲区中，recvfrom成功返回。应用程序不断地轮询内核，以查看是否有某个操作准备就绪，这通常很占CPU的资源，一般很少使用。

当然除了用在读函数中，一个我实际中用到的例子是在connect函数中使用非阻塞。比如我们设备中有一个以太网，正常阻塞连接的话还需要以太网相关的驱动支持，如果在没插网线或者对端服务器不存在的情况下进行连接，根据不同内核代码的处理就会阻塞在connect函数十几二十秒再返回，而影响后面代码的执行。此时就可以设置为非阻塞，然后后续再监听套接字上是否有消息以判断是否连接成功。

1.3 I/O复用模型

I/O多路复用调用select或poll，然后阻塞在这两个系统调用中，而不是在实际的I/O系统调用中阻塞。

在这里插入图片描述

select可以监听多个套接字，当select返回时，表示某个套接字可读/写，我们就可以执行相应的操作。

1.4 信号驱动I/O模型

内核在描述符准备就绪时通过SIGIO信号通知应用层。如下图所示：

在这里插入图片描述

激活信号驱动模型： 应用程序通过系统调用(如sigaction)向内核注册信号处理程序。信号处理程序是在特定事件发生时由内核调用的函数。对于信号驱动I/O，常用的信号包括SIGIO和SIGURG。
启用信号驱动套接字： 对于需要信号驱动的套接字，应用程序需要调用fcntl系统调用，将套接字设置为非阻塞，并启用FASYNC标志。这样，当套接字上的I/O事件发生时，内核会发送相应的信号给应用程序。
事件发生时的处理： 当套接字上发生I/O事件时，内核会生成相应的信号(如SIGIO)。这时，注册的信号处理程序将被调用。在信号处理程序中，应用程序可以执行必要的操作，比如读取数据、处理数据或通知主循环有关事件的发生。
异步通知： 信号驱动模型提供了一种异步通知的机制，使得应用程序可以继续执行其他任务而无需等待事件的发生。这与阻塞I/O模型不同，后者需要在等待事件时阻塞应用程序。

1.5 异步I/O模型

异步I/O由POSIX规范定义，它允许应用程序启动一个I/O操作，而无需等待这个操作完成。相比于阻塞I/O，异步I/O能够在I/O操作进行的同时执行其他任务，而不必一直等待数据的读取或写入完成。请参见下图示例：

在这里插入图片描述

POSIX异步I/O函数： 在POSIX标准中，异步I/O由一组函数组成，这些函数的名称通常以aio_或lio_开头，如aio_read、aio_write等。
启动异步操作： 应用程序通过调用异步I/O函数来启动I/O操作，通常需要指定文件描述符、缓冲区指针、缓冲区大小、文件偏移等参数。
通知机制： 异步I/O操作的关键特点是通知机制。应用程序可以指定在I/O操作完成时如何通知它，通常是通过信号、回调函数或事件通知等方式。
立即返回： 异步I/O函数通常是非阻塞的，它们在启动I/O操作后会立即返回，而不会等待操作完成。这使得应用程序能够继续执行其他任务。
适用场景： 异步I/O常用于需要处理大量并发I/O操作的情况，例如网络服务器或高性能的文件处理应用程序。通过异步I/O，程序能够更有效地利用系统资源，提高响应性能。

同步I/O(前四种都是同步I/O)操作会导致请求的进程被阻塞，直到该I/O操作完成。而异步I/O操作不会导致请求的进程被阻塞。

2 select函数

这里主要介绍一下select在网络编程的使用。select函数可以等待多个事件中的任何一个发生，并且仅在其中一个或多个事件发生时唤醒进程。这意味着我们告诉内核我们对哪些描述符感兴趣(用于读取、写入或异常条件)，以及等待的时间有多长。我们可以使用select监听任何描述符，而不仅限于套接字。

int select(int maxfdp1, fd_set *readset, fd_set *writeset, fd_set *exceptset,
           const struct timeval *timeout);

maxfdp1 ：这是待测试的最大文件描述符值加一。它指定了被测试的文件描述符的范围。例如，如果最大的文件描述符是N，那么maxfdp1的值应该是N + 1。这个参数告诉select要检查多少个文件描述符。
readset ：这是一个指向fd_set结构的指针，用于指定希望监视其可读性的文件描述符集合。如果readset中的任何一个文件描述符变得可读，select将返回。
writeset：类似于readset，这是一个指向fd_set结构的指针，用于指定希望监视其可写性的文件描述符集合。如果writeset中的任何一个文件描述符变得可写，select将返回。
exceptset：同样是一个指向fd_set结构的指针，用于指定希望监视其异常条件的文件描述符集合。如果exceptset中的任何一个文件描述符发生异常，select将返回。
timeout：这是一个指向struct timeval结构的指针，表示等待的最长时间。如果timeout为NULL，select将一直等待，直到有文件描述符就绪或出错。如果timeout不为NULL，则指定等待的最大时间，当超过这个时间后，即使没有文件描述符就绪，select也将返回。

select函数在成功时返回就绪文件描述符的总数，如果超时返回0，如果出错返回-1。可以通过检查readset、writeset和exceptset中的具体位来确定哪些文件描述符已经就绪。

这里的fd_set需要使用以下几个API来设置：

void FD_ZERO(fd_set *fdset);         /* 清除fdset中的所有位 */
void FD_SET(int fd, fd_set *fdset);  /* 置fdset中的某个位 */
void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset);  /* 清除fdset中的某个位 */
int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset); /* 判断某个位是否被置 */

3 select实战：实现多个套接字监听

这里就来实现一个服务端和客户端的模型，从代码中来深入理解select函数的使用。

3.1 客户端

客户端需要能够监听标准输入stdin的消息，然后转发个服务端；还需要监听服务端的套接字，以接收服务端发来的消息。代码如下：

fd_set readfds;
while (1)
{
    FD_ZERO(&readfds);  				//清空读描述符
    FD_SET(STDIN_FILENO, &readfds);		//设置标准输入描述符
    FD_SET(clientSocket, &readfds);		//设置要监听的(服务端的)套接字
	/* 由于输入描述符为0,所以这里maxfdp1就为clientSocket+1 */
    select(clientSocket + 1, &readfds, NULL, NULL, NULL);//无限阻塞到有消息
	/* 判断哪个套接字上有消息 */
    if (FD_ISSET(STDIN_FILENO, &readfds)) {//标准输入有消息:发送给服务端
        fgets(buffer, BUFFER_SIZE, stdin);
        send(clientSocket, buffer, strlen(buffer), 0);
    }

    if (FD_ISSET(clientSocket, &readfds)) {//服务端套接字有消息:接收并打印出来
        memset(buffer, 0, sizeof(buffer));
        recv(clientSocket, buffer, BUFFER_SIZE, 0);
        printf("Server: %s", buffer);
    }
}

STDIN_FILENO是(通常为0)一个在头文件 <unistd.h> 中定义的宏，用于表示标准输入文件描述符的。除此之外还有标准输出的描述符STDOUT_FILENO(通常为1)和标准错误的描述符STDERR_FILENO(通常为2)。

3.2 服务端

服务端则是一边要accept新的客户端连接请求，一边接收来自客户端的消息并回显回去。代码如下：

#define BUFFER_SIZE 1024
int serverSocket, clientSockets[BUFFER_SIZE], maxSockets, activity, i, valread;
//serverSocket为服务端自身的套接字,代码略
maxSockets = serverSocket;
memset(clientSockets, 0, sizeof(clientSockets));//记录建立连接的客户端套接字,0表示没有使用
while (1)
{
    FD_ZERO(&readfds);					//清空读描述符
    FD_SET(serverSocket, &readfds);		//设置服务端套接字,用于accept客户端连接请求
	/* 设置所有已连接上的客户端的套接字 */
    for (i = 0; i < MAX_CLIENTS; i++)
    {
        int clientSocket = clientSockets[i];
        if (clientSocket > 0)
        {
            FD_SET(clientSocket, &readfds);
            if (clientSocket > maxSockets)//更新maxfdp1
                maxSockets = clientSocket;
        }
    }
	/* 监听套接字 */
    activity = select(maxSockets + 1, &readfds, NULL, NULL, NULL);
	/* 有新的客户端连接请求,这里accept它们 */
    if (FD_ISSET(serverSocket, &readfds))
    {
        int newSocket;
        socklen_t addrlen = sizeof(address);
        if ((newSocket = accept(serverSocket, (struct sockaddr*)&address, &addrlen)) < 0)
        {
            perror("Accept failed");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }

        printf("New connection, socket fd is %d, ip is : %s, port : %d\n", newSocket, inet_ntoa(address.sin_addr), ntohs(address.sin_port));
		/* 找一个数组中没使用的项目填入 */
        for (i = 0; i < MAX_CLIENTS; i++)
        {
            if (clientSockets[i] == 0)
            {
                clientSockets[i] = newSocket;
                break;
            }
        }
    }
	/* 处理所有连接上的客户端的消息 */
    for (i = 0; i < MAX_CLIENTS; i++)
    {
        int clientSocket = clientSockets[i];
        if (FD_ISSET(clientSocket, &readfds))
        {
            valread = read(clientSocket, buffer, BUFFER_SIZE);
            /* 返回0表示客户端断开连接,这里也断开连接 */
            if (valread == 0)
            {
                // Client disconnected
                printf("Host disconnected, socket fd is %d\n", clientSocket);
                close(clientSocket);
                clientSockets[i] = 0;
            }
            /* 将收到的客户端的消息回显给客户端 */
            else
            {
                buffer[valread] = '\0';
                printf("Received: %s", buffer);
                send(clientSocket, buffer, strlen(buffer), 0);
            }
        }
    }
}

3.3 实验结果

运行服务端程序，然后打开一个客户端程序发送hello，再打开一个客户端程序发送hi!，实验效果如下：

在这里插入图片描述

3.4 完整代码

客户端

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>

#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    int clientSocket;
    struct sockaddr_in serverAddress;
    fd_set readfds;
    char buffer[BUFFER_SIZE];

    // Create client socket
    if ((clientSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
        perror("Socket creation failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    serverAddress.sin_family = AF_INET;
    serverAddress.sin_port = htons(8888);
	serverAddress.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");

    // Connect to server
    if (connect(clientSocket, (struct sockaddr*)&serverAddress, sizeof(serverAddress)) < 0) {
        perror("Connection Failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("Connected to server\n");

    while (1) {
        FD_ZERO(&readfds);
        FD_SET(STDIN_FILENO, &readfds);
        FD_SET(clientSocket, &readfds);

        select(clientSocket + 1, &readfds, NULL, NULL, NULL);

        if (FD_ISSET(STDIN_FILENO, &readfds)) {
            // Read from stdin and send to server
            fgets(buffer, BUFFER_SIZE, stdin);
            send(clientSocket, buffer, strlen(buffer), 0);
        }

        if (FD_ISSET(clientSocket, &readfds)) {
            // Read from server and print
            memset(buffer, 0, sizeof(buffer));
            recv(clientSocket, buffer, BUFFER_SIZE, 0);
            printf("Server: %s", buffer);
        }
    }

    return 0;
}

服务端

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>

#define MAX_CLIENTS 10
#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    int serverSocket, clientSockets[MAX_CLIENTS], maxSockets, activity, i, valread;
    int opt = 1;
    struct sockaddr_in address;
    fd_set readfds;
    char buffer[BUFFER_SIZE];

    // Create server socket
    if ((serverSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == 0) {
        perror("Socket creation failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // Set socket options
    if (setsockopt(serverSocket, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR | SO_REUSEPORT, &opt, sizeof(opt))) {
        perror("Setsockopt failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    address.sin_family = AF_INET;
    address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    address.sin_port = htons(8888);

    // Bind the socket
    if (bind(serverSocket, (struct sockaddr*)&address, sizeof(address)) < 0) {
        perror("Bind failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // Listen for incoming connections
    if (listen(serverSocket, MAX_CLIENTS) < 0) {
        perror("Listen failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("Server listening on port 8888\n");

    maxSockets = serverSocket;
    memset(clientSockets, 0, sizeof(clientSockets));

    while (1) {
        FD_ZERO(&readfds);
        FD_SET(serverSocket, &readfds);

        for (i = 0; i < MAX_CLIENTS; i++) {
            int clientSocket = clientSockets[i];
            if (clientSocket > 0) {
                FD_SET(clientSocket, &readfds);
                if (clientSocket > maxSockets) {
                    maxSockets = clientSocket;
                }
            }
        }

        activity = select(maxSockets + 1, &readfds, NULL, NULL, NULL);

        if (FD_ISSET(serverSocket, &readfds)) {
            // Handle new connection
            int newSocket;
            socklen_t addrlen = sizeof(address);
            if ((newSocket = accept(serverSocket, (struct sockaddr*)&address, &addrlen)) < 0) {
                perror("Accept failed");
                exit(EXIT_FAILURE);
            }

            printf("New connection, socket fd is %d, ip is : %s, port : %d\n", newSocket, inet_ntoa(address.sin_addr), ntohs(address.sin_port));

            for (i = 0; i < MAX_CLIENTS; i++) {
                if (clientSockets[i] == 0) {
                    clientSockets[i] = newSocket;
                    break;
                }
            }
        }

        for (i = 0; i < MAX_CLIENTS; i++) {
            int clientSocket = clientSockets[i];
            if (FD_ISSET(clientSocket, &readfds)) {
                // Handle data from client
                valread = read(clientSocket, buffer, BUFFER_SIZE);
                if (valread == 0) {
                    // Client disconnected
                    printf("Host disconnected, socket fd is %d\n", clientSocket);
                    close(clientSocket);
                    clientSockets[i] = 0;
                } else {
                    // Echo received message back to client
                    buffer[valread] = '\0';
                    printf("Received: %s", buffer);
                    send(clientSocket, buffer, strlen(buffer), 0);
                }
            }
        }
    }

    return 0;
}

这里都没有判断select函数的返回值，我们最好也判断一下：

if (activity == -1) {
    // 错误发生
    if (errno == EINTR) 
        continue;//继续下一次select
    perror("select");
    exit(EXIT_FAILURE);
} else if (activity == 0) {
    // 超时
} else {
    // 有文件描述符准备好
}

当select返回值-1且errno为EINTR时，表示select被中断。这通常是由于接收到信号而导致的中断。在这种情况下，你可以选择重新调用select。