1. 阻塞与非阻塞

首先介绍几个基本的概念。

阻塞方式（ block ），顾名思义，就是进程或是线程执行到这些函数时必须等待某个事件的发生，假如事件没有发生，进程或线程就被阻塞，函数不能立即返回。

非阻塞方式（ non-block ），就是进程或线程执行此函数时不必非要等待事件的发生，一旦执行肯定返回，以返回值的不同来反映函数的执行情况，假如事件发生则和阻塞方式相同，若事件没有发生则返回一个代码来告知事件未发生，而进程或线程继续执行，所以效率较高。

套接字相关函数默认时采用阻塞方式操作，而大多数情况下，程序不仅仅只拥有一个套接字。当进程以阻塞方式操作其中之一时，必将导致不能使用其他的套接字。如果希望这些套接字同时工作，就必须设计并发的套接字程序，即在一个套接字读写的同时保证另一个套接字也能正常地操作。

多路复用函数 select 把一些文件描述符集合在一起，如果某个文件描述符的状态发生变化，比如进入“写就绪”或者“读就绪”状态，函数 select 会立即返回，并且通知进程读取或写入数据；如果没有 I/O 到达，进程将进入阻塞，直到函数 select 超时退出为止。

套接字也是文件，函数 select 也支持套接字描述符，并且可以应用在 TCP 协议和 UDP 协议的套接字中。利用多路复用，进程就可以同时监控多个套接字信息，在多个套接字上并发地执行操作。

2.select介绍

select的大概思想：将多个套接字放在一个集合里，然后统一检查这些套接字的状态（可读、可写、异常等），调用select后，会更新这些套接字的状态，然后做判断，如果套接字可读，就执行read操作。这样就巧妙地避免了阻塞，达到同时处理多个连接的目的。当然如果没有事件发生，select会一直阻塞，如果不想一直让它等待，想去处理其它事情，可以设置一个最大的等待时间。

[cpp] view plain copy

int select(int maxfdp,fd_set *readfds,fd_set *writefds,fd_set *errorfds,struct timeval *timeout);
/*参数列表
int maxfdp是一个整数值，是指集合中所有文件描述符的范围，即所有文件描述符的最大值加1，不能错！在Windows中这个参数的值无所谓，可以设置不正确。
　　
fd_set *readfds是指向fd_set结构的指针，这个集合中应该包括文件描述符，我们是要监视这些文件描述符的读变化的，即我们关心是否可以从这些文件中读取数据了，如果这个集合中有一个文件可读，select就会返回一个大于0的值，表示有文件可读，如果没有可读的文件，则根据timeout参数再判断是否超时，若超出timeout的时间，select返回0，若发生错误返回负值。可以传入NULL值，表示不关心任何文件的读变化。
　　
fd_set *writefds是指向fd_set结构的指针，这个集合中应该包括文件描述符，我们是要监视这些文件描述符的写变化的，即我们关心是否可以向这些文件中写入数据了，如果这个集合中有一个文件可写，select就会返回一个大于0的值，表示有文件可写，如果没有可写的文件，则根据timeout参数再判断是否超时，若超出timeout的时间，select返回0，若发生错误返回负值。可以传入NULL值，表示不关心任何文件的写变化。
　　
fd_set *errorfds同上面两个参数的意图，用来监视文件错误异常。
　　
struct timeval* timeout是select的超时时间，这个参数至关重要，它可以使select处于三种状态：
第一，若将NULL以形参传入，即不传入时间结构，就是将select置于阻塞状态，一定等到监视文件描述符集合中某个文件描述符发生变化为止；
第二，若将时间值设为0秒0毫秒，就变成一个纯粹的非阻塞函数，不管文件描述符是否有变化，都立刻返回继续执行，文件无变化返回0，有变化返回一个正值；
第三，timeout的值大于0，这就是等待的超时时间，即 select在timeout时间内阻塞，超时时间之内有事件到来就返回了，否则在超时后不管怎样一定返回，返回值同上述。
*/
/*
返回值：
负值：select错误
正值：某些文件可读写或出错
0：等待超时，没有可读写或错误的文件
*/

上面有两个结构体。

第一， struct timeval 代表时间值

[cpp] view plain copy

struct timeval{
long tv_sec;/* 秒 */
long tv_usec;/* 毫秒 */
};

第二， struct fd_set 能够理解为文件描述符的集合

[cpp] view plain copy

#ifndef FD_SETSIZE
#define FD_SETSIZE 64
#endif /* FD_SETSIZE */
typedef struct fd_set {
u_int fd_count; /* how many are SET? */
SOCKET fd_array[FD_SETSIZE]; /* an array of SOCKETs */
} fd_set;

fd_set 集合能够通过一些宏由人为来操作，比如清空集合 FD_ZERO(fd_set *) ，将一个给定的文件描述符加入集合之中 FD_SET(int ,fd_set*) ，将一个给定的文件描述符从集合中删除 FD_CLR(int,fd_set*)，检查集合中指定的文件描述符是否能够读写 FD_ISSET(int ,fd_set* ) 。

3.操作fd_set的宏

下面是这些宏的详细描述：

FD_ZERO(fd_set * set)，是把集合清空（初始化为0，确切的说，是把集合中的元素个数初始化为0，并不修改描述符数组).使用集合前，必须用FD_ZERO初始化，否则集合在栈上作为自动变量分配时，fd_set分配的将是随机值，导致不可预测的问题。
FD_SET(int s,fd_set * set)，向集合中加入一个套接口描述符（如果该套接口描述符s没在集合中，并且数组中已经设置的个数小于最大个数时，就把该描述符加入到集合中，集合元素个数加1）。这里是将s的值直接放入数组中。
FD_ISSET(int s,fd_set * set)，检查描述符是否在集合中，如果在集合中返回非0值，否则返回0. 它的宏定义并没有给出具体实现，但实现的思路很简单，就是搜索集合，判断套接字s是否在数组中。
FD_CLR(int s,fd_set * set)，从集合中移出一个套接口描述符（比如一个套接字连接中断后，就应该移除它）。实现思路是，在数组集合中找到对应的描述符，然后把后面的描述依次前移一个位置，最后把描述符的个数减1。

下面是使用这些宏的基本方式。

调用FD_ZERO来初始化fd_set；
调用FD_SET将感兴趣的套接字描述符加入fd_set集合中（每次循环都要重新加入，因为select更新后，会将一些没有满足条件的套接字移除队列）；
设置等待时间后，调用select函数--更新套接字的状态；
调用FD_ISSET，来判断套接字是否有相应状态，然后做相应操作，比如，如果套接字可读，就调用recv函数去接收数据。

4.自定义管理套接字的集合类SocketList

从上面可以看出，我们需要维护一个套接字集合，这个套接字的集合里存放的是和服务器建立连接的套接字，服务器每次循环调用select()时首先需要使用FD_ZERO宏来初始化fd_set对象，然后调用FD_SET将我们维护的这个套接字集合中的套接字加入fd_set这个集合中，然后就可以调用select函数了，调用完select函数后，再次遍历我们维护的这个套接字集合，通过FD_ISSET宏来判断这个套接字是否是我们需要进行处理的，如果是需要进行处理的，那么就对它进行处理。

所以现在这里的关键就是要维护一个套接字的集合，我把它定义为SocketList这个类，下面是我实现的C++类。这个套接字的集合类可以很方便地实现下面的功能：

添加socket
删除socket
将前类中的所有感兴趣的socket加入到fd_set中

5.服务器端的实现

仍然是在原来服务端的第6步进行更改，但是在这之前启动了一个新的线程workThread，并且服务端也只需要启动一个这样的线程用来访问SocketList的对象。此时第6步就只需要将当前建立的socket添加到SocketList这个对象中。在workThread这个线程中访问SocketList的对象，在这个线程中调用select()函数即可。

服务端代码：

[cpp] view plain copy

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <WinSock2.h>
#include <iostream>
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")
using namespace std;
#define PORT 6000
//#define IP_ADDRESS "10.11.163.113" //表示服务器端的地址
#define IP_ADDRESS "127.0.0.1" //直接使用本机地址
class SocketList
{
private:
int num;//记录socket的真实数目
SOCKET socketArray[FD_SETSIZE];//存放socket的数组
public:
SOCKET getSocket(int i)
{
return socketArray[i];
}
//构造函数中对两个成员变量进行初始化
SocketList()
{
num=0;
for (int i=0;i<FD_SETSIZE;i++)
{
//因为socket的值是一个非负整数值，所以可以将socketArray初始化为0，让它来表示数组中的这一个元素有没有被使用
socketArray[i]=0;
}
}
//往socketArray中添加一个socket
void insertSocket(SOCKET s)
{
for (int i=0;i<FD_SETSIZE;i++)
{
//如果某一个socketArray[i]为0，表示哪一个位可以放入socket
if (socketArray[i]==0)
{
socketArray[i]=s;
num++;
break;//这里一定要加上break，不然一个socket会放在socketArray的多个位置上
}
}
}
//从socketArray中删除一个socket
void deleteSocket(SOCKET s)
{
for (int i=0;i<FD_SETSIZE;i++)
{
if (socketArray[i]==s)
{
socketArray[i]=0;
num--;
break;
}
}
}
//将socketArray中的套接字放入fd_list这个结构体中
void makefd(fd_set * fd_list)
{
FD_ZERO(fd_list);//首先将fd_list清0
//将每一个socket加入fd_list中
for (int i=0;i<FD_SETSIZE;i++)
{
if (socketArray[i]>0)
{
FD_SET(socketArray[i],fd_list);
}
}
}
};
//使用这一个线程来通过select来处理多个socket
DWORD WINAPI workThread(LPVOID lpParam)
{
//传递进来的socketList指针
SocketList * socketList=(SocketList *)lpParam;
int err=0;
fd_set fdread;//存在读文件的set，select会检测这个set中是否可以从某些socket中读入信息
struct timeval timeout;//设置select超时的时间
timeout.tv_sec=6;
timeout.tv_usec=0;
//输入输出缓冲区
char receBuff[MAX_PATH];
char sendBuf[MAX_PATH];
SOCKET socket;
while(true)
{
socketList->makefd(&fdread);
err=select(0,&fdread,NULL,NULL,&timeout);
if (err==0)//select返回0表示超时
{
cout<<"select() is time-out!"<<endl;
continue;
}
else
{
//遍历socketList中的每一个socket，查看那些socket是可读的，处理可读的socket
//从中读取数据到缓冲区，并发送数据给客户端
for (int i=0;i<FD_SETSIZE;i++)
{
//读取有效的socket
if (socketList->getSocket(i)==0)
continue;
socket=socketList->getSocket(i);
//判断哪些socket是可读的，如果这个socket是可读的，从它里面读取数据
if (FD_ISSET(socket,&fdread))
{
err=recv(socket,receBuff,MAX_PATH,0);
//如果返回值表示要关闭这个连接，那么关闭它，并将它从sockeList中去掉
if (err==0||err==SOCKET_ERROR)
{
closesocket(socket);
cout<<"断开连接!"<<endl;
socketList->deleteSocket(socket);
}
else
{
cout<<"message from client:"<<receBuff<<endl;
strcpy(sendBuf,"server receive a message:");
strcat(sendBuf,receBuff);
//发送数据
send(socket,sendBuf,strlen(sendBuf)+1,0); //第三个参数加上1是为了将字符串结束符'\0'也发送过去
}
}//end if
}//end for
}//end if (err==0)
}//end while
return 0;
}
void main()
{
WSADATA wsaData;
int err;
//1.加载套接字库
err=WSAStartup(MAKEWORD(1,1),&wsaData);
if (err!=0)
{
cout<<"Init Windows Socket Failed::"<<GetLastError()<<endl;
return ;
}
//2.创建socket
//套接字描述符,SOCKET实际上是unsigned int
SOCKET serverSocket;
serverSocket=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
if (serverSocket==INVALID_SOCKET)
{
cout<<"Create Socket Failed::"<<GetLastError()<<endl;
return ;
}
//服务器端的地址和端口号
struct sockaddr_in serverAddr,clientAdd;
serverAddr.sin_addr.s_addr=inet_addr(IP_ADDRESS);
serverAddr.sin_family=AF_INET;
serverAddr.sin_port=htons(PORT);
//3.绑定Socket，将Socket与某个协议的某个地址绑定
err=bind(serverSocket,(struct sockaddr*)&serverAddr,sizeof(serverAddr));
if (err!=0)
{
cout<<"Bind Socket Failed::"<<GetLastError()<<endl;
return ;
}
//4.监听,将套接字由默认的主动套接字转换成被动套接字
err=listen(serverSocket,10);
if (err!=0)
{
cout<<"listen Socket Failed::"<<GetLastError()<<endl;
return ;
}
cout<<"服务器端已启动......"<<endl;
int addrLen=sizeof(clientAdd);
SOCKET sockConn;
SocketList socketList;
HANDLE hThread=CreateThread(NULL,0,workThread,&socketList,0,NULL);
if (hThread==NULL)
{
cout<<"Create Thread Failed!"<<endl;
}
CloseHandle(hThread);
while(true)
{
//5.接收请求，当收到请求后，会将客户端的信息存入clientAdd这个结构体中，并返回描述这个TCP连接的Socket
sockConn=accept(serverSocket,(struct sockaddr*)&clientAdd,&addrLen);
if (sockConn==INVALID_SOCKET)
{
cout<<"Accpet Failed::"<<GetLastError()<<endl;
return ;
}
cout<<"客户端连接："<<inet_ntoa(clientAdd.sin_addr)<<":"<<clientAdd.sin_port<<endl;
//将之前的第6步替换成了上面启动workThread这个线程函数和下面这一行代码
//将socket放入socketList中
socketList.insertSocket(sockConn);
}
closesocket(serverSocket);
//清理Windows Socket库
WSACleanup();
}

客户端的代码和前面是一样的，这里就不再列出来了。

程序执行的效果：

上面服务器端显示selecet() is time-out!是指超过了你设置的传递给select的timeout时间后仍然没有socket发送数据过来，此时select会返回，但是可以从这个返回的状态码中判断是否有socket可读。

可执行文件可以在这里下载，工程文件可以在这里下载。

通俗易懂的socket select模型讲解

1. 阻塞与非阻塞

2.select介绍

3.操作fd_set的宏

4.自定义管理套接字的集合类SocketList

5.服务器端的实现

猜你喜欢