Linux IO多路复用之select

首先，我我们来介绍一下什么是IO多路复用：

IO多路复用是指内核一旦发现进程指定的一个或者多个IO条件准备读取，它就通知该进程。

IO多路复用适用如下场合：

当客户处理多个描述符时（一般是交互式输入和网络套接口），必须使用I/O复用。

当一个客户同时处理多个套接口时，而这种情况是可能的，但很少出现。

如果一个TCP服务器既要处理监听套接口，又要处理已连接套接口，一般也要用到I/O复用。

如果一个服务器即要处理TCP，又要处理UDP，一般要使用I/O复用。

如果一个服务器要处理多个服务或多个协议，一般要使用I/O复用。

目前支持I/O多路复用的系统调用有 select，pselect，poll，epoll，I/O多路复用就是通过一种机制，一个进程可以监视多个描述符，一旦某个描述符就绪（一般是读就绪或者写就绪），能够通知程序进行相应的读写操作。但select，pselect，poll，epoll本质上都是同步I/O，因为他们都需要在读写事件就绪后自己负责进行读写，也就是说这个读写过程是阻塞的，而异步I/O则无需自己负责进行读写，异步I/O的实现会负责把数据从内核拷贝到用户空间。

接下来，我们来看看select这个机制。

基本原理

select 函数监视的文件描述符分3类，分别是writefds、readfds、和exceptfds。调用后select函数会阻塞，直到有描述符就绪（有数据可读、可写、或者有except），或者超时（timeout指定等待时间，如果立即返回设为null即可），函数返回。当select函数返回后，可以通过遍历fdset，来找到就绪的描述符。

基本流程

我们用一张图来表示：
这里写图片描述

snipaste_20180906_073937

在select中，有一个缺陷就是单个进程能够监视的文件描述符的数量存在最大限制，单个进程可监视的fd数量被限制，即能监听端口的大小有限。一般来说这个数目和系统内存关系很大，具体数目可cat/proc/sys/fs/file-max察看。32位机默认是1024个。64位机默认是2048.

select本质上是通过设置或者检查存放fd标志位的数据结构来进行下一步处理，当套接字比较多的时候，每次select()都要通过遍历FD_SETSIZE个Socket来完成调度，不管哪个Socket是活跃的，都遍历一遍。这会浪费很多CPU时间，这是select的弊端。

我们再来看一下select函数：


#include <sys/select.h>


#include <sys/time.h>


#include <sys/types.h>


#include <unistd.h>

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

参数说明：

maxfdp：被监听的文件描述符的总数，它比所有文件描述符集合中的文件描述符的最大值大1，因为文件描述符是从0开始计数的；

readfds、writefds、exceptset：分别指向可读、可写和异常等事件对应的描述符集合。

timeout:用于设置select函数的超时时间，即告诉内核select等待多长时间之后就放弃等待。timeout == NULL 表示等待无限长的时间

timeval结构体定义如下：

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

返回值：超时返回0;失败返回-1；成功返回大于0的整数，这个整数表示就绪描述符的数目。

以下介绍与select函数相关的常见的几个宏：


#include <sys/select.h>   

int FD_ZERO(int fd, fd_set *fdset);   //一个 fd_set类型变量的所有位都设为 0
int FD_CLR(int fd, fd_set *fdset);  //清除某个位时可以使用
int FD_SET(int fd, fd_set *fd_set);   //设置变量的某个位置位
int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset); //测试某个位是否被置位

当声明了一个文件描述符集后，必须用FD_ZERO将所有位置零。

例子：使用select进行通信。

使用select以后最大的优势是用户可以在一个线程内同时处理多个socket的IO请求。在网络编程中，当涉及到多客户访问服务器的情况，我们首先想到的办法就是fork出多个进程来处理每个客户连接。现在，我们同样可以使用select来处理多客户问题，而不用fork。

代码：


#include <sys/types.h> 


#include <sys/socket.h> 


#include <stdio.h> 


#include <netinet/in.h> 


#include <sys/time.h> 


#include <sys/ioctl.h> 


#include <unistd.h> 


#include <stdlib.h>


int main() 
{ 
  int server_sockfd, client_sockfd; 
  int server_len, client_len; 
  struct sockaddr_in server_address; 
  struct sockaddr_in client_address; 
  int result; 
  fd_set readfds, testfds; 
  server_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);//建立服务器端socket 
  server_address.sin_family = AF_INET; 
  server_address.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); 
  server_address.sin_port = htons(8888); 
  server_len = sizeof(server_address); 
  bind(server_sockfd, (struct sockaddr *)&server_address, server_len); 
  listen(server_sockfd, 5); //监听队列最多容纳5个 
  FD_ZERO(&readfds); 
  FD_SET(server_sockfd, &readfds);//将服务器端socket加入到集合中
  while(1) 
  {
      char ch; 
      int fd; 
      int nread; 
      testfds = readfds;//将需要监视的描述符集copy到select查询队列中，select会对其修改，所以一定要分开使用变量 
      printf("server waiting\n"); 

      /*无限期阻塞，并测试文件描述符变动 */
      result = select(FD_SETSIZE, &testfds, (fd_set *)0,(fd_set *)0, (struct timeval *) 0); //FD_SETSIZE：系统默认的最大文件描述符
      if(result < 1) 
      { 
          perror("server5"); 
          exit(1); 
      } 

      /*扫描所有的文件描述符*/
      for(fd = 0; fd < FD_SETSIZE; fd++) 
      {
          /*找到相关文件描述符*/
          if(FD_ISSET(fd,&testfds)) 
          { 
            /*判断是否为服务器套接字，是则表示为客户请求连接。*/
              if(fd == server_sockfd) 
              { 
                  client_len = sizeof(client_address); 
                  client_sockfd = accept(server_sockfd, 
                  (struct sockaddr *)&client_address, &client_len); 
                  FD_SET(client_sockfd, &readfds);//将客户端socket加入到集合中
                  printf("adding client on fd %d\n", client_sockfd); 
              } 
              /*客户端socket中有数据请求时*/
              else 
              { 
                  ioctl(fd, FIONREAD, &nread);//取得数据量交给nread

                  /*客户数据请求完毕，关闭套接字，从集合中清除相应描述符 */
                  if(nread == 0) 
                  { 
                      close(fd); 
                      FD_CLR(fd, &readfds); //去掉关闭的fd
                      printf("removing client on fd %d\n", fd); 
                  } 
                  /*处理客户数据请求*/
                  else 
                  { 
                      read(fd, &ch, 1); 
                      sleep(5); 
                      printf("serving client on fd %d\n", fd); 
                      ch++; 
                      write(fd, &ch, 1); 
                  } 
              } 
          } 
      } 
  } 

  return 0;
}



客户端

//客户端

#include <sys/types.h> 


#include <sys/socket.h> 


#include <stdio.h> 


#include <netinet/in.h> 


#include <arpa/inet.h> 


#include <unistd.h> 


#include <stdlib.h>


#include <sys/time.h>


int main() 
{ 
  int client_sockfd; 
  int len; 
  struct sockaddr_in address;//服务器端网络地址结构体 
   int result; 
  char ch = 'A'; 
  client_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);//建立客户端socket 
  address.sin_family = AF_INET; 
  address.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
  address.sin_port = htons(8888); 
  len = sizeof(address); 
  result = connect(client_sockfd, (struct sockaddr *)&address, len); 
  if(result == -1) 
  { 
       perror("oops: client2"); 
       exit(1); 
  } 
  //第一次读写
  write(client_sockfd, &ch, 1); 
  read(client_sockfd, &ch, 1); 
  printf("the first time: char from server = %c\n", ch); 
  sleep(5);

  //第二次读写
  write(client_sockfd, &ch, 1); 
  read(client_sockfd, &ch, 1); 
  printf("the second time: char from server = %c\n", ch);

  close(client_sockfd); 

  return 0; 
}

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