I/O多路转接之select（实现select版本的TCP服务器）

初识select

• 系统提供select函数来实现多路复用输入/输出模型.
• select系统调用是用来让我们的程序监视多个文件描述符的状态变化的;
• 程序会停在select这里等待，直到被监视的文件描述符有一个或多个发生了状态改变;

select函数原型

select的函数原型如下: #include <sys/select.h>

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

参数解释:

• 参数nfds是需要监视的最大的文件描述符值+1；
• rdset,wrset,exset分别对应于需要检测的可读文件描述符的集合，可写文件描述符的集合及异常文件描述符的集合;
• 参数timeout为结构timeval，用来设置select()的等待时间

参数timeout取值:

• NULL：则表示select（）没有timeout，select将一直被阻塞，直到某个文件描述符上发生了事件;
• 0：仅检测描述符集合的状态，然后立即返回，并不等待外部事件的发生。
• 特定的时间值：如果在指定的时间段里没有事件发生，select将超时返回。

fd_set结构

• 这个结构就是一个整数数组, 严格的说, 是一个 “位图”. 使用位图中对应的位来表示要监视的文件描述符.
• 提供了一组操作fd_set的接口, 来比较方便的操作位图.

void FD_CLR(int fd, fd_set *set); // 用来清除描述词组set中相关fd 的位
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set); // 用来测试描述词组set中相关fd 的位是否为真
void FD_SET(int fd, fd_set *set); // 用来设置描述词组set中相关fd的位
void FD_ZERO(fd_set *set); // 用来清除描述词组set的全部位

timeval结构

• timeval结构用于描述一段时间长度，如果在这个时间内，需要监视的描述符没有事件发生则函数返回，返回值为0。

函数返回值：

• 执行成功则返回文件描述词状态已改变的个数
• 如果返回0代表在描述词状态改变前已超过timeout时间，没有返回
• 当有错误发生时则返回-1，错误原因存于errno，此时参数readfds，writefds, exceptfds和timeout的值变成不可预测。
  错误值可能为：
  • EBADF 文件描述词为无效的或该文件已关闭
  • EINTR 此调用被信号所中断
  • EINVAL 参数n 为负值。
  • ENOMEM 核心内存不足

理解select执行过程：

• 理解select模型的关键在于理解fd_set,为说明方便，取fd_set长度为1字节，fd_set中的每一bit可以对应一个文件描述符fd。则1字节长的fd_set最大可以对应8个fd.
  （1）执行fd_set set; FD_ZERO(&set);则set用位表示是0000,0000。
  （2）若fd＝5,执行FD_SET(fd,&set);后set变为0001,0000(第5位置为1)
  （3）若再加入fd＝2，fd=1,则set变为0001,0011
  （4）执行select(6,&set,0,0,0)阻塞等待
  （5）若fd=1,fd=2上都发生可读事件，则select返回，此时set变为0000,0011。
  注意：没有事件发生的fd=5被清空。

socket就绪条件

读就绪

• socket内核中, 接收缓冲区中的字节数, 大于等于低水位标记SO_RCVLOWAT. 此时可以无阻塞的读该文件描述符, 并且返回值大于0;
• socket TCP通信中, 对端关闭连接, 此时对该socket读, 则返回0;
• 监听的socket上有新的连接请求;
• socket上有未处理的错误;

写就绪

• socket内核中, 发送缓冲区中的可用字节数(发送缓冲区的空闲位置大小), 大于等于低水位标记SO_SNDLOWAT, 此时可以无阻塞的写, 并且返回值大于0;
• socket的写操作被关闭(close或者shutdown). 对一个写操作被关闭的socket进行写操作, 会触发SIGPIPE信号;
• socket使用非阻塞connect连接成功或失败之后;
• socket上有未读取的错误;

异常就绪

• socket上收到带外数据. 关于带外数据, 和TCP紧急模式相关(TCP协议头中, 有一个紧急指针的字段)

select的特点

• 可监控的文件描述符个数取决与sizeof(fd_set)的值. 我这边服务器上sizeof(fd_set)＝512，每bit表示一个文件描述符，则我服务器上支持的最大文件描述符是512*8=4096.
• 将fd加入select监控集的同时，还要再使用一个数据结构array保存放到select监控集中的fd，
  • 一是用于再select 返回后，array作为源数据和fd_set进行FD_ISSET判断。
  • 二是select返回后会把以前加入的但并无事件发生的fd清空，则每次开始select前都要重新从array取得fd逐一加入(FD_ZERO最先)，扫描array的同时取得fd最大值maxfd，用于select的第一个参数。

select缺点

• 每次调用select, 都需要手动设置fd集合, 从接口使用角度来说也非常不便.
• 每次调用select，都需要把fd集合从用户态拷贝到内核态，这个开销在fd很多时会很大
• 同时每次调用select都需要在内核遍历传递进来的所有fd，这个开销在fd很多时也很大
• select支持的文件描述符数量太小.

实现select版本的TCP服务器

完整代码请前往我的GitHub仓库—>>点我哦

tcp_select_server.hpp

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#pragma once
#include"tcp_socket.hpp"
#include<signal.h>
#include<sys/select.h>
#include<sys/time.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<vector>

class Select{
  public:
    Select()
      :max_nfds_(-1)
    {
      FD_ZERO(&readfds);
    }
    bool Add(const TcpSocket& sock){
      FD_SET(sock.GetFd(),&readfds);
      if(sock.GetFd()>max_nfds_)
        max_nfds_=sock.GetFd();
      return true;
    }
    bool Del(const TcpSocket& sock){
      FD_CLR(sock.GetFd(),&readfds);
      for(int i=max_nfds_;i>=0;--i){
        if(FD_ISSET(i,&readfds)){
          max_nfds_=i;
          break;
        }
      }
      return true;
    }
    bool Wait(vector<TcpSocket>& list){
      fd_set set=readfds;
      int n=select(max_nfds_+1,&set,NULL,NULL,NULL);
      if(n<0){
        perror("select");
        return false;
      }
      else if(n==0){
        cout<<"select wait timeout!"<<endl;
        return false;
      }
      else{
        for(int i=0;i<=max_nfds_;++i){
          if(FD_ISSET(i,&set)){
            TcpSocket sock(i);
            list.push_back(sock);
          }
        }
        return true;
      }
    }
  private:
    int max_nfds_;
    fd_set readfds;
};


typedef void (*Handler)(const string& buf,string& ret);

class TcpSelectServer{
  public:
    TcpSelectServer()
    {}
    ~TcpSelectServer(){
      _sock.Close();
    }
    bool Start(const string& ip,const uint16_t port,Handler handler){
      if(_sock.Socket()==false)
        return false;
      if(_sock.Bind(ip,port)==false)
        return false;
      if(_sock.Listen()==false)
        return false;
      
      Select select;
      select.Add(_sock);

      while(1){
        vector<TcpSocket> list;
        if(select.Wait(list)==false)
          continue;
        int size=list.size();
        for(int i=0;i<size;++i){
          if(list[i].GetFd()==_sock.GetFd()){
            TcpSocket NewSock;
            string ClientIp;
            uint16_t ClientPort;
            if(_sock.Accept(&NewSock,ClientIp,ClientPort)==false)
              continue;
            printf("[%s:%d]客户端已连接！~\n",ClientIp.c_str(),ClientPort);
            select.Add(NewSock);
          }
          else{
            string msg;
            int n=list[i].Recv(msg);
            if(n==0){
              select.Del(list[i]);
              list[i].Close();
              continue;
            }else{
              cout<<"客户端发送："<<msg<<endl;
              string ret;
              handler(msg,ret);
              list[i].Send(ret);
            }
          }
        }
      }
      return true;
    }
  private:
    TcpSocket _sock;
};