Linux网络编程 - select

接下来几篇文章，我们将把注意力放在高并发高性能的网络服务器程序上。

I/O 多路复用

前面文章设计的程序，都是从标准输入接收数据输入，然后通过套接字发送出去，同时，该程序也通过套接字接收对方发送的数据流。我们可以使用 fgets 方法等待标准输入，但是这样就没有办法在套接字有数据的时候读出数据。我们也可以使用 read 方法等待套接字有数据返回，但是这样做也没有办法在标准输入有数据的情况下，读入数据并发送给对方。

I/O 多路复用的设计初衷就是解决这样的场景。我们可以把标准输入、套接字等都看做 I/O 的一路，多路复用的意思，就是在任何一路 I/O 有“事件”发生的情况下，通知应用程序去处理相应的 I/O 事件，这样我们的程序就变成了“多面手”，在同一时刻仿佛可以处理多个 I/O 事件。

select 函数就是这样一种常见的 I/O 多路复用技术，我们将在后面继续讲解其他的多路复用技术。使用 select 函数，通知内核挂起进程，当一个或多个 I/O 事件发生后，控制权返还给应用程序，由应用程序进行 I/O 事件的处理。

这些 I/O 事件的类型非常多，比如：

标准输入文件描述符准备好可以读。
监听套接字准备好，新的连接已经建立成功。
已连接套接字准备好可以写。
如果一个 I/O 事件等待超过了 10 秒，发生了超时事件。

select 函数的使用方法

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

返回：若有就绪描述符则为其数目，若超时则为0，若出错则为-1

在这个函数中，maxfd 表示的是待测试的描述符基数，它的值是待测试的最大描述符加 1。Linux系统中select支持的maxfd的最大值为1024，于是之前的数组大小就可以计算出来是32。比如现在的 select 待测试的描述符集合是{0,1,4}，那么 maxfd 就是 5。紧接着的是三个描述符集合，分别是读描述符集合 readset、写描述符集合 writeset 和异常描述符集合 exceptset，这三个分别通知内核，在哪些描述符上检测数据可以读，可以写和有异常发生。三个描述符集合中的每一个都可以设置成空，这样就表示不需要内核进行相关的检测。

void FD_ZERO(fd_set *fdset);　　　　　　
void FD_SET(int fd, fd_set *fdset);　　
void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset);　　　
int  FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset);

利用上面这些宏，可以设置描述符集合。怎么去理解他们？下面有一个向量，代表了一个描述符集合，其中的每个元素都是二进制中的0或者1：

a[maxfd-1], ..., a[1], a[0]

FD_ZERO 用来将这个向量的所有元素都设置成 0；

FD_SET 用来把对应套接字 fd 的元素，a[fd]设置成 1；

FD_CLR 用来把对应套接字 fd 的元素，a[fd]设置成 0；

FD_ISSET 对这个向量进行检测，判断出对应套接字的元素 a[fd]是 0 还是 1。

实际上，很多系统是用一个整型数组来表示一个描述字集合的，一个 32 位的整型数可以表示 32 个描述字，例如第一个整型数表示 0-31 描述字，第二个整型数可以表示 32-63 描述字，以此类推。像下面这样：

00000000 00000000 00000000 10010010

这个32bit分别表示了描述字7，4和1设置为1，其他的设置为0。

最后一个参数是 timeval 结构体时间：

struct timeval {
  long   tv_sec; /* seconds */
  long   tv_usec; /* microseconds */
};

这个参数设置成不同的值，会有不同的可能：第一个可能是设置成空 (NULL)，表示如果没有 I/O 事件发生，则 select 一直等待下去。第二个可能是设置一个非零的值，这个表示等待固定的一段时间后从 select 阻塞调用中返回，这在前面的例子里使用过。第三个可能是将 tv_sec 和 tv_usec 都设置成 0，表示根本不等待，检测完毕立即返回。这种情况使用得比较少。

看下面的程序，来深入理解一下select函数的使用：

int main(int argc, char **argv) {
    if (argc != 2) {
        printf("usage: select01 <IPaddress>\n");
        return 0;
    }
    int sockfd;
    int connect_rt;
    struct sockaddr_in serv_addr;

    sockfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_port = htons(7878);
    inet_pton(AF_INET, "192.168.133.131", &serv_addr.sin_addr);
    connect_rt = connect(sockfd, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));
    if (connect_rt < 0)
    {
        fprintf(stderr, "Connect failed !\n");
        exit(0);
    }

    char recv_line[MAXLINE], send_line[MAXLINE];
    int n;
    fd_set readmask;
    fd_set allreads;
    FD_ZERO(&allreads);
    FD_SET(0, &allreads);
    FD_SET(socket_fd, &allreads);

    for (;;) {
        readmask = allreads;
        int rc = select(socket_fd + 1, &readmask, NULL, NULL, NULL);
        if (rc <= 0) {
            printf("select failed");
            exit(0);
        }

        if (FD_ISSET(socket_fd, &readmask)) {
            n = read(socket_fd, recv_line, MAXLINE);
            if (n < 0) {
                printf("read error\n");
                continue;
            } else if (n == 0) {
                printf("server terminated \n");
                continue;
            }
            recv_line[n] = 0;
            fputs(recv_line, stdout);
            fputs("\n", stdout);
        }
        if (FD_ISSET(stdin, &readmask)) {
            if (fgets(send_line, MAXLINE, stdin) != NULL) {
                int i = strlen(send_line);
                if (send_line[i - 1] == '\n') {
                    send_line[i - 1] = 0;
                }

                printf("now sending %s\n", send_line);
                size_t rt = write(socket_fd, send_line, strlen(send_line));
                if (rt < 0) {
                    printf("write failed \n");
                    continue;
                }
                printf("send bytes: %zu \n", rt);
            }
        }
    }
}

程序中通过 FD_ZERO 初始化了一个描述符集合，这个描述符读集合是空的：