Linux之·网络编程·I/O复用·select

系列文章目录

文章目录

前言
一、概述
- 1.1 介绍IO复用的概念和作用
- - 1.1.1 I/O复用具体使用的场景
  - 1.1.2 I/O复用常用函数
二、select函数的重要性和用途
- 2.1 基本的select函数
- 2.2 如何使用FD_SET、FD_CLR等宏来设置和清除文件描述符集合
- 2.3 select()函数函数整体使用框架：
- 2.4 如何使用select函数同时监听多个文件描述符
- 2.5 如何使用select函数处理超时情况
- - 2.5.1 网络编程为什么需要超时检测？
三、实例演示
- 3.1 select函数的应用对比
总结

前言

Linux下进行网络编程时会有同步/异步，阻塞和非阻塞四种调用方式

同步和异步的概念描述的是用户线程与内核的交互方式：

同步： 同步是指用户线程发起IO请求后需要等待或者轮询内核IO操作完成后才能继续执行；
异步： 异步是指用户线程发起IO请求后仍继续执行，当内核IO操作完成后通知用户线程，或是调用用户线程注册的回调函数。

阻塞和非阻塞的概念描述的是用户线程调用内核IO操作的方式：

阻塞： 阻塞是指IO操作在没有接受完数据或者是没有得到结果前不会返回，需要彻底完成后才能返回到用户空间；
非阻塞： 非阻塞是指IO操作被调用后立即返回给用户一个状态值，无需等到IO操作彻底完成后，此时会持续一个轮询状态直到得出结果。

操作系统的五种IO模型

同步阻塞IO

传统的IO模型，也是最常见，最简单的IO模型，在Linux中默认情况下所有的socket都是阻塞模式。
当用户进程调用read()系统调用时，会从用户进程空间转到内核空间处理，内核会等待数据（因为对于网络IO来说，很多时候数据一开始还未到达）此时进程会处于阻塞状态，直到数据到达后内核会将数据拷贝到用户内存中，然后内核返回结果，用户进程解除阻塞状态，重新开始运行。

同步非阻塞IO

用户线程在发起IO请求后可以立即返回，如果此次读操作未取到数据，用户线程需要不断地发起IO请求，直到数据到达后读取数据，线程继续执行。

IO多路复用

多路复用IO是在高并发场景中使用最为广泛的一种IO模型。在并发环境下，多个线程需要向内核获取数据，而数据获取时间未知因此会发生阻塞，此时就会消耗操作系统的资源。IO多路复用是建立在内核提供的多路分离函数select基础之上的，使用select函数可以避免同步非阻塞IO模型中轮询的问题，使用一个线程监控多个线程（文件描述符），这样就可以只需要一个线程就可以完成数据状态的询问操作，只要有一个线程的相关数据就绪就可以分配对于的线程获取数据。

信号驱动IO

当用户线程发起一个IO请求操作时，会给对应的socket注册一个信号函数，调用sigaltion系统调用，然后用户线程会继续执行，当内核数据就绪时会发送一个信号给用户线程，提醒用户线程读取数据。

异步IO
异步IO即经典的Proactor设计模式，也称为异步非阻塞IO。在异步IO模型中，当用户线程收到通知时，数据已经被内核读取完毕，（与信号驱动IO不同，收到通知时数据到达内核）并放在了用户线程指定缓冲区内，内核在IO完成后通知用户线程直接使用即可。

同步阻塞IO、同步非阻塞IO、IO多路复用、信号驱动IO都是同步IO，用户线程是会阻塞的，内核等待数据直至数据准备好，将数据从内核拷贝到用户空间，内核返回结果，用户线程继续运行。异步IO不需要考虑整个IO操作是如何运行的，只需要发起请求，接收到内核返回成功信号时IO操作已经完成，直接使用数据。
但相比与IO多路复用模型，信号驱动IO和异步IO并不十分受用，不少高性能并发服务持续使用IO多路复用+多线程任务处理的架构基本可以满足需求。

一、概述

1.1 介绍IO复用的概念和作用

概念

IO复用（Input/Output Multiplexing） 是一种高效的IO模型，一种处理多个输入输出流的方法，它能够在一个线程中同时管理多个IO操作。IO复用通过操作系统提供的机制，使得一个线程能够同时监听多个文件描述符（Socket、文件等），并在有IO事件发生时进行处理。

作用

1.提高系统的资源利用率：传统的IO模型中，每个IO操作都需要创建一个线程进行处理，而线程的创建和销毁会消耗较大的系统资源。使用IO复用模型，多个IO操作可以在同一个线程中进行管理，避免了频繁的线程创建和销毁，从而提高了系统的资源利用率。

2.提高系统的并发性能：传统的IO模型中，一个线程只能同时处理一个IO操作，无法同时处理多个IO操作。使用IO复用模型，一个线程可以同时监听多个IO事件，当有IO事件发生时，可以及时进行处理，从而提高了系统的并发性能。

3.简化系统设计和编程：使用IO复用模型，可以将IO操作的管理和处理逻辑集中到一个线程中，简化了系统的设计和编程。同时，由于只需要维护一个线程，也减少了线程之间的同步和通信的开销。

常见的IO复用机制包括：select、poll、epoll等，它们在实现上有所差异，但都实现了IO复用的功能。

1.1.1 I/O复用具体使用的场景

当客户处理多个描述符（通常是交互式输入、网络套接字）时，必须使用I/O复用。
tcp服务器既要处理监听套接字，又要处理已连接套接字，一般要使用I/O复用。
如果一个服务器既要处理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服务时，一般要使用I/O复用。

1.1.2 I/O复用常用函数

select()、poll()、epoll()

二、select函数的重要性和用途

select函数是一个用于多路复用的系统调用，用于监视多个文件描述符的状态，当其中任意一个文件描述符准备就绪时，select函数会返回该文件描述符的信息。其重要性和用途如下：

实现多路复用： 在单线程程序中同时监听多个文件描述符的状态，以实现并发处理多个输入或输出操作。通过select函数，可以将程序从阻塞模式转换为非阻塞模式，提高程序的响应性能。
提高系统资源利用率： 通过多路复用技术，可以使用一个线程同时处理多个客户端连接请求，避免为每个连接创建一个线程，从而减少线程的创建和销毁的开销，提高系统的资源利用率。
网络编程中的应用： 在网络编程中，select函数常用于监听多个套接字的状态变化，如接收客户端的连接请求、读取客户端发送的数据等，从而实现高效的网络通信。
IO多路复用框架中的基础组件： 在许多IO多路复用框架（如epoll、kqueue等）的实现中，select函数常作为基础组件，用于监听文件描述符的状态变化。通过select函数，可以实现高效、可扩展的IO多路复用框架，提供高性能的网络服务。

select函数在多路复用、网络编程和IO多路复用框架中都具有重要的作用，能够提高程序的性能和资源利用率。

2.1 基本的select函数

函数原型：int select(int maxfd, fd_set *readset, fd_set *writeset, fd_set *exceptset, const struct timeval *timeout);
函数功能：轮询扫描多个描述符中的任一描述符是否发生响应，或经过一段时间后唤醒
参	 数：
参数	  名称	                    说明
maxfd	  指定要检测的描述符的范围	所检测描述符最大值+1
readset   可读描述符集               监测该集合中的任意描述符是否有数据可读
writeset  可写描述符集               监测该集合中的任意描述符是否有数据可写
exceptset 异常描述符集               监测该集合中的任意描述符是否发生异常
timeout   超时时间                   超过规定时间后唤醒
——————————————————————————————————————————————————————————————————————————
timeout：指定select函数的超时时间，有以下三种情况：如果timeout为NULL，表示select函数将一直阻塞，直到有文件描述符就绪。
如果timeout为0，表示select函数立即返回，不阻塞，用于轮询文件描述符的状态。
如果timeout大于0，表示select函数将阻塞指定的时间，超过时间后没有文件描述符就绪，则返回0。返回值：select函数的返回值是就绪描述符的数目，返回值小于0，出错；返回值等于0，超时；返回值大于0（准备好的文件描述符数量），有事件发生。

头文件：

#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>

超时时间：

//该结构体表示等待超时的时间
struct timeval{long tv_sec;//秒long tv_usec;//微秒
};//比如等待10.2秒
struct timeval timeout;
timeoout.tv_sec = 10;
timeoout.tv_usec = 200000;//将select函数的timeout参数设置为NULL则永远等待

描述符集合的操作：

select()函数能对多个文件描述符进行监测，如果一个参数对应一个描述符，那么select函数的4个参数最多能监测4个文件描述，那他如何实现对多个文件描述符的监测的呢？

大家想一想文件描述符基本具有3种特性（读、写、异常），如果我们统一将监测可读的描述符放入可读集合（readset），监测可写的描述符放入可写集合（writeset），监测异常的描述符放入异常集合（exceptset）。然后将这3个集合传给select函数，是不是就可监测多个描述符呢。

如何将某个描述符加入到特定的集合中呢？这时就需要了解下面的集合操作函数

//初始化描述符集
void FD_ZERO(fd_set *fdset);//将一个描述符添加到描述符集
void FD_SET(int fd, fd_set *fdset);//将一个描述符从描述符集中删除
void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset);//检测指定的描述符是否有事件发生
int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset);

2.2 如何使用FD_SET、FD_CLR等宏来设置和清除文件描述符集合

要设置文件描述符集合，可以使用FD_SET宏。这个宏的语法是：

 void FD_SET(int fd, fd_set *set);

其中，fd是要设置的文件描述符，set是要对其进行设置的文件描述符集合。

要清除文件描述符集合，可以使用FD_CLR宏。这个宏的语法是：

void FD_CLR(int fd, fd_set *set);

其中，fd是要清除的文件描述符，set是要对其进行清除的文件描述符集合。

使用这些宏时，首先要创建一个fd_set类型的变量，用来表示文件描述符集合。然后，可以使用FD_SET宏将文件描述符加入集合，或者使用FD_CLR宏将文件描述符从集合中清除。

例如，以下代码示例展示了如何使用FD_SET和FD_CLR宏来设置和清除文件描述符集合：

#include <stdio.h>
#include <sys/select.h>int main() {// 创建一个文件描述符集合fd_set fds;// 初始化文件描述符集合为空FD_ZERO(&fds);// 将文件描述符 0 和 1 加入集合FD_SET(0, &fds);FD_SET(1, &fds);// 从集合中清除文件描述符 0FD_CLR(0, &fds);// 检查文件描述符 0 在集合中是否存在if (FD_ISSET(0, &fds)) {printf("文件描述符 0 存在于集合中\n");} else {printf("文件描述符 0 不存在于集合中\n");}return 0;
}

这段代码首先创建了一个文件描述符集合fds，并使用FD_ZERO宏将其初始化为空集合。

然后，使用FD_SET宏将文件描述符0和1加入集合。

接着，使用FD_CLR宏将文件描述符0从集合中清除。

最后，使用FD_ISSET宏来检查文件描述符0是否存在于集合中，并根据结果打印相应的信息。

2.3 select()函数函数整体使用框架：

示例：检测 0、4、5 描述符是否准备好读

while(1)
{fd_set rset;//创建一个描述符集rsetFD_ZERO(&rset);//对描述符集rset清零FD_SET(0, &rset);//将描述符0加入到描述符集rset中FD_SET(4, &rset);//将描述符4加入到描述符集rset中FD_SET(5, &rset);//将描述符5加入到描述符集rset中if(select(5+1, &rset, NULL, NULL, NULL) > 0){if(FD_ISSET(0, &rset)){//描述符0可读及相应的处理代码}if(FD_ISSET(4, &rset)){//描述符4可读及相应的处理代码}if(FD_ISSET(5, &rset)){//描述符5可读及相应的处理代码}}
}

2.4 如何使用select函数同时监听多个文件描述符

在使用select函数同时监听多个文件描述符时，需要按照以下步骤进行操作：

创建一个fd_set变量，并将需要监听的文件描述符添加到fd_set中。可以使用宏FD_ZERO将fd_set清空，并使用宏FD_SET将需要监听的文件描述符添加到fd_set中。

设置超时时间。可以创建一个timeval结构体，并设置其成员tv_sec和tv_usec来指定超时的秒数和微秒数。如果不需要设置超时时间，可以将timeval结构体设置为NULL。

调用select函数，传入要监听的最大文件描述符值加1，以及被监听的fd_set变量和超时时间。根据函数的返回值来判断哪些文件描述符处于可读状态。

使用宏FD_ISSET来检查文件描述符是否在返回的fd_set中，如果在则表示该文件描述符处于可读状态，可以进行相应的读操作。

示例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>int main() {int fd1, fd2;  // 需要监听的文件描述符int maxfd;     // 最大文件描述符值加1fd_set readfds;      // 监听的文件描述符集合struct timeval timeout;   // 超时时间int ret;// 创建文件描述符fd1 = open("file1.txt", O_RDONLY);fd2 = open("file2.txt", O_RDONLY);// 设置超时时间为5秒timeout.tv_sec = 5;timeout.tv_usec = 0;// 清空fd_setFD_ZERO(&readfds);// 将需要监听的文件描述符添加到fd_set中FD_SET(fd1, &readfds);FD_SET(fd2, &readfds);// 获取最大文件描述符值加1maxfd = (fd1 > fd2) ? fd1 : fd2;// 监听文件描述符ret = select(maxfd + 1, &readfds, NULL, NULL, &timeout);if (ret == -1) {perror("select");exit(1);} else if (ret == 0) {printf("Timeout\n");} else {// 读取可读文件描述符的数据if (FD_ISSET(fd1, &readfds)) {// fd1处于可读状态// 进行读取操作}if (FD_ISSET(fd2, &readfds)) {// fd2处于可读状态// 进行读取操作}}// 关闭文件描述符close(fd1);close(fd2);return 0;
}

在以上示例代码中，我们使用了两个文件描述符fd1和fd2，并将它们添加到fd_set中进行监听。设置了超时时间为5秒，并使用select函数监听这两个文件描述符。在select函数返回后，使用FD_ISSET宏来检查文件描述符是否处于可读状态，并进行相应的读取操作。

需要注意的是，在select函数返回后，文件描述符集合readfds会被修改为只包含处于可读状态的文件描述符，因此在下一次调用select函数时需要重新设置监听的文件描述符。

2.5 如何使用select函数处理超时情况

2.5.1 网络编程为什么需要超时检测？

在网络编程中，我们通常使用套接字（sockets）进行网络通信。当进行连接、发送和接收数据等操作时，可能会遇到以下情况导致阻塞：

（1）网络故障： 当网络出现问题时，连接、发送和接收数据可能会永远无法完成，导致程序长时间阻塞。
（2）对端无响应： 当尝试建立连接或发送数据时，对端可能没有响应，导致程序一直等待。
为了避免以上问题，我们需要在进行网络操作时设置合理的超时检测机制，使程序能够在合理的时间内做出响应，增加程序的健壮性。

使用select函数来处理超时情况，可按照以下步骤进行：

创建一个fd_set类型的集合，并将需要监视的文件描述符添加到该集合中。

创建一个struct timeval类型的变量，设置超时时间。

调用select函数，传入集合最大的文件描述符加1、待监视的集合、空集合和超时时间。

检查select函数的返回值，如果返回0，则表示超时；如果返回-1，则表示出现错误；如果返回大于0，则表示有就绪的文件描述符。

可以通过FD_ISSET宏来检查特定的文件描述符是否就绪。

示例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>int main() {int fd;fd_set rfds;struct timeval tv;int retval;// 创建文件描述符fd = open("file.txt", O_RDONLY);if (fd == -1) {perror("open");exit(1);}// 清空集合FD_ZERO(&rfds);// 将文件描述符添加到集合中FD_SET(fd, &rfds);// 设置超时时间为5秒tv.tv_sec = 5;tv.tv_usec = 0;// 调用select函数retval = select(fd+1, &rfds, NULL, NULL, &tv);if (retval == -1) {perror("select");exit(1);} else if (retval == 0) {printf("超时\n");} else {if (FD_ISSET(fd, &rfds)) {printf("文件描述符可读\n");// 在这里进行读取文件操作}}return 0;
}

以上代码会监视一个文件描述符，如果在5秒内有数据可读，则输出"文件描述符可读"；如果超过5秒仍然没有数据可读，则输出"超时"。

三、实例演示

3.1 select函数的应用对比

我们通过udp多线程收发的例子来说明select相较于多线程的妙处。
通过多线程来实现收发
示例1：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>#include <unistd.h>
#include <pthread.h>void *recv_thread(void* arg)
{int udpfd = (int)arg;struct sockaddr_in addr;socklen_t addrlen = sizeof(addr);bzero(&addr,sizeof(addr));while(1){char buf[200]  = "";char ipbuf[16] = "";recvfrom(udpfd, buf, sizeof(buf), 0, (struct sockaddr*)&addr, &addrlen);printf("\r\033[31;1m[%s]:\033[32;1m%s\n",inet_ntop(AF_INET,&addr.sin_addr,ipbuf,sizeof(ipbuf)),buf);write(1,"UdpServerRecv:",14);}return NULL;
}int main(int argc,char *argv[])
{char buf[100] = "";int  udpfd = 0;pthread_t tid;struct sockaddr_in addr;struct sockaddr_in cliaddr;bzero(&addr,sizeof(addr));addr.sin_family = AF_INET;addr.sin_port   = htons(8000);addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);bzero(&cliaddr,sizeof(cliaddr));cliaddr.sin_family = AF_INET;cliaddr.sin_port   = htons(8001);if( (udpfd = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM, 0)) < 0){perror("socket error");exit(-1);}if(bind(udpfd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr)) < 0){perror("bind error");close(udpfd);exit(-1);}printf("input: \"connect 192.168.111.X\" to sendmsg to somebody\n");pthread_create(&tid, NULL, recv_thread, (void*)udpfd);printf("\033[32m");fflush(stdout);while(1){write(1,"UdpServerSend:",14);fgets(buf, sizeof(buf), stdin);buf[strlen(buf) - 1] = '\0';if(strncmp(buf, "connect ", 8) == 0){char ipbuf[INET_ADDRSTRLEN] = "";inet_pton(AF_INET, buf+8, &cliaddr.sin_addr);printf("\rconnect %s successful!\n",inet_ntop(AF_INET,&cliaddr.sin_addr,ipbuf,sizeof(ipbuf)));continue;}else if(strncmp(buf, "exit",4) == 0){close(udpfd);printf("\033[0m\n");exit(0);}sendto(udpfd, buf, strlen(buf),0,(struct sockaddr*)&cliaddr, sizeof(cliaddr));}return 0;
}

运行结果：
在这里插入图片描述
使用select来完成上述同样的功能：
示例2：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>#include<sys/select.h>int main()
{int udpfd = 0;struct sockaddr_in saddr;struct sockaddr_in caddr;bzero(&saddr,sizeof(saddr));saddr.sin_family = AF_INET;saddr.sin_port   = htons(8000);saddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);bzero(&caddr,sizeof(caddr));caddr.sin_family  = AF_INET;caddr.sin_port    = htons(8001);//创建套接字if( (udpfd = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM, 0)) < 0){perror("socket error");exit(-1);}//套接字端口绑字if(bind(udpfd, (struct sockaddr*)&saddr, sizeof(saddr)) != 0){perror("bind error");close(udpfd);exit(-1);}printf("input: \"connect 192.168.111.X\" to sendmsg to somebody\033[32m\n");while(1){char buf[100]="";fd_set rset;    //创建文件描述符的聚合变量FD_ZERO(&rset); //文件描述符聚合变量清0FD_SET(0, &rset);//将标准输入添加到文件描述符聚合变量中FD_SET(udpfd, &rset);//将udpfd添加到文件描述符聚合变量中//printf("\033[36;1mudpfd = %d\033[0m\n",udpfd);write(1,"Udp_Server:",11);if(select(udpfd + 1, &rset, NULL, NULL, NULL) > 0){if(FD_ISSET(0, &rset))//测试0是否可读写{fgets(buf, sizeof(buf), stdin);buf[strlen(buf) - 1] = '\0';if(strncmp(buf, "connect", 7) == 0){char ipbuf[16] = "";inet_pton(AF_INET, buf+8, &caddr.sin_addr);//给addr套接字地址再赋值.printf("\rSend to %s\n",inet_ntop(AF_INET,&caddr.sin_addr,ipbuf,sizeof(ipbuf)));continue;}else if(strcmp(buf, "exit")==0){close(udpfd);exit(0);}sendto(udpfd, buf, strlen(buf),0,(struct sockaddr*)&caddr, sizeof(caddr));}if(FD_ISSET(udpfd, &rset))//测试udpfd是否可读写{struct sockaddr_in addr;char ipbuf[INET_ADDRSTRLEN] = "";socklen_t addrlen = sizeof(addr);bzero(&addr,sizeof(addr));recvfrom(udpfd, buf, 100, 0, (struct sockaddr*)&addr, &addrlen);printf("\r\033[31m[%s]:\033[32m%s\n",inet_ntop(AF_INET,&addr.sin_addr,ipbuf,sizeof(ipbuf)),buf);}}}return 0;
}