Linux I/O复用之select函数详解

http://blog.csdn.net/y396397735/article/details/55004775

select函数的功能和调用顺序

使用select函数时统一监视多个文件描述符的：
1、是否存在套接字接收数据？
2、无需阻塞传输数据的套接字有哪些?
3、哪些套接字发生了异常？

select函数调用过程：
这里写图片描述
由上图知，调用select函数需要一些准备工作，调用后还需要查看结果。

设置文件描述符

select可以同时监视多个文件描述符（套接字）。
此时需要先将文件描述符集中到一起。集中时也要按照监视项（接收，传输，异常）进行区分，即按照上述3种监视项分成三类。
使用fd_set数组变量执行此项操作，该数组是存有0和1的位数组。

这里写图片描述

最左端的位表示文件描述符0（位置）。如果该位值为1，则表示该文件描述符是监视对象。
图上显然监视对象为fd1和fd3。

“是否应当通过文件描述符的数字直接将值注册到fd_set变量？”
当然不是！操作fd_set的值由如下宏来完成：

FD_ZERO(fd_set* fdset)：将fd_set变量的所有位初始化为0。
FD_SET（int fd, fd_set* fdset）:在参数fdset指向的变量中注册文件描述符fd的信息。
FD_CLR(int fd, fd_set* fdset)：参数fdset指向的变量中清除文件描述符fd的信息。
FD_ISSET(int fd, fd_set* fdset): 若参数fdset指向的变量中包含文件描述符fd的信息，则返回真。

画图解释：
这里写图片描述

设置监视范围及超时

select函数：

#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>int select(int maxfd, fd_set* readset, fd_set* writeset, fd_set* exceptset, const struct timeval* timeout);

其中参数和返回值：
maxfd：监视对象文件描述符数量。
readset: 将所有关注“是否存在待读取数据”的文件描述符注册到fd_set变量，并传递其地址值。
writeset: 将所有关注“是否可传输无阻塞数据”的文件描述符注册到fd_set变量，并传递其地址值。
exceptset: 将所有关注“是否发生异常”的文件描述符注册到fd_set变量，并传递其地址值。
timeout: 调用select后，为防止陷入无限阻塞状态，传递超时信息。
返回值：错误返回-1，超时返回0。因关注的事件返回时，返回大于0的值，该值是发生事件的文件描述符数。

select函数用来验证3种监视项的变化情况。根据监视项声明3个fd_set变量，分别向其注册文件描述符信息，并把变量的地址传递到函数的第二到第四个参数。但是，在调用select函数前需要决定2件事：
“文件描述符的监视范围是？”
“如何设定select函数的超时时间？”

第一，文件描述符的监视范围与第一个参数有关，实际上,select函数要求通过第一个参数传递监视对象文件描述符的数量。因此，需要得到注册在fd_set变量中的文件描述符数。但每次新建文件描述符时，其值都会增1，故只需将最大的文件描述符值加1再传递到select函数即可。（加1是因为文件描述符的值从0开始）
第二，超时时间与最后一个参数有关，其中timeval结构体如下：

struct timeval
{long tv_sec;long tv_usec;
};

本来select函数只有在监视文件描述符发生变化时才返回，未发生变化会进入阻塞状态。指定超时时间就是为了防止这种情况发生。
将上述结构体填入时间值，然后将结构体地址值传给select函数的最后一个参数，此时，即使文件描述符中未发生变化，只要过了指定时间，也可以从函数返回。不过这种情况下，select函数返回0。
不想设置超时最后一个参数只需要传递NULL。

调用select函数后查看结果

如果select返回值大于0，说明文件描述符发生了变化。

关于文件描述符变化：文件描述符变化是指监视的文件描述符中发生了相应的监视事件。例如通过select的第二个参数传递的集合中存在需要读取数据的描述符时，就意味着文件描述符发生变化。

怎样获知哪些文件描述符发生了变化？向select函数的第二到第四个参数传递的fd_set变量中将产生变化，如下图：

这里写图片描述

select函数调用完成后，向其传递的fd_set变量中将发生变化。原来为1的所有位均变为0，但发生变化的文件描述符对应位除外。因此，可以认为值为1的位置上的文件描述符发生了变化。

select函数调用实例

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/select.h>#define BUF_SIZE 30int main(int argc, char* argv[])
{fd_set reads, temps;int result, str_len;char buf[BUF_SIZE];struct timeval timeout;FD_ZERO(&reads);FD_SET(0, &reads);//监视文件描述符0的变化, 即标准输入的变化/*超时不能在此设置！因为调用select后，结构体timeval的成员tv_sec和tv_usec的值将被替换为超时前剩余时间.调用select函数前，每次都需要初始化timeval结构体变量.timeout.tv_sec = 5;timeout.tv_usec = 5000;*/while(1){/*将准备好的fd_set变量reads的内容复制到temps变量，因为调用select函数后，除了发生变化的fd对应位外，剩下的所有位都将初始化为0，为了记住初始值，必须经过这种复制过程。*/temps = reads;//设置超时timeout.tv_sec = 5;timeout.tv_usec = 0;//调用select函数. 若有控制台输入数据，则返回大于0的整数，如果没有输入数据而引发超时，返回0.result = select(1, &temps, 0, 0, &timeout);if(result == -1){perror("select() error");break;}else if(result == 0){puts("timeout");}else{//读取数据并输出if(FD_ISSET(0, &temps)){str_len = read(0, buf, BUF_SIZE);buf[str_len] = 0;printf("message from console: %s", buf);}}}return 0;
}程序运行结果：
/*
nihao
message from console: nihao
goodbye
message from console: goodbye
timeout
timeout
*/

select函数实现I/O复用服务端

服务端代码：

//server.c
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/select.h>#define BUF_SIZE 100void error_handing(char* buf);int main(int argc, char* argv[])
{int serv_sock, clnt_sock;struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;struct timeval timeout;fd_set reads, cpy_reads;socklen_t adr_sz;int fd_max, str_len, fd_num, i;char buf[BUF_SIZE];if(argc != 2){printf("Usage: %s <port> \n", argv[0]);exit(1);}serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));serv_adr.sin_family = AF_INET;serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));if(bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1)error_handing("bind() error");if(listen(serv_sock, 5) == -1)error_handing("listen() error");FD_ZERO(&reads);FD_SET(serv_sock, &reads); //将服务端套接字注册入fd_set,即添加了服务器端套接字为监视对象fd_max = serv_sock;while(1){cpy_reads = reads;timeout.tv_sec = 5;timeout.tv_usec = 5000;//无限循环调用select 监视可读事件if((fd_num = select(fd_max+1, &cpy_reads, 0, 0, &timeout)) == -1){perror("select error");break;}if(fd_num == 0)continue;for(i = 0; i < fd_max + 1; i++){if(FD_ISSET(i, &cpy_reads)){/*发生状态变化时,首先验证服务器端套接字中是否有变化.①若是服务端套接字变化，接受连接请求。②若是新客户端连接，注册与客户端连接的套接字文件描述符.*/if(i == serv_sock){adr_sz = sizeof(clnt_adr);clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr*)&clnt_adr, &adr_sz);FD_SET(clnt_sock, &reads);if(fd_max < clnt_sock)fd_max = clnt_sock;printf("connected client: %d \n", clnt_sock);}else    {str_len = read(i, buf, BUF_SIZE);if(str_len == 0)    //读取数据完毕关闭套接字{FD_CLR(i, &reads);//从reads中删除相关信息close(i);printf("closed client: %d \n", i);}else{write(i, buf, str_len);//执行回声服务  即echo}}}}}close(serv_sock);return 0;
}void error_handing(char* buf)
{fputs(buf, stderr);fputc('\n', stderr);exit(1);
}

客户端代码：

//client.c
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <string.h>
#define BUF_SIZE 1024void error_handling(char* message);int main(int argc, char* argv[])
{int sock;char message[BUF_SIZE];int str_len;struct sockaddr_in serv_adr;if(argc != 3){printf("Usage: %s <IP> <port> \n", argv[0]);exit(1);}sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);if(sock==-1)error_handling("socket error");memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));serv_adr.sin_family = AF_INET;serv_adr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));if(connect(sock, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr))==-1)error_handling("connect() error!");elseputs("connected....");while(1){fputs("Input message:(输入Q退出):", stdout);fgets(message, BUF_SIZE, stdin);if(!strcmp(message, "q\n") || !strcmp(message, "Q\n"))break;write(sock, message, strlen(message));str_len = read(sock, message, BUF_SIZE-1);message[str_len] = 0;printf("Message from server: %s", message);}close(sock);return 0;
}void error_handling(char* message)
{fputs(message, stderr);fputc('\n', stderr);exit(1);
}

编译执行测试：

编译程序：
gcc server.c –o server
gcc client.c –o client启动服务端：
yu@ubuntu:~/qtProjects/echo_selectserv$ ./server 8899启动客户端1：
yu@ubuntu:~/qtProjects/echo_selectserv$ ./client 127.0.0.1 8899
connected....
Input message:(输入Q退出):你好哇2017年2月12日20:25:43
Message from server: 你好哇2017年2月12日20:25:43
Input message:(输入Q退出):你好哇2017-02-12 20:25:52
Message from server: 你好哇2017-02-12 20:25:52
Input message:(输入Q退出):q启动客户端2：
yu@ubuntu:~/qtProjects/echo_selectserv$ ./client 127.0.0.1 8899
connected....
Input message:(输入Q退出):你好2017年2月12日20:25:11
Message from server: 你好2017年2月12日20:25:11
Input message:(输入Q退出):你好2017年2月12日20:25:24
Message from server: 你好2017年2月12日20:25:24
Input message:(输入Q退出):q服务端情况：
yu@ubuntu:~/qtProjects/echo_selectserv$ ./server 8899
connected client: 4 
connected client: 5 
closed client: 5 
closed client: 4