C++笔记：select多路复用机制

转载：http://blog.csdn.net/qdx411324962/article/details/42499535

函数作用：

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句柄的状态变化的。程序会停在select这里等待，直到被监视的文件句柄有一个或多个发生了状态改变。关于文件句柄，其实就是一个整数，我们最熟悉的句柄是0、1、2三个，0是标准输入，1是标准输出，2是标准错误输出。0、1、2是整数表示的，对应的FILE *结构的表示就是stdin、stdout、stderr。

函数原型：

  int select(int maxfd,fd_set *rdset,fd_set *wrset, \  
            fd_set *exset,struct timeval *timeout);  
 

参数说明：

参数maxfd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。struct 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。

下面的宏提供了处理这三种描述词组的方式:
FD_CLR(inr fd,fd_set* set)；用来清除描述词组set中相关fd 的位
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
FD_SET（int fd,fd_set*set）；用来设置描述词组set中相关fd的位
FD_ZERO（fd_set *set）；用来清除描述词组set的全部位

参数timeout为结构timeval，用来设置select()的等待时间，其结构定义如下：

  struct timeval  
 {  
     time_t tv_sec;//second  
     time_t tv_usec;//minisecond  
 };  
 

如果参数timeout设为：

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。

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

常见的程序片段如下：

fs_set readset；
FD_ZERO(&readset);
FD_SET(fd,&readset);
select(fd+1,&readset,NULL,NULL,NULL);
if(FD_ISSET(fd,readset){……}

理解select模型：

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。

　基于上面的讨论，可以轻松得出select模型的特点：

　　（1)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。据说可调，另有说虽然可调，但调整上限受于编译内核时的变量值。本人对调整fd_set的大小不太感兴趣，参考http://www.cppblog.com /CppExplore/archive/2008/03/21/45061.html中的模型2（1）可以有效突破select可监控的文件描述符上限。

　　（2）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。

　　（3）可见select模型必须在select前循环array（加fd，取maxfd），select返回后循环array（FD_ISSET判断是否有时间发生）。

下面给一个伪码说明基本select模型的服务器模型：

  array[slect_len];  
 　nSock=0;  
 　array[nSock++]=listen_fd;(之前listen port已绑定并listen)  
 　maxfd=listen_fd;  
   
 　while(1){  
   
 　　FD_ZERO(&set);  
   
 　　foreach (fd in array)  
 　　{  
     　　fd大于maxfd，则maxfd=fd  
     　　FD_SET(fd,&set)  
 　　}  
   
 　　res=select(maxfd+1,&set,0,0,0)；  
   
 　　if(FD_ISSET(listen_fd,&set))  
 　　{  
     　　newfd=accept(listen_fd);  
     　　array[nsock++]=newfd;  
     　　if(--res<=0) continue;  
 　　}  
   
 　　foreach 下标1开始 (fd in array)  
 　　{  
     　　if(FD_ISSET(fd,&tyle="COLOR: #ff0000">set))  
     　　执行读等相关操作  
     　　如果错误或者关闭，则要删除该fd，将array中相应位置和最后一个元素互换就好，nsock减一  
     　　if(--res<=0) continue;  
 　　}  
   
 　}  
 

检测键盘有无输入，完整的程序如下：

  #include<sys/time.h>  
 #include<sys/types.h>  
 #include<unistd.h>  
 #include<string.h>  
 #include<stdlib.h>  
 #include<stdio.h>  
 int main()  
 {  
         char buf[10]="";  
         fd_set rdfds;  
         struct timeval tv;  
         int ret;  
         FD_ZERO(&rdfds);  
         FD_SET(0,&rdfds);   //文件描述符0表示stdin键盘输入  
         tv.tv_sec = 3;  
         tv.tv_usec = 500;  
         ret = select(1,&rdfds,NULL,NULL,&tv);  
         if(ret<0)  
               printf("\n selcet");  
         else if(ret == 0)  
               printf("\n timeout");  
         else  
               printf("\n ret = %d",ret);  
   
         if(FD_ISSET(1,&rdfds))  //如果有输入，从stdin中获取输入字符  
         {  
               printf("\n reading");  
               fread(buf,9,1,stdin);  
          }  
          write(1,buf,strlen(buf));  
          printf("\n %d \n",strlen(buf));  
          return 0;  
 }  
 //执行结果ret = 1.  
 

利用Select模型，设计的web服务器：

  #include <stdio.h>  
 #include <stdlib.h>  
 #include <unistd.h>  
 #include <errno.h>  
 #include <string.h>  
 #include <sys/types.h>  
 #include <sys/socket.h>  
 #include <netinet/in.h>  
 #include <arpa/inet.h>  
   
 #define MYPORT 88960    // the port users will be connecting to  
   
 #define BACKLOG 10     // how many pending connections queue will hold  
   
 #define BUF_SIZE 200  
   
 int fd_A[BACKLOG];    // accepted connection fd  
 int conn_amount;    // current connection amount  
   
 void showclient()  
 {  
     int i;  
     printf("client amount: %d\n", conn_amount);  
     for (i = 0; i < BACKLOG; i++) {  
         printf("[%d]:%d  ", i, fd_A[i]);  
     }  
     printf("\n\n");  
 }  
   
 int main(void)  
 {  
     int sock_fd, new_fd;  // listen on sock_fd, new connection on new_fd  
     struct sockaddr_in server_addr;    // server address information  
     struct sockaddr_in client_addr; // connector's address information  
     socklen_t sin_size;  
     int yes = 1;  
     char buf[BUF_SIZE];  
     int ret;  
     int i;  
   
     if ((sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1) {  
         perror("socket");  
         exit(1);  
     }  
   
     if (setsockopt(sock_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &yes, sizeof(int)) == -1) {  
         perror("setsockopt");  
         exit(1);  
     }  
       
     server_addr.sin_family = AF_INET;         // host byte order  
     server_addr.sin_port = htons(MYPORT);     // short, network byte order  
     server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // automatically fill with my IP  
     memset(server_addr.sin_zero, '\0', sizeof(server_addr.sin_zero));  
   
     if (bind(sock_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {  
         perror("bind");  
         exit(1);  
     }  
   
     if (listen(sock_fd, BACKLOG) == -1) {  
         perror("listen");  
         exit(1);  
     }  
   
     printf("listen port %d\n", MYPORT);  
   
     fd_set fdsr;  
     int maxsock;  
     struct timeval tv;  
   
     conn_amount = 0;  
     sin_size = sizeof(client_addr);  
     maxsock = sock_fd;  
     while (1) {  
         // initialize file descriptor set  
         FD_ZERO(&fdsr);  
         FD_SET(sock_fd, &fdsr);  
   
         // timeout setting  
         tv.tv_sec = 30;  
         tv.tv_usec = 0;  
   
         // add active connection to fd set  
         for (i = 0; i < BACKLOG; i++) {  
             if (fd_A[i] != 0) {  
                 FD_SET(fd_A[i], &fdsr);  
             }  
         }  
   
         ret = select(maxsock + 1, &fdsr, NULL, NULL, &tv);  
         if (ret < 0) {  
             perror("select");  
             break;  
         } else if (ret == 0) {  
             printf("timeout\n");  
             continue;  
         }  
   
         // check every fd in the set  
         for (i = 0; i < conn_amount; i++) {  
             if (FD_ISSET(fd_A[i], &fdsr)) {  
                 ret = recv(fd_A[i], buf, sizeof(buf), 0);  
                   
                 char str[] = "Good,very nice!\n";  
                   
                 send(fd_A[i],str,sizeof(str) + 1, 0);  
                   
                   
                 if (ret <= 0) {        // client close  
                     printf("client[%d] close\n", i);  
                     close(fd_A[i]);  
                     FD_CLR(fd_A[i], &fdsr);  
                     fd_A[i] = 0;  
                 } else {        // receive data  
                     if (ret < BUF_SIZE)  
                         memset(&buf[ret], '\0', 1);  
                     printf("client[%d] send:%s\n", i, buf);  
                 }  
             }  
         }  
   
         // check whether a new connection comes  
         if (FD_ISSET(sock_fd, &fdsr)) {  
             new_fd = accept(sock_fd, (struct sockaddr *)&client_addr, &sin_size);  
             if (new_fd <= 0) {  
                 perror("accept");  
                 continue;  
             }  
   
             // add to fd queue  
             if (conn_amount < BACKLOG) {  
                 fd_A[conn_amount++] = new_fd;  
                 printf("new connection client[%d] %s:%d\n", conn_amount,  
                         inet_ntoa(client_addr.sin_addr), ntohs(client_addr.sin_port));  
                 if (new_fd > maxsock)  
                     maxsock = new_fd;  
             }  
             else {  
                 printf("max connections arrive, exit\n");  
                 send(new_fd, "bye", 4, 0);  
                 close(new_fd);  
                 break;  
             }  
         }  
         showclient();  
     }  
   
     // close other connections  
     for (i = 0; i < BACKLOG; i++) {  
         if (fd_A[i] != 0) {  
             close(fd_A[i]);  
         }  
     }  
   
     exit(0);  
 }  
 

补充部分：

1 基本原理

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注：select 原理图，摘自 IBM iSeries 信息中心。

1 数据结构与函数原型

1.1 select

函数原型

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

头文件

select位于：
#include <sys/select.h>
struct timeval位于：
#include <sys/time.h>

返回值

返回对应位仍然为1的fd的总数。
参数
- nfds：第一个参数是：最大的文件描述符值+1；
- readset：可读描述符集合；
- writeset：可写描述符集合；
- exceptset：异常描述符；
- timeout：select 的监听时长，如果这短时间内所监听的 socket 没有事件发生。

1.2 fd_set

1.2.1 清空描述符集合

FD_ZERO(fd_set *)

1.2.2 向描述符集合添加指定描述符

FD_SET(int, fd_set *)

1.2.3 从描述符集合删除指定描述符

FD_CLR(int, fd_set *)

1.2.4 检测指定描述符是否在描述符集合中

FD_ISSET(int, fd_set *)

1.2.5 描述符最大数量

#define FD_SETSIZE 1024

1.3 描述符集合

可读描述符集合中可读的描述符，为1，其他为0；可写也类似。异常描述符集合中有异常等待处理的描述符的值为1，其他为0。

1.4 ioctl

函数原型：

  int ioctl(int handle, int cmd,[int *argdx, int argcx]);

头文件：
```
  #include <sys/ioctl.h>
```
返回值：
- 0 - 成功
- 1 - 失败

2 示例

程序各部分的解释在注释中。

#include <sys/socket.h>
#include <string.h>
#include <sys/time.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>#define TRUE  1
#define FALSE 0int main(int argc, char *argv[])
{int i, len, rc, on = TRUE;int listen_sd, new_sd = 0, max_sd;int desc_ready;char buffer[80];int close_conn, end_server = FALSE;struct sockaddr_in server_addr;struct timeval timeout;struct fd_set master_set, working_set;// Listenlisten_sd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (listen_sd < 0){perror("socket() failed");exit(-1);}// Set socket optionsrc = setsockopt(listen_sd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, (char *) &on, sizeof(on));if (rc < 0){perror("setsockopt() failed");close(listen_sd);exit(-1);}// Set IO controlrc = ioctl(listen_sd, FIONBIO, (char *) &on);if (rc < 0){perror("ioctl() failed");close(listen_sd);exit(-1);}// Bindmemset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));server_addr.sin_family = AF_INET;server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);server_addr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));rc = bind(listen_sd, (struct sockaddr *) &server_addr, sizeof(server_addr));if (rc < 0){perror("bind() failed\n");close(listen_sd);exit(-1);}// Listenrc = listen(listen_sd, 32);if (rc < 0){perror("listen() failed\n");close(listen_sd);exit(-1);}// Intialize sd setFD_ZERO(&master_set);max_sd = listen_sd;FD_SET(listen_sd, &master_set);timeout.tv_sec = 3 * 60;timeout.tv_usec = 0;// Startdo{// Copy master_set into working_setmemcpy(&working_set, &master_set, sizeof(master_set));printf("Waiting on select()...\n");rc = select(max_sd + 1, &working_set, NULL, NULL, &timeout);if (rc < 0){perror("  select() failed\n");break;}if (rc == 0){printf("  select() timed out. End program.\n");break;}desc_ready = rc; // number of sds ready in working_set// Check each sd in working_setfor (i = 0; i <= max_sd && desc_ready > 0; ++i){// Check to see if this sd is readyif (FD_ISSET(i, &working_set)){--desc_ready;// Check to see if this is the listening sdif (i == listen_sd){printf("  Listeing socket is readable\n");do{// Acceptnew_sd = accept(listen_sd, NULL, NULL);// Nothing to be acceptedif (new_sd < 0){// All have been acceptedif (errno != EWOULDBLOCK){perror("  accept() failed\n");end_server = TRUE;}break;}// Insert new_sd into master_setprintf("  New incoming connection - %d\n", new_sd);FD_SET(new_sd, &master_set);if (new_sd > max_sd){max_sd = new_sd;}}while (new_sd != -1);}// This is not the listening sdelse{close_conn = FALSE;printf("  Descriptor %d is avaliable\n", i);do{rc = recv(i, buffer, sizeof(buffer), 0);// Receive data on sd "i", until failure occursif (rc < 0){// Normal failureif (errno != EWOULDBLOCK){perror("  recv() failed\n");close_conn = TRUE;}break;}// The connection has been closed by the clientif (rc == 0){printf("  Connection closed\n");close_conn = TRUE;break;}/* Receiving data succeeded and echo it backthe to client */len = rc;printf("  %d bytes received\n", len);rc = send(i, buffer, len, 0);if (rc < 0){perror("  send() failed");close_conn = TRUE;break;}}while (TRUE);// If unknown failure occuredif (close_conn){// Close the sd and remove it from master_setclose(i);FD_CLR(i, &master_set);// If this is the max sdif (i == max_sd){// Find the max sd in master_set nowwhile (FD_ISSET(max_sd, &master_set) == FALSE){--max_sd;}} // End of if (i == max_sd)} // End of if (close_conn)}}}}while (end_server == FALSE);/* Close each sd in master_set */for (i = 0; i < max_sd; ++i){if (FD_ISSET(i, &master_set)){close(i);}}return 0;
}