IO多路复用-select(附通信代码)

IO多路复用-select

1. IO多路复用概述

I/O多路复用（I/O Multiplexing）是一种通过一种机制同时监听多个文件描述符（sockets、文件、设备等）的技术。它可以使一个进程在等待多个 I/O 操作完成时不会阻塞，从而提高程序的性能和响应性。

通过这种方式在单线程/进程的场景下也可以在服务器端实现并发。常见的IO多路转接方式有：select、poll、epoll。

I/O多路复用的优势在于它可以有效地管理大量的连接，避免了创建大量线程或进程的开销。它适用于需要同时处理多个连接，但每个连接的数据流量相对较小的情况，如网络服务器、聊天程序等。通过选择适当的多路复用机制，可以使程序更加高效地处理并发的 I/O 操作。

IO多路复用和多线程/进程的对比:

多线程/进程并发是主线程调用accept函数, 检测客户端连接请求, 有则连接, 没有则阻塞
子线程调用read/write函数

IO多路复用

委托内核检测服务器端所有的文件描述符（通信和监听两类）
检测到已就绪的文件描述符阻塞解除，并将这些已就绪的文件描述符传出

与多进程和多线程技术相比，I/O多路复用技术的最大优势是系统开销小，系统不必创建进程/线程，也不必维护这些进程/线程，从而大大减小了系统的开销。

2. select

2.1 函数原型

这个函数是跨平台的，Linux、Mac、Windows都支持

函数的函数原型：

#include <sys/select.h>
struct timeval {time_t      tv_sec;         /* seconds */suseconds_t tv_usec;        /* microseconds */
};int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,fd_set *exceptfds, struct timeval * timeout);

函数参数：

nfds：委托内核检测的这三个集合中最大的文件描述符 + 1
- 内核需要线性遍历这些集合中的文件描述符，这个值是循环结束的条件
- 在Window中这个参数是无效的，指定为-1即可
readfds：文件描述符的集合, 内核只检测这个集合中文件描述符对应的读缓冲区
- 传入传出参数，读集合一般情况下都是需要检测的，这样才知道通过哪个文件描述符接收数据
writefds：文件描述符的集合, 内核只检测这个集合中文件描述符对应的写缓冲区
- 传入传出参数，如果不需要使用这个参数可以指定为NULL
exceptfds：文件描述符的集合, 内核检测集合中文件描述符是否有异常状态
- 传入传出参数，如果不需要使用这个参数可以指定为NULL
timeout：超时时长，用来强制解除select()函数的阻塞的
- NULL：函数检测不到就绪的文件描述符会一直阻塞。
- 等待固定时长（秒）：函数检测不到就绪的文件描述符，在指定时长之后强制解除阻塞，函数返回0
- 不等待：函数不会阻塞，直接将该参数对应的结构体初始化为0即可。

函数返回值：

大于0：成功，返回集合中已就绪的文件描述符的总个数
等于-1：函数调用失败
等于0：超时，没有检测到就绪的文件描述符

另外初始化fd_set类型的参数还需要使用相关的一些列操作函数，具体如下：

// 将文件描述符fd从set集合中删除 == 将fd对应的标志位设置为0        
void FD_CLR(int fd, fd_set *set);
// 判断文件描述符fd是否在set集合中 == 读一下fd对应的标志位到底是0还是1
int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set);
// 将文件描述符fd添加到set集合中 == 将fd对应的标志位设置为1
void FD_SET(int fd, fd_set *set);
// 将set集合中, 所有文件文件描述符对应的标志位设置为0, 集合中没有添加任何文件描述符
void FD_ZERO(fd_set *set);

2.2 fd_set细节描述

这个类型的数据有128个字节，也就是1024个标志位，和内核中文件描述符表中的文件描述符个数是一样的。

下图中的fd_set中存储了要委托内核检测读缓冲区的文件描述符集合。

如果集合中的标志位为0代表不检测这个文件描述符状态
如果集合中的标志位为1代表检测这个文件描述符状态

在这里插入图片描述

内核在遍历这个读集合的过程中，如果被检测的文件描述符对应的读缓冲区中没有数据，内核将修改这个文件描述符在读集合fd_set中对应的标志位，改为0，如果有数据那么这个标志位的值不变，还是1。

在这里插入图片描述

当select()函数解除阻塞之后，被内核修改过的读集合通过参数传出，此时集合中只要标志位的值为1，那么它对应的文件描述符肯定是就绪的，我们就可以基于这个文件描述符和客户端建立新连接或者通信了。

3. 并发处理

3.1 服务器端处理流程

创建监听的套接字 lfd = socket();
将监听的套接字和本地的IP和端口绑定 bind()
给监听的套接字设置监听 listen()
创建一个文件描述符集合 fd_set，用于存储需要检测读事件的所有的文件描述符

通过 FD_ZERO() 初始化

通过 FD_SET() 将监听的文件描述符放入检测的读集合中
循环调用select()，周期性的对所有的文件描述符进行检测
select() 解除阻塞返回，得到内核传出的满足条件的就绪的文件描述符集合

通过FD_ISSET() 判断集合中的标志位是否为 1

如果这个文件描述符是监听的文件描述符，调用 accept() 和客户端建立连接

将得到的新的通信的文件描述符，通过FD_SET() 放入到检测集合中

如果这个文件描述符是通信的文件描述符，调用通信函数和客户端通信(这个一定是在第二轮开始今后才能检测到)

如果客户端和服务器断开了连接，使用FD_CLR()将这个文件描述符从检测集合中删除

如果没有断开连接，正常通信即可
重复第6步

在这里插入图片描述

3.2 通信代码

服务器端代码

//
// Created by 47468 on 2024/1/24.
// server.cpp
#include "arpa/inet.h"
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include "unistd.h"
#include "iostream"
#include "string"
#include "cctype"
using namespace std;int main(){// 1. 创建监听的套接字int lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);// 2. 绑定sockaddr_in saddr{};saddr.sin_family = AF_INET;saddr.sin_port = htons(9999);saddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;int res = bind(lfd, (struct sockaddr *) &saddr, sizeof(saddr));if(res == -1){perror("bind");close(lfd);return -1;}// 3.设置监听res = listen(lfd, 128);if(res == -1){perror("listen");close(lfd);return -1;}// 将监听的fd的状态检测委托给内核检测int maxfd = lfd;// 初始化检测的读集合fd_set rdset;fd_set rdtemp;// 初始化FD_ZERO(&rdset);// 将监听的lfd设置到检测的读集合中FD_SET(lfd, &rdset);// 通过select委托内核检测读集合中的文件描述符状态, 检测read缓冲区有没有数据// 如果有数据, select解除阻塞返回// 应该让内核持续检测while (true){// 默认阻塞// rdset 中是委托内核检测的所有的文件描述符rdtemp = rdset;int num = select(maxfd + 1, &rdtemp, nullptr, nullptr, nullptr);// rdset中的数据被内核改写了,// 只保留了发生变化的文件描述的标志位上的1,// 没变化的改为0// 只要rdset中的fd对应的标志位为1 -> 缓冲区有数据了// 判断// 有没有新连接if(FD_ISSET(lfd, &rdtemp)){sockaddr_in cliaddr{};int len = sizeof(cliaddr);int cfd = accept(lfd, (struct sockaddr *) &cliaddr, (socklen_t *) (&len));char ip[32];cout << "有客户端成功连接, 客户端ip: "<< inet_ntop(AF_INET, &cliaddr.sin_addr.s_addr, ip, sizeof(ip))<< ", port: "<< ntohs(cliaddr.sin_port)<< endl;// 得到了有效的文件描述符// 通信的文件描述符添加到读集合// 在下一轮select检测的时候, 就能得到缓冲区的状态FD_SET(cfd, &rdset);// 更新maxfdmaxfd = max(maxfd, cfd);}// 再检测有没有通信的文件描述符for (int i = 0; i <= maxfd; ++i) {// 判断从监听的文件描述符之后到maxfd这个范围内的文件描述符是否读缓冲区有数据if(i != lfd && FD_ISSET(i, &rdtemp)){// 接收数据char buf[10] = {0};// 一次只能接收10个字节, 客户端一次发送100个字节// 一次是接收不完的, 文件描述符对应的读缓冲区中还有数据// 下一轮select检测的时候, 内核还会标记这个文件描述符缓冲区有数据 -> 再读一次// 	循环会一直持续, 直到缓冲区数据被读完位置ssize_t len = read(i, buf, sizeof(buf));if(len == 0){cout << "客户端断开了连接..." << endl;FD_CLR(i, &rdset);close(i);}else if(len > 0){buf[len] = '\0';// 收到了数据cout << "客户端: " << buf << endl;// 数据处理for (int j = 0; j < len; ++j) {buf[j] = toupper(buf[j]);}// 发送回去write(i, buf, len);} else{// 异常perror("read");}}}}return 0;
}

客户端代码

//
// Created by 47468 on 2024/1/24.
// client.cpp
#include "arpa/inet.h"
#include "cstdio"
#include <cstdlib>
#include "unistd.h"
#include "iostream"
using namespace std;
#include <cstring>int main(){int fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if(fd == -1){perror("socket");exit(0);}sockaddr_in addr;addr.sin_family = AF_INET;inet_pton(AF_INET, "192.168.110.129", &addr.sin_addr.s_addr);addr.sin_port = htons(9999);int res = connect(fd, (struct sockaddr *) &addr, sizeof(addr));if(res == -1){perror("connect");close(fd);return -1;}// 通信while (true){// 键盘输入数据char readBuf[1024];cout << "请输入要发送的字符串:" << endl;cin.getline(readBuf, sizeof(readBuf));// 把数据发送到客户端write(fd, readBuf, strlen(readBuf));// 再把客户端发回来的数据读出来// 如果客户端没有发送数据, 默认阻塞read(fd, readBuf, sizeof(readBuf));cout << readBuf << endl;}close(fd);return 0;
}