7. C++通过select的方式实现高性能网络服务器

什么是异步IO

异步IO指的是用户程序将IO请求提交后,无需等待IO操作的完成,而是可以继续处理别的事情。
所谓异步IO，是指以事件触发的机制来对IO操作进行处理。
与多进程和多线程技术相比，异步I/O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。
我们举个例子吧：
假如说我们要去读一个数据，我们要发生系统调用，然后去询问IO是否准备好了，
在这里插入图片描述
对于同步I/O，如果没有准备好的话，他就会一直等，一直等，直到他准备好了。然后再进行下一步操作。
在这里插入图片描述
对于这个异步I/O，发起系统调用后，不是一直等，而是立即返回一个没准备好的I/O。
在这里插入图片描述
然后过一段时间这个用户态会再次询问是否准备好了。如果还是没有准备好，还是会立即返回，知道准备好了。
在这里插入图片描述
然后在一些空挡里面，这个CPU是可以干其他的事情的。

以select方式实现高性能网络服务器

  • 遍历文件描述符集中的所有描述符，找出有变化的描述符
    所以这个select是一个半自动，需要我们遍历所有的

  • 对于侦听的socket和数据处理的socket要区别对待

  • socket必须设置为非阻塞方式工作

重要的API

1.函数接口(1)select int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);功能:监听文件描述符集合参数:nfds:最大文件描述符个数+1readfds:读文件描述符集合writefds:写文件描述符集合exceptfds:其余文件描述符集合，也就是异常的文件描述符集合timeout:设定超时时间，也就是多长时间询问一次，如果没有这个的话，阻塞的就会一直阻塞NULL：永远等待,直到有数据发生返回值:成功返回产生事件的文件描述符个数失败返回-1 	

2. void FD_CLR(int fd, fd_set *set);功能:将fd从文件描述符集合中移除		

3. int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set);功能:判断fd是否仍在文件描述符集合中		

4. void FD_SET(int fd, fd_set *set);功能:将fd加入文件描述符集合			

5. void FD_ZERO(fd_set *set);功能:将文件描述符集合清0 

6. flag fcntl(fd,F_SETFL/F_GETFL, flag)
这个可以将文件描述符设置成阻塞或者非阻塞。fcntl 函数的基本原型：
#include <fcntl.h>
int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );
fd： 需要进行操作的文件描述符。
cmd： 需要执行的操作命令，可以是 F_GETFL（获取文件状态标志）、F_SETFL（设置文件状态标志）等。
arg： 根据不同的命令可能需要的参数。常见的 fcntl 命令：
F_DUPFD：
复制文件描述符，返回一个新的文件描述符。
F_GETFD：
获取文件描述符标志。
F_SETFD：
设置文件描述符标志。
F_GETFL：
获取文件状态标志。
F_SETFL：
设置文件状态标志。
F_GETLK：
获取记录锁的信息。
F_SETLK：
设置或释放记录锁。
F_SETLKW：
阻塞地设置或释放记录锁。示例用法：
获取和设置文件状态标志：
// 获取文件状态标志
int flags = fcntl(fd, F_GETFL);
// 设置文件状态标志为非阻塞模式
flags |= O_NONBLOCK;
fcntl(fd, F_SETFL, flags);

代码的思路就是：首先将socket_fd设置成异步非阻塞，然后设置一个fd_set fd_sets;为文件集。
然后先将其全部清零,然后将一开始创造的监听的socket,加入到文件描述符集合fd_sets中

//文件描述符集合清0
FD_ZERO(&fd_sets);
//将第一个socket_fd加入到文件描述符集合
FD_SET(socket_fd,&fd_sets);

然后创建一个accept_fds[FD_SIZE]表示每个连接的socket，然后将accept_fds[i]加入到fd_sets中去。并且更新max_fd。

for(int i=0;i<FD_SIZE;i++){if(accept_fds[i]!=-1){//判断这个是有效的socket//判断是否大于最大的文件描述符if(accept_fds[i]>max_fd){max_fd=accept_fds[i];}//将这个accepts_fds[i]加入到fd_sets中去FD_SET(accept_fds[i],&fd_sets);}}

然后用select进行监听

//fd_sets读的，写的，超时的，时间不关心
events=select(max_fd+1,&fd_sets,NULL,NULL,NULL);

然后判断符合条件的events有多少个。如果events等于0的话。首先要判断是新来了一个连接的socket,还是已有的socket需要发送消息。如果是新来一个socket的话，那就在accept_fds中找一个空位置插进去。

//判断socket_fd是否在fd_sets集合中，判断是一个新的连接还是一个数组，判断是否是侦听的这个socket触发的事件
if(FD_ISSET(socket_fd,&fd_sets)){for(int i=0;i<FD_SIZE;i++){//找一个空槽if(accept_fds[i]==-1){curpos=i;break;}}socklen_t addr_len=sizeof(struct sockaddr);accept_fd = accept(socket_fd,(struct sockaddr *)&remoteaddr,&addr_len);//设置成非阻塞//创建了socket之后我们要设置成异步的flags = fcntl(accept_fd,F_GETFL,0);//然后设置成非阻塞fcntl(accept_fd,F_SETFL,flags | O_NONBLOCK);//将这个接收的插入到槽中accept_fds[curpos]=accept_fd;
}

如果不是新来的话，那就是accept_fds[i]的事件，那么进行文件的收发

//对于每一个accept_fds[i]进行读数据
for(int i=0;i<FD_SIZE;i++){if(accept_fds[i]!=-1&&FD_ISSET(accept_fds[i],&fd_sets)){memset(in_buff, 0, sizeof(in_buff));//接收消息ret = recv(accept_fds[i],(void *)in_buff,MESSAGE_LEN,0);if(ret==0){close(accept_fds[i]);break;}std::cout<<"recv:"<<in_buff<<std::endl;//返回消息send(accept_fds[i],(void*)in_buff,MESSAGE_LEN,0);}
}

总的代码：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <iostream>
#include <fcntl.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
//端口
#define PORT 8888
#define MESSAGE_LEN 1024
#define FD_SIZE 1024int main(int argc,char* argv[]){int ret=-1;int on=1;int backlog=10;//缓冲区大小int socket_fd,accept_fd;pid_t pid;int flags;int max_fd=-1;//最大的文件描述符int curpos=-1;//临时变量int events=0;//select中符合条件的返回值fd_set fd_sets;//读的文件集int accept_fds[FD_SIZE]={-1,};struct sockaddr_in localaddr,remoteaddr;char in_buff[MESSAGE_LEN]={0,};//这个是侦听的那个socket_fd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if(socket_fd==-1){std::cout<<"Failed to create socket!"<<std::endl;exit(-1);}//创建了socket之后我们要设置成异步的flags = fcntl(socket_fd,F_GETFL,0);//然后设置成非阻塞fcntl(socket_fd,F_SETFL,flags | O_NONBLOCK);//这是max_fd=创建的第一个socketmax_fd=socket_fd;ret=setsockopt(socket_fd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&on,sizeof(on));if(ret==-1){std::cout<<"Failed to set socket options!"<<std::endl;}localaddr.sin_family=AF_INET;//地址族localaddr.sin_port=htons(PORT);//端口号localaddr.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY;//这个就是0bzero(&(localaddr.sin_zero), 8);ret= bind(socket_fd,(struct sockaddr *)&localaddr,sizeof(struct sockaddr));//绑定if(ret==-1){//绑定失败std::cout<<"Failed to bind addr!"<<std::endl;exit(-1);}ret = listen(socket_fd,backlog);//第二个是缓冲区大小，因为同一时间只能处理一个，其他都放在缓冲区if(ret==-1){std::cout<<"failed to listen socket!"<<std::endl;exit(-1);}while(1){//等待连接//文件描述符集合清0FD_ZERO(&fd_sets);//将第一个socket_fd加入到文件描述符集合FD_SET(socket_fd,&fd_sets);for(int i=0;i<FD_SIZE;i++){if(accept_fds[i]!=-1){//判断这个是有效的socket//判断是否大于最大的文件描述符if(accept_fds[i]>max_fd){max_fd=accept_fds[i];}//将这个accepts_fds[i]加入到fd_sets中去FD_SET(accept_fds[i],&fd_sets);}}//fd_sets读的，写的，超时的，时间不关心events=select(max_fd+1,&fd_sets,NULL,NULL,NULL);if(events<0){//函数调用失败std::cout<<"Failed to use select!"<<std::endl;}else if(events==0){std::cout<<"timeout...!"<<std::endl;}else if(events){//判断socket_fd是否在fd_sets集合中，判断是一个新的连接还是一个数组，判断是否是侦听的这个socket触发的事件if(FD_ISSET(socket_fd,&fd_sets)){for(int i=0;i<FD_SIZE;i++){//找一个空槽if(accept_fds[i]==-1){curpos=i;break;}}socklen_t addr_len=sizeof(struct sockaddr);accept_fd = accept(socket_fd,(struct sockaddr *)&remoteaddr,&addr_len);//设置成非阻塞//创建了socket之后我们要设置成异步的flags = fcntl(accept_fd,F_GETFL,0);//然后设置成非阻塞fcntl(accept_fd,F_SETFL,flags | O_NONBLOCK);//将这个接收的插入到槽中accept_fds[curpos]=accept_fd;}//对于每一个accept_fds[i]进行读数据for(int i=0;i<FD_SIZE;i++){if(accept_fds[i]!=-1&&FD_ISSET(accept_fds[i],&fd_sets)){memset(in_buff, 0, sizeof(in_buff));//接收消息ret = recv(accept_fds[i],(void *)in_buff,MESSAGE_LEN,0);if(ret==0){close(accept_fds[i]);break;}std::cout<<"recv:"<<in_buff<<std::endl;//返回消息send(accept_fds[i],(void*)in_buff,MESSAGE_LEN,0);}}}}close(socket_fd);//侦听的那个return 0;
}

客户端也是之前的。
在这里插入图片描述

设置select超时时间

对于上面的代码我们没有设置select超时时间，也就是超时一直等待，直到处理到。那么怎么设置select超时时间呢？

struct timeval{long tv_sec;//秒long tv_usec;//微妙
}

一般设置为500ms。

select 函数

select 函数输入参数的意义

  • 我们关心的文件描述符

  • 对每个文件描述符我们关心的状态（读，写，异常)

  • 我们要等待的时间(永远（NULL）、一段时间（500ms），不等待（0）)

从select函数得到的信息

  • 已经做好准备的文件描述符的个数
  • 对于读、写、异常，哪些文件描述符准备好了

理解select模型

  • 理解select模型的关键在于理解fd_set类型，这个fd_set可以理解为一个bit_set，里面的每一位都代表一个文件描述符。
  • 其实fd set就是多个整型字的集合，每个bit代表一个文件描述符。
  • FD_ZERO表示将所有位置置为0
  • FD_SET是将fd_set中的某一位置1
  • select函数执行后，系统会修改fd_set中的内容
  • select函数执行后，应用层要得新设置fd_set 中的内容

模型图

首先我们要侦听这三个文件描述符，是否会发生读事件。
在这里插入图片描述
当系统发现有改变的话，系统就会监听到，然后select就会返回。
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

select优缺点

优点:
1）单进程让服务端拥有基本的一对多响应能力。
2）实现较为简单。（模型比较轻量）
3）SELECT跨平台能力较强。（各个系统兼容）
4）如果网络IO监听模型对时间精度有要求，select可以满足需要，支持微妙级别定时监听。
缺点：
1）SELECT受fd_set监听集合类型的影响， 最大监听数为1024。(不能满足服务端高并发需求)
2）SELECT监听采用的轮询方式，（随着轮询数量的增加 ，IO处理性能呈线性下降），轮询模型可能导致事件处理不及时。
3）SELECT启动监听时传入监听集合， 监听到就绪后内核修改为就绪集合，该就绪集合无法作为监听集合再次使用，所以用户必须将传入传出进行分离，比较麻烦。
4）SELECT监听到就绪后只返回就绪的数量，没有返回谁就绪，开发者需要自行遍历查找就绪的socket并处理， 开销较大，比较耗时。
5）SELECT每轮监听，都要向内核空间重新拷贝监听集合， 将集合中设置的socket,挂载到等待队列中设置监听， 这种做法会导致大量重复的拷贝开销与挂载开销。

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