多路復用輸入/輸出 ---- select

一、select

    系統提供select函數來實現多路復用輸入/輸出模型。select系統調用是用來讓我們的程序監視多個文件句柄的狀態變化的。程序會停在select這里阻塞等待，直到被監視的文件句柄有一個或多個發生了狀態改變。

    文件句柄，其實就是一個整數，我們最熟悉的句柄是0、1、2三個，0：標準輸入，1：標準輸出，2：標準錯誤輸出。0、1、2是整數表示的，對應的FILE *結構：stdin、stdout、stderr。

二、select 相關

1、select函數  //一次可等待多個描述符

#include <sys/select.h>

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,

             fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout); 

（1）參數：

// nfds: 需要監視的最大的文件描述符值 +1；

// readfds: 需要檢測的可讀文件描述符的集合；

// wtitefds: 需要檢測的可寫文件描述符的集合；

// exceptfds: 需要檢測的異常文件描述符的集合；

// timeout ：結構timeval，用來設置select()的等待時間；

      //timeout：

           NULL：select() 沒有timeout，select將一直被阻塞，直到某個文件描述符上發生了事件。

           0 ：僅檢測描述符集合的狀態，然后立即返回，并不等待外部事件的發生。

           特定的時間值：如果在指定的時間段里沒有事件發生，select將超時返回。

（2) 返回值：

       執行成功則返回文件描述詞狀態已改變的個數.

       如果返回0代表在描述詞狀態改變前已超過timeout時間，沒有返回；

       當有錯誤發生時則返回-1，錯誤原因存于errno，此時參數readfds，writefds，exceptfds和timeout的值變成不可預測。

（3）select“參數-值”傳遞的方式。同時，select 文件描述符有限定。

    select返回后，需要FD_ISSET輪詢來獲取就緒的描述符。

    select需要在返回后，通過遍歷文件描述符來獲取已經就緒的socket。

2、其他函數

  void FD_CLR(int fd, fd_set *set);//清除描述詞組set中相關fd 的位

  int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set);//測試描述詞組set中相關fd 的位是否為真

  void FD_SET(int fd, fd_set *set);//設置描述詞組set中相關fd的位

  void FD_ZERO(fd_set *set);//清除描述詞組set的全部位

#include <aio.h>

int aio_read(struct aiocb *aiocbp);        Link with -lrt.

3、相關結構體

struct timeval 
{      long    tv_sec;         /* seconds */  
       long    tv_usec;        /* microseconds */
};
and
struct timespec 
{      long    tv_sec;         /* seconds */ 
       long    tv_nsec;        /* nanoseconds */
};

三、select模型

1、 select模型的關鍵在于理解 fd_set,為說明方便，取fd_set長度為1字節，fd_set中的每 1 bit可以對應一個文件描述符fd。則1字節長的fd_set最大可以對應 8個fd。

（1）執行fd_set set; FD_ZERO(&set);則set用位表示是0000,0000。

（2）若fd＝5,執行FD_SET(fd,&set);后set變為0001,0000(第5位置為1)

（3）若再加入fd＝2，fd=1,則set變為0001,0011

（4）執行select(6,&set,0,0,0)阻塞等待

（5）若fd=1,fd=2上都發生可讀事件，則select返回，此時set變為0000,0011。注意：沒有事件發生的fd=5被清空。

2、特點：

　　（1)可監控的文件描述符個數取決與sizeof(fd_set)的值。若服務器上sizeof(fd_set)＝512，每bit表示一個文件描述符，則服務器上支持的最大文件描述符是512*8=4096。雖然可調，但調整上限受于編譯內核時的變量值。

　　（2）將fd加入select監控集的同時，還要再使用一個數據結構array保存放到select監控集中的fd，一是用于再select返回后，array作為源數據和fd_set進行FD_ISSET判斷。二是select返回后會把以前加入的但并無事件發生的fd清空，則每次開始 select前都要 重新從array取得fd逐一加入（FD_ZERO最先），掃描array的同時取得fd最大值maxfd，用于select的第一個 參數。

　　（3）可見select模型必須在select前循環array（加fd，取maxfd），select返回后循環array

（FD_ISSET判斷是否有時間發生）。

四、select 服務器實例：

#include <stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<netinet/in.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
#include<sys/select.h>

#define _BACKLOG_ 5
int fds[64];
void usage(const char *proc)
{
	printf("%s:[ip][port]\n",proc);
}
static int startup(const char *ip,const int port)
{
	int sock=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);//創建套接字
	if(sock < 0)
	{
		perror("socket");
		exit(1);
	}
	struct sockaddr_in local; //填充本地信息
	local.sin_family=AF_INET;
	local.sin_port=htons(port);
	local.sin_addr.s_addr=inet_addr(ip);
	
	if(bind(sock,(struct sockaddr*)&local,sizeof(local)) < 0) //綁定
	{
		perror("bind");
		exit(2);
	}	
	if(listen(sock,_BACKLOG_) < 0) //監聽
	{
		perror("listen");		
		exit(3);
	}
	return sock; //返回套接字
}

int main(int argc,char *argv[])
{
	if(argc != 3)
	{
		usage(argv[0]);
		return 1;
	}
	char *ip=argv[1];
	int port=atoi(argv[2]);
	int listen_sock=startup(ip,port); 

	struct sockaddr_in client;  //創建結構體sockaddr_in client
	socklen_t len=sizeof(client);//取其長度
	client.sin_family=AF_INET;
	client.sin_port=htons(port);
	client.sin_addr.s_addr=inet_addr(ip);

	int done=0;
	int new_sock=-1;
	int max_fd; //
	fd_set _reads;//可讀文件描述符
	fd_set _writes;	//可寫文件描述符
	int i=0;
	int fds_num=sizeof(fds)/sizeof(fds[0]); //文件描述符的最大長度
	for(;i<fds_num;++i) //對fds[]進行初始化
	{
		fds[i]=-1;
	}
	fds[0]=listen_sock;//先將listen_sock 填入 fds[]
	new_sock=fds[0]; //將fds[0]信息置于new_sock

	while(!done)
	{
		FD_ZERO(&_reads); //對可讀描述符進行清零設置
		FD_ZERO(&_writes); 
		FD_SET(listen_sock,&_reads); //設置listen_sock 可讀
		struct timeval _timeout={5,0}; //設置 超時時間

		for(i=1;i<fds_num;++i) //將fds[]信息保存至 max_fd[]
		{
			if(fds[i] > 0)
			{
				FD_SET(fds[i],&_reads); 
				FD_SET(fds[i],&_writes);
				if(fds[i] > max_fd)
				{
					max_fd=fds[i];
				}
			}
		}
		switch(select(max_fd+1,&_reads,&_writes,NULL,&timeout)) //select阻塞等待
		{
		case -1://error
			perror("select");
			break;
		case 0://timeout
			printf("select timeout...\n");
			break;
		default:
			{
				i=0;
				for(;i<fds_num;++i)
				{
					//listen socket ready
					if(fds[i] == listen_sock && FD_ISSET(fds[i],&_reads))
					{
						new_sock=accept(listen_sock,(struct sockaddr*)&client,&len);
						if(new_sock < 0)
						{
							perror("accept");
							continue;
						}
						printf("get a new connet...%d\n",new_sock);
						for(i=0;i<fds_num;++i)
						{
							if(fds[i] == -1)
							{
								fds[i] = new_sock;
								break;
							}
						}
						if(i == fds_num)
						{
							close(new_sock);
						}
					}
					else if(fds[i] > 0 && FD_ISSET(fds[i],&_reads) && FD_ISSET(fds[i],&writes)) //listen socket
					{
						char buf[1024];
						ssize_t _size=read(fds[i],buf,sizeof(buf)-1);
						if(_size > 0)//read success
						{
							buf[_size]='\0';
							printf("Client: %s\n",buf);
						}
						else if(_size == 0)//client close
						{
							printf("client close...\n");
							close(fds[i]);
							fds[i]=-1;
							break;
						}
						else
						{
							perror("read");
						}
						if(FD_ISSET(fds[i],&_writes))
						{
							_size=write(fds[i],buf,strlen(buf));
							if(_size < 0)
							{
								perror("write");
							}
						}
						else
						{
							printf("can't write back...\n");
						}
					}
					else
					{}
				}
			}
			break;
		}
	}
	return 0;
}

總結:

    每次調用select，都需要把fd集合從用戶態拷貝到內核態,同時每次調用select都需要在內核遍歷傳遞進來的所有fd,導致fd 的開銷太大。