I/O复用——select系统调用

      I/O复用使得程序能同时监听多个文件描述符，这对提高程序的性能至关重要。通常网络程序在下列情况下需要使用I/O复用技术。

    1、客户端程序要同时处理多个socket。比如本章要讨论的非阻塞的Connect 技术。

    2、客户端程序要同时处理用户输入和网络连接，比如本章将要讨论的聊天室程序。

    3、TCP服务器要同时处理监听socket和连接socket。这里I/O复用使用最多的场合。

    4、服务器要同时处理TCP请求和UDP请求。比如回射服务器。

    5、服务器要同时监听多个端口，或者处理多种服务。

   需要指出的是，I/O复用虽然能同时监听多个文件描述，但它本身是阻塞的。并且当多个文件描述符同时就绪时，如果不采取额外措施，程序就只能顺序依次处理其中的每个文件描述符，这使用服务器程序想串行工作。如果要实现并发，只能使用多进程等编程手段。

   Linux实现的I/O复用的系统调用主要有select、poll和epoll。

1、select系统调用。

      select系统调用的用途是：在一段指定时间内，监听用户感兴趣的文件描述符上的可读、可写和异常等事件。本节先介绍select系统调用的API，然后讨论select判断文件描述符就绪动态条件，最后给出一个处理带外数据中的实际应用。

    一、select API

 C++ Code 

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#include<sys/select.h> int select(int nfds,fd_set *readfds,fd_set *writefds,fd_set*exceptfds            ,struct timeval* timeout);

    1）nfds参数指定被监听的文件描述符的总数。它通常被设置为select监听的所有文件描述符中的最大值加1，因为文件描述符是从0开始计数的。

    2）readfds、writefds和exceptfds参数分别指向可读、可写和异常等事件对应的文件描述符集合。应用程序调用select函数时，通过这三个参数传入自己感兴趣的文件描述符。select调用返回时，内核将修改他们来通知应用程序那些文件描述符已经就绪。这3个参数是fd_set结构指针类型。fd_set结构体定义如下：

 C++ Code 

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#include<typesizes.h> #define __FD_SETSIZE 1024 #include<sys/select.h? #define FD_SETSIZE __FD_ETSIZE typedef long int __fd_mask; #undef __NFDBITS #define __NFDBITS (8*(int)sizeof(__fd_mask)) typedef struct { #ifdef __USE_XOPEN     __fd_mask fd_bits[__FD_SETSIZE / __NFDBITS]; #define __FDS_BITS(set) ((set)->fd_bits) #else     __fd_mask __fds_bits[__FD_SETSIZE / __NFDBITS]; #define __FD_BITS(set) ((set)->__fds_bits) #endif } fd;

   由以上定义可见，fd_set结构体仅包含一个整形数组，该数组的每个元素的每一位bit标记一个文件描述符。fd_set能容纳的文件描述符数量由FD_SETSIZE指定，这就限制了select能同时处理文件描述符的总量。

  由于位操作过于繁琐，我们应该使用下面一系列宏来访问fd_set结构体中的位。

   

 C++ Code 

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#include<sys/select.h> FD_ZERO(fd_set *fdset);  //清除fdset所有位 FD_SET(int fd, fd_set *fdset); //设置fdset的位fd FD_CLR(int fd, fd_set *fdset); //清除fdset的位fd int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset); //测试fdset的位fd是否被设置

    3）timeout参数用来设置select函数的超时时间，它是一个timeval结构类的指针，采用指针参数是因为内核将修改它告诉应用程序select等待了多久。不过我们不能完全信任select调用返回后的timeout值，比如调用失败时timeout值是不确定的。timeval结构体定义如下所示：

 C++ Code 

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struct timeval {     long tv_sec; //秒数     long tv_uset; //微秒数 };

    由以上定义课件，select给我们提供了一个微秒级的定时方式。如果给timeout变量的tv_sec成员和tv_usec成员的都传递0，则select将立即返回。如果给timeout传递NULL，则select将一直阻塞，知道某个文件描述符就绪。

    select成功时返回就绪（可读、可写和异常）文件描述符的总数。如果在超时时间内没有任何文件描述符就绪，select将返回0.select失败时返回-1，并设置errno。如果在select等待期间，程序接收到信号，则select立即返回-1，并设置errno为EINTR。

    

    二、文件描述符的就绪条件

    那些情况下文件描述符可以被认为可读、可写或者异常呢？对于select的使用非常关键。在网络编程中，下列情况下socket可读。

    1、socket内核接收缓冲区中的字节数大于或者等于低水平标记SO_RCVOWAT。此时我们可以无阻塞地读该socket，并且读该socket的读操作将返回0.

   2、socket通信的对方关闭连接。此时对该socket的读操作将返回0

   3、监听socket上新的连接请求。

   4、socket上有未处理的错误，此时我们可以使用getsockopt来读取和清楚该错误。

   5、socket内核发送缓存区中的可用字节数大于或者低于SO_SNDLOWAT。此时我们可以无阻塞的写socket，并且写操作返回的字节大于0.

    6、socket的写操作被关闭。对写操作被关闭的socket执行写操作出发一个SIGPIPE信号。

    7、socket使用非阻塞的Connect 连接成功或者失败之后。

    8、socket上有未处理的错误。此时我们可以使用getsocket来读取和清楚该错误。

    网络程序中，select能处理的异常情况只有一种：socket上接收到带外数据。

三、处理带外数据

     上一小节提到，socket上接收到普通数据和带外数据使用select返回，但socket处于不同的就绪状态：前者处于可读状态，后者处于异常状态。代码如下是如何同时处理二者的。

 C++ Code 

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#include<sys/types.h> #include<sys/socket.h> #include<netinet/in.h> #include<arpa/inet.h> #include<assert.h> #include<stdio.h> #include<stdlib.h> #include<unistd.h> #include<errno.h> #include<string.h> #include<fcntl.h> int main(int argc, char *argv[]) {     if(argc <= 2)     {         printf("usage:%s ip_adderss prot_number\n", basename(argv[0]));         return 1;     }     const char *ip = argv[1];     int port = atoi(argv[2]);     int ret = 0;     struct sockaddr_in address;     bzero(&address, sizeof(address));     address.sin_family = AF_INET;     inet_pton(AF_INET, ip, &address.sin_addr);     address.sin_port = htons(port);     int listenfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);     assert(listenfd > 0);     ret = bind(listenfd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address));     assert(ret != -1);     ret = listen(listenfd, 5);     assert(ret != -1);     struct sockaddr_in client_address;     socklen_t client_addrlength = sizeof(client_address);     int connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&client_address, &client_addrlength);     if(connfd < 0)     {         printf("errno is: %d\n", errno);         close(listenfd);     }     char buf[1024];     fd_set read_fds;     fd_set exception_fds;     FD_ZERO(&read_fds);     FD_ZERO(&exception_fds);     while(1)     {         memset(buf, '\0', sizeof(buf));         //每次调用select前都要重新在read_fds和exception_fds中         //设置文件描述符connfd         //因为事件发生之后，文件描述符被内核修改。         FD_SET(connfd, &read_fds);         FD_SET(connfd, &exception_fds);         ret = select(connfd + 1, &read_fds, NULL, &exception_fds, NULL);//阻塞         if(ret < 0)         {             printf("selection failure\n");             break;         }         //对于可读事件，采用普通的recv函数读取数据         if(FD_ISSET(connfd, &read_fds))         {             ret = recv(connfd, buf, sizeof(buf) - 1, 0);             if(ret <= 0)             {                 break;             }             printf("get %d bytes of normal data:%s\n", ret, buf);         }         //对于异常事件，采用带MSG_OOB标志的recv函数读取带外数据         else if(FD_ISSET(connfd, &exception_fds))         {             ret = recv(connfd, buf, sizeof(buf) - 1, MSG_OOB);             if(ret <= 0)             {                 break;             }             printf("get %d bytes of normal data:%s\n", ret, buf);         }     }     close(connfd);     close(listenfd);     return 0; }