linux select 多路复用机制

linux select 多路复用机制

                原创                2013年02月25日 14:18:45

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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：

[cpp] view plain copy

1. int select(int maxfd,fd_set *rdset,fd_set *wrset, \ 
2.            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：

[cpp] view plain copy

1. struct timeval 
2. { 
3.     time_t tv_sec;//second 
4.     time_t tv_usec;//minisecond 
5. }; 

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：

[cpp] view plain copy

1. array[slect_len]; 
2. 　nSock=0; 
3. 　array[nSock++]=listen_fd;(之前listen port已绑定并listen) 
4. 　maxfd=listen_fd; 
5.  
6. 　while(1){ 
7.  
8. 　　FD_ZERO(&set); 
9.  
10. 　　foreach (fd in array) 
11. 　　{ 
12.     　　fd大于maxfd，则maxfd=fd 
13.     　　FD_SET(fd,&set) 
14. 　　} 
15.  
16. 　　res=select(maxfd+1,&set,0,0,0)； 
17.  
18. 　　if(FD_ISSET(listen_fd,&set)) 
19. 　　{ 
20.     　　newfd=accept(listen_fd); 
21.     　　array[nsock++]=newfd; 
22.     　　if(--res<=0) continue; 
23. 　　} 
24.  
25. 　　foreach 下标1开始 (fd in array) 
26. 　　{ 
27.     　　if(FD_ISSET(fd,&tyle="COLOR: #ff0000">set)) 
28.     　　执行读等相关操作 
29.     　　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 
30.     　　if(--res<=0) continue; 
31. 　　} 
32.  
33. 　} 

检测键盘有无输入，完整的程序如下：

[cpp] view plain copy

1. #include<sys/time.h> 
2. #include<sys/types.h> 
3. #include<unistd.h> 
4. #include<string.h> 
5. #include<stdlib.h> 
6. #include<stdio.h> 
7. int main() 
8. { 
9.         char buf[10]=""; 
10.         fd_set rdfds; 
11.         struct timeval tv; 
12.         int ret; 
13.         FD_ZERO(&rdfds); 
14.         FD_SET(0,&rdfds);   //文件描述符0表示stdin键盘输入 
15.         tv.tv_sec = 3; 
16.         tv.tv_usec = 500; 
17.         ret = select(1,&rdfds,NULL,NULL,&tv); 
18.         if(ret<0) 
19.               printf("\n selcet"); 
20.         else if(ret == 0) 
21.               printf("\n timeout"); 
22.         else 
23.               printf("\n ret = %d",ret); 
24.  
25.         if(FD_ISSET(1,&rdfds))  //如果有输入，从stdin中获取输入字符 
26.         { 
27.               printf("\n reading"); 
28.               fread(buf,9,1,stdin); 
29.          } 
30.          write(1,buf,strlen(buf)); 
31.          printf("\n %d \n",strlen(buf)); 
32.          return 0; 
33. } 
34. //执行结果ret = 1. 

利用Select模型，设计的web服务器：

[cpp] view plain copy

1. #include <stdio.h> 
2. #include <stdlib.h> 
3. #include <unistd.h> 
4. #include <errno.h> 
5. #include <string.h> 
6. #include <sys/types.h> 
7. #include <sys/socket.h> 
8. #include <netinet/in.h> 
9. #include <arpa/inet.h> 
10.  
11. #define MYPORT 88960    // the port users will be connecting to 
12.  
13. #define BACKLOG 10     // how many pending connections queue will hold 
14.  
15. #define BUF_SIZE 200 
16.  
17. int fd_A[BACKLOG];    // accepted connection fd 
18. int conn_amount;    // current connection amount 
19.  
20. void showclient() 
21. { 
22.     int i; 
23.     printf("client amount: %d\n", conn_amount); 
24.     for (i = 0; i < BACKLOG; i++) { 
25.         printf("[%d]:%d  ", i, fd_A[i]); 
26.     } 
27.     printf("\n\n"); 
28. } 
29.  
30. int main(void) 
31. { 
32.     int sock_fd, new_fd;  // listen on sock_fd, new connection on new_fd 
33.     struct sockaddr_in server_addr;    // server address information 
34.     struct sockaddr_in client_addr; // connector's address information 
35.     socklen_t sin_size; 
36.     int yes = 1; 
37.     char buf[BUF_SIZE]; 
38.     int ret; 
39.     int i; 
40.  
41.     if ((sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1) { 
42.         perror("socket"); 
43.         exit(1); 
44.     } 
45.  
46.     if (setsockopt(sock_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &yes, sizeof(int)) == -1) { 
47.         perror("setsockopt"); 
48.         exit(1); 
49.     } 
50.      
51.     server_addr.sin_family = AF_INET;         // host byte order 
52.     server_addr.sin_port = htons(MYPORT);     // short, network byte order 
53.     server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // automatically fill with my IP 
54.     memset(server_addr.sin_zero, '\0', sizeof(server_addr.sin_zero)); 
55.  
56.     if (bind(sock_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) { 
57.         perror("bind"); 
58.         exit(1); 
59.     } 
60.  
61.     if (listen(sock_fd, BACKLOG) == -1) { 
62.         perror("listen"); 
63.         exit(1); 
64.     } 
65.  
66.     printf("listen port %d\n", MYPORT); 
67.  
68.     fd_set fdsr; 
69.     int maxsock; 
70.     struct timeval tv; 
71.  
72.     conn_amount = 0; 
73.     sin_size = sizeof(client_addr); 
74.     maxsock = sock_fd; 
75.     while (1) { 
76.         // initialize file descriptor set 
77.         FD_ZERO(&fdsr); 
78.         FD_SET(sock_fd, &fdsr); 
79.  
80.         // timeout setting 
81.         tv.tv_sec = 30; 
82.         tv.tv_usec = 0; 
83.  
84.         // add active connection to fd set 
85.         for (i = 0; i < BACKLOG; i++) { 
86.             if (fd_A[i] != 0) { 
87.                 FD_SET(fd_A[i], &fdsr); 
88.             } 
89.         } 
90.  
91.         ret = select(maxsock + 1, &fdsr, NULL, NULL, &tv); 
92.         if (ret < 0) { 
93.             perror("select"); 
94.             break; 
95.         } else if (ret == 0) { 
96.             printf("timeout\n"); 
97.             continue; 
98.         } 
99.  
100.         // check every fd in the set 
101.         for (i = 0; i < conn_amount; i++) { 
102.             if (FD_ISSET(fd_A[i], &fdsr)) { 
103.                 ret = recv(fd_A[i], buf, sizeof(buf), 0); 
104.                  
105.                 char str[] = "Good,very nice!\n"; 
106.                  
107.                 send(fd_A[i],str,sizeof(str) + 1, 0); 
108.                  
109.                  
110.                 if (ret <= 0) {        // client close 
111.                     printf("client[%d] close\n", i); 
112.                     close(fd_A[i]); 
113.                     FD_CLR(fd_A[i], &fdsr); 
114.                     fd_A[i] = 0; 
115.                 } else {        // receive data 
116.                     if (ret < BUF_SIZE) 
117.                         memset(&buf[ret], '\0', 1); 
118.                     printf("client[%d] send:%s\n", i, buf); 
119.                 } 
120.             } 
121.         } 
122.  
123.         // check whether a new connection comes 
124.         if (FD_ISSET(sock_fd, &fdsr)) { 
125.             new_fd = accept(sock_fd, (struct sockaddr *)&client_addr, &sin_size); 
126.             if (new_fd <= 0) { 
127.                 perror("accept"); 
128.                 continue; 
129.             } 
130.  
131.             // add to fd queue 
132.             if (conn_amount < BACKLOG) { 
133.                 fd_A[conn_amount++] = new_fd; 
134.                 printf("new connection client[%d] %s:%d\n", conn_amount, 
135.                         inet_ntoa(client_addr.sin_addr), ntohs(client_addr.sin_port)); 
136.                 if (new_fd > maxsock) 
137.                     maxsock = new_fd; 
138.             } 
139.             else { 
140.                 printf("max connections arrive, exit\n"); 
141.                 send(new_fd, "bye", 4, 0); 
142.                 close(new_fd); 
143.                 break; 
144.             } 
145.         } 
146.         showclient(); 
147.     } 
148.  
149.     // close other connections 
150.     for (i = 0; i < BACKLOG; i++) { 
151.         if (fd_A[i] != 0) { 
152.             close(fd_A[i]); 
153.         } 
154.     } 
155.  
156.     exit(0); 
157. } 

补充部分：

1 基本原理

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 0

int 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;

    // Listen
    listen_sd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (listen_sd < 0)
    {
        perror("socket() failed");
        exit(-1);
    }

    // Set socket options
    rc = setsockopt(listen_sd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, (char *) &on, sizeof(on));
    if (rc < 0)
    {
        perror("setsockopt() failed");
        close(listen_sd);
        exit(-1);
    }

    // Set IO control
    rc = ioctl(listen_sd, FIONBIO, (char *) &on);
    if (rc < 0)
    {
        perror("ioctl() failed");
        close(listen_sd);
        exit(-1);
    }

    // Bind
    memset(&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);
    }

    // Listen
    rc = listen(listen_sd, 32);
    if (rc < 0)
    {
        perror("listen() failed\n");
        close(listen_sd);
        exit(-1);
    }

    // Intialize sd set
    FD_ZERO(&master_set);
    max_sd = listen_sd;
    FD_SET(listen_sd, &master_set);

    timeout.tv_sec = 3 * 60;
    timeout.tv_usec = 0;

    // Start
    do
    {
        // Copy master_set into working_set
        memcpy(&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_set
        for (i = 0; i <= max_sd && desc_ready > 0; ++i)
        {
            // Check to see if this sd is ready
            if (FD_ISSET(i, &working_set))
            {
                --desc_ready;

                // Check to see if this is the listening sd
                if (i == listen_sd)
                {
                    printf("  Listeing socket is readable\n");
                    do
                    {
                        // Accept
                        new_sd = accept(listen_sd, NULL, NULL);

                        // Nothing to be accepted
                        if (new_sd < 0)
                        {
                            // All have been accepted
                            if (errno != EWOULDBLOCK)
                            {
                                perror("  accept() failed\n");
                                end_server = TRUE;
                            }
                            break;
                        }

                        // Insert new_sd into master_set
                        printf("  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 sd
                else
                {
                    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 occurs
                        if (rc < 0)
                        {
                            // Normal failure
                            if (errno != EWOULDBLOCK)
                            {
                                perror("  recv() failed\n");
                                close_conn = TRUE;
                            }
                            break;
                        }

                        // The connection has been closed by the client
                        if (rc == 0)
                        {
                            printf("  Connection closed\n");
                            close_conn = TRUE;
                            break;
                        }

                        /* Receiving data succeeded and echo it back
                           the 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 occured
                    if (close_conn)
                    {
                        // Close the sd and remove it from master_set
                        close(i);
                        FD_CLR(i, &master_set);

                        // If this is the max sd
                        if (i == max_sd)
                        {
                            // Find the max sd in master_set now
                            while (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;
}