【Linux网络编程】I/O多路转接之select

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1.初识select

我们曾经说过 IO = 等 +数据拷贝。

select是多路转接的一种，它只负责等待，可以一次等待多次fd，更为重要的是select本身没有数据拷贝的能力，拷贝要read、write来完成。

所以select在IO环节中只负责等，一旦哪一个文件描述符就绪了，那select要有方式来告知上层哪一个文件描述符好了。然后上层来读取。

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描述符的状态变化的;
• 程序会停在select这里等待，直到被监视的文件描述符有一个或多个发生了状态改变;

2.了解select基本概念和接口介绍

nfds：因为select可以一次等待多个文件描述符，而每一个文件描述符它的本质是数组下标，所以多个文件描述符它的数字大小肯定不一样，同时多个文件描述符也是不同整数构成的，它一定有最大一定有最小，而其中第一次参数表示，select要监视的多个fd中值最大的fd+1

如当前监视的是3、4、5、6，那个这个nfd就是6+1。

除了第一个参数，剩下的四个参数有一个共同特点，全都是输入输出型参数，也就是说未来是由我们传给select，传过去之后OS也要对传入的值做修改，然后输出给我们。

timeout：select一次等待多个fd，最后一个参数决定了，当select在等多个fd时它具体的等待方式是什么。

timeout设置为nullptr：阻塞式。也就是select一次等待多个df，但没有任何一个fd就绪时，select只能在底层阻塞，这个调用就不返回，直到有任何一个就绪了。

struct timeval结构内第一个变量表示的是秒，第二个变量表示的是微秒。

当用户调用select的时候，如果定义了一个struct timeval timeout={0，0}，传给最后一个参数，表示非阻塞。

也就是select一次等待多个df，但没有任何一个fd就绪时，select立马返回。

如果定义了一个struct timeval timeout={5，0}，传给最后一个参数。表示的是select的调用，5s以内阻塞式，超过5s非阻塞返回一次。假设5s内有任何一个fd就绪了select都可以立马返回。 然后这个参数会被设置成剩下的秒数。

返回值：
ret > 0 表示有ret个fd就绪了。
ret == 0 表示超时返回。假设设置时间是5s，5s内阻塞式不返回，超过5s没有一个就绪就是超时了。
ret < 0 表示select调用失败了。比如你今天服务器打开3、4、5这三个描述符，你现在只有这三个fd是合法的，可是你非要把10或20也管理起来，10和20在进程根本没有被打开你还要交给select，那select当然就调用失败了。

失败返回-1，erron被设置。

其实select中间三个参数是最重要的！下面介绍一下

select在等什么呢？它在等文件描述符上的事件就绪！
那是文件描述符上的什么事件就绪呢？
通常一般分三类：
读事件就绪：表示这个文件描述符缓冲区有数据了，可以读了。
写事件就绪：表示缓冲区内有空间了，可以写了。

读写事件就绪我们统称为IO事件就绪

异常事件就绪：在进行读写时可能会发生各种意外，比如正在给对方写入对方把文件描述符关了，此时我正在向一个已经关闭的客户端写入，这个时候在写入时可能出现异常。

select未来关心的事情，只有三类：读，写，异常 —> 对于任何一个fd，都是这三种

所以这三个参数就分别对应就是让select关心的读，写，异常事件。

可是select不是可以同时管理多个fd的读、写、异常事件吗？
可是现在select中除了第一个参数给我多个fd的感受，我们好像没有见到有多个fd。

我们可以看到这三个参数的类型是fd_set。
它其实是一个位图结构，用来表示文件描述符集合。

在信号的时候，有三种表pending表，block表，还有handler表，其中pending表，block表也就是位图结构。每个比特位表示不同的信号。

文件描述符是0、1、2等这样的数组下标，一：决定了大家都不同 ，二：大家会连续。所以我们采用位图结构表征各个文件描述符。位图结构一般实现都是采用结构体里面套数组完成。你想有多大位图自己设置就可以。

下面以读事件为例，写和异常完全一模一样！

如果想让select关心写，在定义一个位图结构，把文件描述符设置进写集合里。关心异常也是同样做法。

因为后面参数都是输入输出型参数，所以操作系统直接在你传的位图中做修改

所以对同一个参数做修改，本质就是让用户和内核之间互相沟通，互相知晓对方要的或者关心关心的

因此读、写、异常这里操作都是一模一样的， 如果你想让select既关心一个文件描述符的读又关心写，那就定义两种位图，把在这个文件描述符分别添加到读文件描述符集，写文件描述符集。那OS就帮我同时关心该文件描述符的读和写了。

所以读、写、异常三个参数位置的不同表示用户和内核分别交互的不同事件。

参数细节现在就说完了。还有一个问题fd_set是一个位图，能之间对fd_set这个位图做任何修改吗？
不可以，不建议！ 操作系统为了更好支持我们向位图里进行设置，查看位图等。系统给我们配了对应的位图操作接口。

   void FD_CLR(int fd, fd_set *set);  //把一个fd从集合中清除
   int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set); //判断一个fd是否在集合里
   void FD_SET(int fd, fd_set *set); //把一个fd设置到集合里
   void FD_ZERO(fd_set *set); //把证文件描述符集清空

3.select服务器

接下来我们写一个select服务器，这里我们先只处理读取，只获取数据。写入等到epoll哪里在处理，边写边介绍select 服务器的更多细节。

先准备一下要用东西，下面有些代码是我们以前写tcp服务器已经写过了，这里就不在重复说，直接用了。

错误码封装

#pragma once

enum
{
   
    USAGG_ERR = 1,
    SOCKET_ERR,
    BIND_ERR,
    LISTEN_ERR
};

日志函数封装

#pragma once

#include<iostream>
#include<string>
#include<stdio.h>
#include <cstdarg>
#include<ctime>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<fstream>

#define DUGNUM  0
#define NORMAL  1
#define WARNING 2
#define ERROR   3
#define FATAL   4

#define LOG_NORMAL "log.txt"
#define LOG_ERR "log.error"

const char* level_to_string(int level)
{
   
    switch(level)
    {
   
        case DUGNUM: return "DUGNUM";
        case NORMAL: return "NORMAL";
        case WARNING: return "WARNING";
        case ERROR: return "ERROR";
        case FATAL: return "FATAL";
    }
}

//时间戳变成时间
char* timeChange()
{
   
    time_t now=time(nullptr);
    struct tm* local_time;
    local_time=localtime(&now);

    static char time_str[1024];

    snprintf(time_str,sizeof time_str,"%d-%d-%d %d-%d-%d",local_time->tm_year + 1900,\
                    local_time->tm_mon + 1, local_time->tm_mday,local_time->tm_hour, \
                    local_time->tm_min, local_time->tm_sec);

    return time_str;
}



void logMessage(int level,const char* format,...)
{
   
    //[日志等级] [时间戳/时间] [pid] [message]
    //[WARNING] [2024-3-21 10-46-03] [123] [创建sock失败]
#define NUM 1024
    //获取时间
    char* nowtime=timeChange();
    char logprefix[NUM];
    snprintf(logprefix,sizeof logprefix,"[%s][%s][pid: %d]",level_to_string(level),nowtime,getpid());

    //
    char logconten[NUM];
    va_list arg;
    va_start(arg,format);
    vsnprintf(logconten,sizeof logconten,format,arg);

    
    std::cout<<logprefix<<logconten<<std::endl; 
};

创建套接字封装
这里为了方便我们全部写成静态成员函数了。后面我们epoll这里在设计一下

#pragma once

#include <iostream>
#include <string>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include "log.hpp"
#include "err.hpp"

using namespace std;

class Sock
{
   
     const static int backlog = 32;

public:
    static int sock()
    {
   
        // 1. 创建socket文件套接字对象
        int sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
        if (sock < 0)
        {
   
            logMessage(FATAL, "create socket error");
            exit(SOCKET_ERR);
        }
        logMessage(NORMAL, "create socket success: %d", sock);
	
		//当服务器挂了，可以重启
        int opt = 1;
        setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR|SO_REUSEPORT, &opt, sizeof(opt));
        return sock;
    }

    static void Bind(int sock,int port)
    {
   
        // 2. bind绑定自己的网络信息
        struct sockaddr_in local;
        memset(&local, 0, sizeof(local));
        local.sin_family = AF_INET;
        local.sin_port = htons(port);
        local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
        if (bind(sock, (struct sockaddr *)&local, sizeof(local)) < 0)
        {
   
            logMessage(FATAL, "bind socket error");
            exit(BIND_ERR);
        }
        logMessage(NORMAL, "bind socket success");

    }

    static void Listen(int sock)
    {
   
        // 3. 设置socket 为监听状态
        if (listen(sock, backlog) < 0) 
        {
   
            logMessage(FATAL, "listen socket error");
            exit(LISTEN_ERR);
        }
        logMessage(NORMAL, "listen socket success");
    }

    static int Accept(int listensock, std::string *clientip, uint16_t