I/O多路复用之select

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本文介绍了Unix下的五种I/O模型之一——select函数，详细解析了select函数的作用、参数含义、模型理解和实现方式，并讨论了其局限性。

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  在介绍select之前，我们先来了解Unix下五种I/O模型，分别有：阻塞I/O, 非阻塞I/O, 信号驱动I/O, 异步I/O以及I/O多路复用，而系统提供的select函数就是来实现多路复用I/O模型的，下面将围绕以下几方面来详细介绍一下这个函数：
  1.select函数的作用；
  2.select函数的头文件，原型，各个参数所代表的含义及函数返回值；
  3.select模型的理解；
  4.使用select存在的缺点；
  5.实现一个select_tcp。

1.select函数的作用
通常I/O操作有两个步骤，一个是等，另一个是数据搬迁，select主要是在等的这个状态下阻塞着直到事件发生。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。
2.select函数的头文件，原型及各个参数所代表的含义
这里写图片描述
（1）nfds:是需要监视的最大的文件描述符的值+1。
（2）fd_set:fd_set底层是用位图实现的，每一个位都代表一个文件描述符。
readfds,writefds,exceptfds分别对应于需要检测的可读文件描述符结合，可写描述符集合，异常文件描述符集合，它们都是输入输出型参数。
当作为输入参数时：只要文件描述符集合中对应的位上为1，就表示select需要监视这个描述符的状态。比如readfds里面的文件描述符就代表他们需要等待读事件，writefds里面的文件描述符就代表他们需要等待写事件。
当作为输出参数时，只要文件描述符集合中对应的位上为1，就代表他们等待的事件已经就绪，这是由内核设定的。

下面的宏提供了处理这三种描述词组的方式:
这里写图片描述

FD_CLR(int 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

（3）结构timeval，用来设置select()的等待时间，其结构定义如下：
这里写图片描述

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：表示非阻塞轮询方式，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，返回值为0。

（4）select函数的返回值
调用成功，则返回文件描述符状态已改变的个数；
如果返回0表示在描述符状态改变之前已经超过timeout时间；
如果有错误发生的话，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：
a）EBADF 文件描述词为无效的或该文件已关闭
b）EINTR 此调用被信号所中断
c）EINVAL 参数n 为负值。
d）ENOMEM 核心内存不足。

3.select模型的理解
select可监控的文件描述符个数取决于sizeof(fd_set)的值，因为文件描述符是用位图表示的，所以能监控的描述符的最大数量是sizeof(fd_set)*8.
将fd加入select监控集的同时，还要使用一个额外的数组保存select监控集中的fd。
一方面是用于在select返回后，array作为源数据和fd_set进行FD_ISSET判断事件是否就绪；另一方面是select返回之后会把以前加入的但并无事件发生的fd清空，这是由内核清空的，所以每次开始select前都要重新从array中取得fd加入到fd_set中。
还有就是因为select第一个参数是当前要监测的文件描述符的最大值加1，可以在扫描array的同时取得fd的最大值maxfd，用于select的第一个参数。

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。

4.select缺点
（1）每次调用select，都需要把fd集合从用户态拷贝到内核态,在fd很多时这个开销很大；
（2）同时每次调用select都需要在内核遍历传进来的所有fd,在fd很多时这个开销也很大；
（3）select支持的文件描述符数量太少了，默认是1024.

5.使用select实现一个简单的网络服务器
代码已上传至github
https://github.com/18309220622/network/commit/07c55ae4bcc66dad2ac79c74fe4f443fb8bb7751 select_tcp
在这里通过借助telnet远程登录进行的测试，所以就没有写client.c