IO多路复用-select详细介绍

1.概念与原理

        定义：I/O 多路复用是一种同步 I/O 模型，它允许单个进程同时监视多个文件描述符（如套接字），以确定它们是否准备好进行 I/O 操作（可读、可写或出现异常）。select是一种在 Unix 和类 Unix 系统中实现 I/O 多路复用的系统调用。

        工作原理：select函数会阻塞进程，直到被监视的文件描述符集合中的一个或多个满足指定的条件（可读、可写或异常）。它维护了三个文件描述符集合：readfds（可读）、writefds（可写）和exceptfds（异常）。当调用select时，内核会检查这些集合中的文件描述符状态，当有满足条件的文件描述符时，select返回，应用程序可以通过遍历集合来确定具体是哪些文件描述符就绪。

2.函数原型与参数

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

参数解释：

• nfds：是所有集合（readfds、writefds和exceptfds）中最大文件描述符值加 1。这个参数限制了内核在检查文件描述符时的范围。
• readfds：指向一个fd_set结构的指针，用于监视可读事件的文件描述符集合。如果一个文件描述符在这个集合中，并且对应的 I/O 设备（如套接字）有数据可读，那么select会返回并且这个文件描述符会在返回后的readfds集合中被标记为就绪。
• writefds：指向一个fd_set结构的指针，用于监视可写事件的文件描述符集合。如果一个文件描述符在这个集合中，并且对应的 I/O 设备（如套接字）可以写入数据（例如，套接字的发送缓冲区有足够的空间），那么select会返回并且这个文件描述符会在返回后的writefds集合中被标记为就绪。
• exceptfds：指向一个fd_set结构的指针，用于监视异常事件的文件描述符集合。异常情况可能包括带外数据到达等情况。
• timeout：指向一个struct timeval结构的指针，用于指定select的超时时间。如果这个参数为NULL，select会一直阻塞，直到有文件描述符就绪。struct timeval结构有两个成员：tv_sec（秒）和tv_usec（微秒），用于指定超时的时间长度。

3.fd_set结构与操作函数

fd_set结构：fd_set是一个用于存储文件描述符集合的结构。它在内部是一个位向量，每个位对应一个文件描述符。在实际使用中，通常不需要直接操作fd_set的内部结构，而是通过一组宏来操作。

操作宏：

• FD_ZERO(fd_set *set)：将set所指向的fd_set清空，即把所有位都设置为 0，用于初始化一个文件描述符集合。
• FD_SET(int fd, fd_set *set)：将文件描述符fd添加到set所指向的fd_set中，即将对应的位置 1。
• FD_CLR(int fd, fd_set *set)：将文件描述符fd从set所指向的fd_set中清除，即将对应的位置 0。
• FD_ISSET(int fd, fd_set *set)：检查文件描述符fd是否在set所指向的fd_set中，如果在则返回 1，否则返回 0。

4.使用步骤与示例

步骤：

1. 首先，使用FD_ZERO初始化readfds、writefds和exceptfds（根据需要）。
2. 然后，使用FD_SET将需要监视的文件描述符添加到相应的集合中。
3. 接着，设置timeout参数来指定超时时间（如果需要）。
4. 调用select函数，等待文件描述符就绪。
5. 在select返回后，使用FD_ISSET检查哪些文件描述符就绪，并进行相应的 I/O 操作。

示例（简单的 TCP 服务器使用select处理多个客户端连接）：

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

#define MAX_CLIENTS 10
#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    int server_socket, client_sockets[MAX_CLIENTS];
    struct sockaddr_in server_addr, client_addr;
    socklen_t client_addr_len;
    fd_set readfds;
    int max_fd;
    char buffer[BUFFER_SIZE];

    // 创建服务器套接字
    server_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (server_socket == -1) {
        perror("Socket creation failed");
        return 1;
    }

    // 初始化服务器地址结构
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(8888);
    server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

    // 绑定服务器套接字到地址
    if (bind(server_socket, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {
        perror("Binding failed");
        close(server_socket);
        return 1;
    }

    // 监听连接请求
    if (listen(server_socket, MAX_CLIENTS) == -1) {
        perror("Listening failed");
        close(server_socket);
        return 1;
    }

    // 初始化客户端套接字数组
    for (int i = 0; i < MAX_CLIENTS; i++) {
        client_sockets[i] = -1;
    }

    while (1) {
        // 每次循环开始时重新初始化文件描述符集合
        FD_ZERO(&readfds);
        // 将服务器套接字添加到可读集合中
        FD_SET(server_socket, &readfds);
        max_fd = server_socket;

        // 将客户端套接字添加到可读集合中
        for (int i = 0; i < MAX_CLIENTS; i++) {
            if (client_sockets[i]!= -1) {
                FD_SET(client_sockets[i], &readfds);
                if (client_sockets[i] > max_fd) {
                    max_fd = client_sockets[i];
                }
            }
        }

        // 调用select等待文件描述符就绪
        int activity = select(max_fd + 1, &readfds, NULL, NULL, NULL);
        if (activity == -1) {
            perror("Select error");
            return 1;
        } else if (activity == 0) {
            // 超时情况，这里没有设置超时，所以一般不会进入这个分支
            continue;
        } else {
            // 检查服务器套接字是否可读，即有新的连接请求
            if (FD_ISSET(server_socket, &readfds)) {
                client_addr_len = sizeof(client_addr);
                int new_client_socket = accept(server_socket, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_addr_len);
                if (new_client_socket == -1) {
                    perror("Accept failed");
                } else {
                    // 将新连接的客户端套接字添加到数组中
                    for (int i = 0; i < MAX_CLIENTS; i++) {
                        if (client_sockets[i] == -1) {
                            client_sockets[i] = new_client_socket;
                            break;
                        }
                    }
                }
            }

            // 检查客户端套接字是否可读，即有数据可读
            for (int i = 0; i < MAX_CLIENTS; i++) {
                if (client_sockets[i]!= -1 && FD_ISSET(client_sockets[i], &readfds)) {
                    int bytes_read = read(client_sockets[i], buffer, BUFFER_SIZE);
                    if (bytes_read <= 0) {
                        // 客户端关闭连接或读取错误
                        close(client_sockets[i]);
                        client_sockets[i] = -1;
                    } else {
                        buffer[bytes_read] = '\0';
                        // 在这里可以对读取的数据进行处理，例如打印或转发等
                        printf("Received from client: %s", buffer);
                        // 简单地回显数据给客户端
                        write(client_sockets[i], buffer, strlen(buffer));
                    }
                }
            }
        }
    }

    // 关闭服务器套接字
    close(server_socket);
    return 0;
}

示例解释：

1.首先创建一个 TCP 服务器套接字，绑定到指定端口并监听连接请求。

2.然后进入一个无限循环，在每次循环中：

• 初始化readfds集合，将服务器套接字添加进去，并遍历客户端套接字数组，将非-1（表示有效的客户端连接）的客户端套接字也添加到readfds集合中，同时记录最大的文件描述符值。
• 调用select函数等待文件描述符就绪。
• 如果select返回后，首先检查服务器套接字是否在readfds集合中（即是否有新的连接请求），如果是，则接受新连接并将新的客户端套接字添加到客户端套接字数组中。
• 接着遍历客户端套接字数组，检查每个客户端套接字是否在readfds集合中（即是否有数据可读），如果是，则读取数据，处理数据（这里是简单地回显），并根据读取结果判断是否关闭连接。

5.优缺点

优点：

• 可以同时处理多个文件描述符，提高服务器的并发处理能力，适用于处理大量的 I/O 操作，如在网络服务器中处理多个客户端连接。
• 跨平台性较好，在许多 Unix 和类 Unix 系统中都有支持。

缺点：

• 每次调用select都需要将文件描述符集合从用户空间复制到内核空间，并且在返回时还要从内核空间复制回用户空间，当文件描述符数量很大时，这种复制操作会带来较大的开销。
• 单个进程可监视的文件描述符数量有限，通常由FD_SETSIZE定义，虽然可以通过一些手段修改这个限制，但会增加系统的复杂性。
• 每次调用select都需要遍历所有的文件描述符集合来确定哪些文件描述符就绪，当文件描述符数量很大时，效率较低。