IO多路复用之select

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UNIX网络编程卷1:套接字联网API 笔记专栏收录该内容

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1. 基本概念

IO多路复用是指内核一旦发现进程指定的一个或多个IO条件准备就绪，它就通知该进程。IO多路复用使用如下场合：

(1) 当客户处理多个描述符时(一般是交互式输入和网络套接口)，必须使用IO复用

(2) 当一个客户同时处理多个套接口时，而这种情况是可能的，但很少出现。

(3) 如果一个TCP服务器既要处理监听套接口，又要处理已有连接套接口，一般也要用到IO复用

(4) 如果一个服务器挤压送处理TCP，又要处理UDP，一般要使用IO复用

(5) 如果一个服务器要处理多个服务或多个协议，一般要使用IO复用

与多进程和多线程技术相比，IO多路复用技术最大优势是系统开销小，系统不比创建进程、线程，也不比维护这些进程、线程，从而大大减小了系统的开销。

2. select函数

该函数准许进程指示内核等待多个时间中的任何一个发送，并只在一个或多个时间发生或经历一段知道时间后才唤醒。函数原型如下：

#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>

int select(int maxfdp1, fd_set *readset, fd_set *writeset, fd_set *exceptset, const struct timeval *timeout);
返回就绪描述符的数目，超市返回0，出错返回-1

函数参数介绍如下：

(1) 第一个参数maxfdp1指定待测试的描述符字个数，它的值是待测试的最大描述字加1(因此把该参数命名为maxfd拍)，描述字0/1/2.../maxfdp1-1均将被测试

(2) 中间的三个参数readset、writeset和exceptset指定我们要让内核测试读、写和异常条件的描述字。如果对某一个的条件不敢兴趣，就可以把它设为空指针。stryct fd_set可以理解为一个集合，这个集合中存放的是文件描述符，可通过以下四个宏进行设置：

void FD_ZERO(fd_set *fdset); // 清空集合
void FD_SET(int fd, fd_set *fdset); //将一个给定的文件描述符加入集合之中
void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset); // 将一个给定的文件描述符从集合中删除
int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset); // 检查集合中知道的文件描述符是否可以读写

(3) timeout告知内核等待所指定描述字中的任何一个就绪可花多少时间。其中timeval结构用于指定这段时间的秒数和微秒数

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

这个参数有三种可能：

(1) 永远等待下去：仅在有一个描述字准备好I/O才返回，为此，把该参数设置为NULL

(2) 等待一个固定时间：在有一个描述字准备好IO时返回，但是不超过由该参数所指向的timeval结构中指定的秒数和微秒数

(3) 根本不等待：检查描述字后立即返回，这称为轮询。为此该参数必须指向一个timeval结构，而且其中的定时器的值必须为0

原理图：

3. 测试程序

写一个TCP回显程序，程序的功能是：客户端想服务器发送信息，服务器接收并原样发送给客户端，客户端显示出接收到的信息。

服务器程如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/select.h>
#include <sys/types.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <assert.h>

#define IPADDR "127.0.0.1"
#define PORT    11343
#define MAXLINE 1024
#define LISTENQ 5
#define SIZE    4

typedef struct server_context_st
{
    int cli_cnt;       /*客户端个数*/
    int clifds[SIZE];  /*客户端*/
    fd_set allfds;     /*句柄集合*/
    int maxfd;         /*句柄最大值*/
}server_context_st;

static server_context_st *s_srv_ctx = NULL;

static int create_server_proc(const char *ip, int port)
{
    int fd;
    int yes = 1;
    int reuse = 1;
    struct sockaddr_in servaddr;
    fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(fd == -1){
        fprintf(stderr, "Create socket fail, errno:%d,reason:%s\n", errno, strerror(errno));
        return -1;
    }

    if(setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &yes, sizeof(int)) == -1){
        return -1;
    }
    
    if(setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &reuse, sizeof(reuse)) == -1){
        return -1;
    }

    bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    inet_pton(AF_INET, ip, &servaddr.sin_addr);
    servaddr.sin_port = htons(port);
  
    if(bind(fd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) == -1){
        perror("bind error:");
        return -1;
    }

    listen(fd, LISTENQ);
    return fd;
}

static int accept_client_proc(int srvfd)
{
    struct sockaddr_in cliaddr;
    socklen_t cliaddrlen;
    int i = 0;
    int clifd = -1;
    cliaddrlen = sizeof(cliaddr);
    printf("accept client proc is called.\n");

ACCEPT:
    clifd = accept(srvfd, (struct sockaddr*)&cliaddr, &cliaddrlen);

    if(clifd == -1){
        if (errno == EINTR){
            goto ACCEPT;
        }else{
            fprintf(stderr, "accept fail, error:%s\n", strerror(errno));
            return -1;
        }
    }
    fprintf(stdout, "accept a new client:%s:%d\n", inet_ntoa(cliaddr.sin_addr), cliaddr.sin_port);

    // 将新连接描述符添加到数组
    for(i = 0; i < SIZE; i++){
        if(s_srv_ctx->clifds[i] < 0){
            s_srv_ctx->clifds[i] = clifd;
            s_srv_ctx->cli_cnt++;
            break;
        }
    }
    printf("i = %d, SIZE = %d\n",i,SIZE);
    if(i == SIZE){
        fprintf(stderr, "to many clients.\n");
        return -1;
    }
}

static int handle_client_msg(int fd, char *buf)
{
    assert(buf);
    printf("recv buf is: %s\n", buf);
    write(fd, buf, strlen(buf)+1);
    return 0;
}

static void recv_client_msg(fd_set *readfds)
{
    int i;
    int n;
    char buf[MAXLINE];
    int clifd;
    i = 0;
    n = 0;
    bzero(buf, MAXLINE);

    for(i = 0; i <= s_srv_ctx->cli_cnt; i++){
        clifd = s_srv_ctx->clifds[i];
        if(clifd < 0){
            continue;
        }
    
        if(FD_ISSET(clifd, readfds)){
            n = read(clifd, buf, MAXLINE);
            if(n <= 0){
                FD_CLR(clifd, &s_srv_ctx->allfds);
                close(clifd);
                s_srv_ctx->clifds[i] = -1;
                continue;
            }
       
            handle_client_msg(clifd, buf);
        }
    }
}

static void handle_client_proc(int srvfd)
{
    int clifd;
    int retval;
    struct timeval tv;
    int i;
    fd_set *readfds = &s_srv_ctx->allfds;

    while(1){
        /*每次调用select前都要重新设置文件描述符和时间，因为事件发生后，文件描述符和时间都被内核修改*/
        /*添加监听套接字 */
        FD_ZERO(readfds);
        FD_SET(srvfd, readfds);
        s_srv_ctx->maxfd = srvfd;

        tv.tv_sec = 30;
        tv.tv_usec = 0;

        /*添加客户端套接字*/
        for(i = 0; i < s_srv_ctx->cli_cnt; i++){
            clifd = s_srv_ctx->clifds[i];
            FD_SET(clifd, readfds);
            s_srv_ctx->maxfd = (clifd > s_srv_ctx->maxfd ? clifd:s_srv_ctx->maxfd);
        }
        
        retval = select(s_srv_ctx->maxfd+1, readfds, NULL, NULL,&tv);
       
        if(retval == -1){
            fprintf(stderr, "select error:%s.\n", strerror(errno));
            return;
        }
        if(retval == 0){
            fprintf(stdout, "select is timeout.\n");
            continue;
        }

        if(FD_ISSET(srvfd, readfds)){
            /*监听客户端请求*/
            accept_client_proc(srvfd);
        }else{
            /*接受处理客户端消息*/
            recv_client_msg(readfds);
        }
    }
}

static void server_uninit()
{
    if(s_srv_ctx){
        free(s_srv_ctx);
        s_srv_ctx = NULL;
    }
}

static int server_init()
{
    int i = 0;
    s_srv_ctx = (server_context_st *)malloc(sizeof(server_context_st));
    if(s_srv_ctx == NULL){
        return -1;
    }

    memset(s_srv_ctx, 0, sizeof(server_context_st));

    for(i = 0; i < SIZE; i++){
        s_srv_ctx->clifds[i] = -1;
    }
    
    return 0;
}

int main(int argc, char** argv)
{
    int srvfd;
    if(server_init() < 0){
        printf("init error.\n");
        return -1;
    }

    srvfd = create_server_proc(IPADDR, PORT);
    if(srvfd < 0){
        fprintf(stderr, "socket create or bind fail.\n");
        goto err;
    }

    handle_client_proc(srvfd);
    return 0;

err:
    server_uninit();
    return -1;
}

客户端代码如下：

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

#define MAXLINE 1024
#define IPADDRESS "127.0.0.1"
#define SERV_PORT 11343

#define max(a,b) (a>b)?a:b

static void handle_recv_msg(int sockfd, char *buf)
{
    printf("client recv msg is: %s\n", buf);
    sleep(5);
    write(sockfd, buf, strlen(buf) + 1);
}

static void handle_connection(int sockfd)
{
    char sendline[MAXLINE];
    char recvline[MAXLINE];
    fd_set readfds;
    int n;
    struct timeval tv;
    int retval;
    int maxfdp;
    int stdineof;

    while(1){
        FD_ZERO(&readfds);
        FD_SET(sockfd, &readfds);
        maxfdp = sockfd;

        tv.tv_sec = 5;
        tv.tv_usec = 0;

        retval = select(maxfdp+1, &readfds, NULL, NULL, &tv);
        if(retval == -1){
            return;
        }
        if(retval == 0){
            printf("client timeout.\n");
            continue;
        }

        if(FD_ISSET(sockfd, &readfds)){
            n = read(sockfd, recvline, MAXLINE);
            if(n <= 0){
                fprintf(stderr, "client: server is closed.\n");
                close(sockfd);
                FD_CLR(sockfd, &readfds);
                return;
            }
            handle_recv_msg(sockfd, recvline);
        }

    }
}

int main(int argc, char** argv)
{
    int sockfd;
    struct sockaddr_in servaddr;
    int retval;

    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(sockfd < 0){
        printf("socket error\n");
        return -1;
    }

    bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
    inet_pton(AF_INET, IPADDRESS, &servaddr.sin_addr);

    retval = connect(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr));
    if(retval  < 0){
        fprintf(stderr, "connect fail, error:%s\n", strerror(errno));
        return -1;
    }

    printf("client send to server.\n");
    write(sockfd, "hello server", 32);
    
    handle_connection(sockfd);
    return 0;
}