I/O复用——select系统调用

select系统调用

  select系统调用的用途是：在一段指定时间内，监听用户感兴趣的文件描述符上的可读、可写和异常的事件。

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select API

  在终端上输入man select，可以查看select系统调用的原型：

/* According to POSIX.1-2001 */
#include <sys/select.h>

/* According to earlier standards */
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

int select( int nfds, fd_set* readfds, fd_set* writefds, fd_set* exceptfds, struct timeval* timeout )

1)nfds参数指定被监听的文件描述符的总数。它通常被设置为select监听的所有文件描述符中的最大值加1，因为文件描述符是从0开始计数的。

2)readfds、writefds和exceptfds参数分别指向可读、可写和异常等事件对应的文件描述符集合。应用程序调用select函数时，通过这3个参数传入自己感兴趣的文件描述符。select调用返回时，内核将修改它们来通知应用程序哪些文件描述符已经就绪。

#include <bits/typesizes.h>
/* Number of descriptors that can fit in an `fd_set'.  */
#define __FD_SETSIZE            1024

#include <sys/select.h>
/* The fd_set member is required to be an array of longs.  */
typedef long int __fd_mask;

/* Some versions of <linux/posix_types.h> define this macros.  */
#undef  __NFDBITS
/* It's easier to assume 8-bit bytes than to get CHAR_BIT.  */
#define __NFDBITS       (8 * (int) sizeof (__fd_mask))

/* fd_set for select and pselect.  */
typedef struct
  {
    /* XPG4.2 requires this member name.  Otherwise avoid the name
       from the global namespace.  */
#ifdef __USE_XOPEN
    __fd_mask fds_bits[__FD_SETSIZE / __NFDBITS];
# define __FDS_BITS(set) ((set)->fds_bits)
#else
    __fd_mask __fds_bits[__FD_SETSIZE / __NFDBITS];
# define __FDS_BITS(set) ((set)->__fds_bits)
#endif
  } fd_set;
/* Maximum number of file descriptors in `fd_set'.  */
#define FD_SETSIZE              __FD_SETSIZE

  上面这些代码看不懂也没关系，这里说明以下，fd_set结构体其实仅包含一个整型数组，该数组的每个元素的每一位(bit)标记一个文件描述符。fd_set能容纳的文件描述符数量由FD_SETSIZE ( 即__FD_SETSIZE ) 指定，这就限制了select能同时处理的文件描述符的总数。

  由于位操作过于烦琐，我们应该使用以下的一系列宏来访问fd_set结构体中的位：

#include <sys/select.h>
/* 清除fdset的位fd */
void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset);
/* 测试fdset的位fd是否被设置 */
int  FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset);
/* 设置fdset的位fd */
void FD_SET(int fd, fd_set *fdset);
/* 清除fdset的所有位 */
void FD_ZERO(fd_set *fdset);

3)timeout参数用来设置select函数的超时时间。它是一个timeval结构类型的指针，采用指针参数是因为内核将修改它以告诉应用程序select等待了多久。不过我们不能完全信任select调用返回后的timeout值，比如调用失败时timeout值是不确定的。timeval结构体的定义如下：

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

  由以上定义可见，select给我们提供了一个微秒级的定时方式。如果给timeout变量的tv_sec成员和tv_usec成员都传递0，则select将立即返回。如果给timeout传递NULL，则select将一直阻塞，直到某个文件描述符就绪。

  select成功时返回就绪(可读、可写和异常)文件描述符的总数。如果在超时时间内没有任何文件描述符就绪，select将返回0。select失败时返回-1并设置errno。如果在select等待期间，程序接收到信号，则select立即返回-1，并设置errno为EINTR。

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文件描述符就绪条件

   哪些情况下文件描述符可以被认为是可读、可写或者出现异常，对于select的使用非常关键。在网络编程中，下列情况下socket可读：

• socket内核接收缓冲区中的字节数大于或等于其低水位标记SO_RCVLOWAT。此时我们可以无阻塞地读该socket，并且读操作返回的字节数大于0。
• socket通信的对方关闭连接。此时对该socket的读操作将返回0。
• 监听socket上有新的连接请求。
• socket上有未处理的错误。此时我们可以使用getsockopt来读取和清除该错误。

  下列情况下socket可写：

• socket内核发送缓冲区中的可用字节数大于或等于其低水位标记SO_SNDLOWAT。此时我们可以无阻塞地写该socket，并且写操作返回的字节数大于0。
• socket的写操作关闭。对写操作关闭的socket执行写操作将触发一个SIGPIPE信号。
• socket使用非阻塞connect连接成功或者失败(超时)之后。
• socket上有未处理的错误。此时我们可以使用getsockopt来读取和清除。

  网络程序设计中，select能处理的异常情况只有一种：socket上接收到带外数据。下面我们详细讨论。

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处理带外数据

  socket上接收到普通数据和带外数据都将使select返回，但socket处于不同的就绪状态：前者处于可读状态，后者处于异常状态。下面的代码描述了select是如何同时处理普通数据和带外数据的。

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

int main( int argc, char* argv )
{
    if( argc <= 2 )
    {
        printf("Usage: %s ip_address port_number\n", basename(argv[0]));
        return 1;
    }

    const char* ip = argv[1];
    int port = atoi(argv[2]);

    int ret = 0;
    struct sockaddr_in address;
    bzero(&address, sizeof(address));
    address.sin_family = AF_INET;
    inet_pton(AF_INET, ip, &address.sin_addr);
    address.sin_port = htons(port);

    int listenfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    assert(listenfd >= 0);
    ret = bind(listenfd, (struct sockaddr*)&address, sizeof(address));
    assert(ret != -1);
    ret = listen(listenfd, 5);
    assert(ret != -1);

    struct sockaddr_in client_address;
    socklen_t client_addrlength = sizeof(client_address);
    int connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)&client_address,
                        &client_addrlength);
    if(connfd < 0)
    {
        printf("errno is: %d\n", errno);
        close(listenfd);
    }

    char buf[1024];
    fd_set read_fds;
    fd_set exception_fds;
    FD_ZERO(&read_fds);
    FD_ZERO(&exception_fds);

    while(1)
    {
        memset(buf, '\0', sizeof(buf));
        /* 每次调用select前都要重新在read_fds和exception_fds中设置文件描述符connfd，因为事件发生之后，文件描述符集合将被内核修改 */
        FD_SET(connfd, &read_fds);
        FD_SET(connfd, &exception_fds);
        ret = select(connfd + 1, &read_fds, NULL, &exception_fds, NULL);
        if(ret < 0)
        {
            printf("selection failure\n");
            break;
        }

        /* 对于可读事件，采用普通的recv函数读取数据 */
        if(FD_ISSET(connfd, &read_fds))
        {
            ret = recv(connfd, buf, sizeof(buf) - 1, 0);
            if(ret <= 0)
            {
                break;
            }
            printf("get %d bytes of normal data: %s\n", ret, buf);
        }
        /* 对于异常事件，采用带MSG_OOB标志的recv函数读取带外数据 */
        else if(FD_ISSET(connfd, &exception_fds))
        {
            ret = recv(connfd, buf, sizeof(buf) - 1, MSG_OOB);
            if(ret <= 0)
            {
                break;
            }
            printf("get %d bytes of oob data: %s\n", ret, buf);
        }
    }
    close(connfd);
    close(listenfd);
    return 0;
}