select count(*) from返回的类型_网络模型之select

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之前我们写了一些简单的网络程序,使用的都是基本的socket,这些程序有一个特点就是都是阻塞执行的。何谓阻塞呢?就是函数不会立即返回,直到等到结果才返回,像accept,recv就属于阻塞函数。

这种方式在人数(客户端)较少的情境下没有什么问题,但要是人数比较多了服务器就不能及时处理后面的客户请求了。若第一个连接的用户受理时间为1秒,那么第一百个连接的用户就得等100秒。一个方法是可以为每个连接进来的用户开启一个线程进行处理,但开启太多的线程得付出很大的代价,所以这种方式也仅适用于用户较少的情况。

基于此,windows提供了一些网络模型来提高服务器同时接受客户端的能力。这里将会以几篇来分别讲解几个常用的模型,

  • select
  • 事件选择
  • 重叠IO
  • IOCP完成端口

这些模型从弱到强,从易到难。select用来解决基本socket多线程的问题,适合60多个用户。事件选择异步了接受操作,适合300-500个用户。重叠IO就完全非阻塞了,适合上千个用户。IOCP更加强大,可以支持万级别的用户,QQ那些就使用的这个。

还有Linux上的epoll模型,这个和IOCP是一个级别的,因为我没怎么接触linux,所以这里就主要说windows上的。

这里首先来说最简单的select模型,在此之前,我先画了一张图:

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从图中可以看出有两个部分是阻塞的,一个是等待数据到来,一个是将数据从内核复制到程序缓冲区。

基本的socket这两个部分都是阻塞的,若是使用多线程的方式来处理,我们得用n+1个线程来服务n个客户。而申请大量线程代价极大且效率非佳,select的目的就是来解决基本socket的多线程问题,它也是阻塞的,却只需要用2个线程来服务n个客户。

之所以叫select模型,是因为这个模型主要是通过一个叫select的函数来完成的,其原型如下:

int select (  int nfds,  //在windows仅仅是为了保持和别的系统的兼容性,无意义                  fd_set FAR * readfds,  //若有待读取数据,则注册到fd_set  fd_set FAR * writefds, //若可传输无阻塞数据,则注册到fd_set  fd_set FAR * exceptfds,  //若发生异常,则注册到fd_set  const struct timeval FAR * timeout  //超时时间);

其中的fd_set称为文件描述符,是一个结构体:

typedef struct fd_set {        u_int fd_count;                 /* how many are SET? */        SOCKET  fd_array[FD_SETSIZE];   /* an array of SOCKETs */} fd_set;

select函数可以将多个文件描述符集中到一起统一监视,这里fd_count表示套接字的数量,我们可以把需要监视的socket存到fd_array中,FD_SETSIZE是一个宏,表示最多可监视的socket数量,现在这个宏定义为64,所以我们最多可以监视64个套接字。

因为fd_set是以位为单位进行操作的,所以OS提供了一些宏来方便操作:

FD_ZERO(fd_set * fdset)  //将fd_set的所有位置0FD_SET(int fd, fd_set * fdset)  //在fdset中注册文件描述符fd的信息FD_CLR(int fd, fd_set * fdset)  //从fdset中清除文件描述符fd的信息FD_ISSET(int fd, fd_set * fdset)  //若fdset中包含文件描述符fd的信息,则为true

比如我们往文件fd_set中注册了5个套接字,那么表示和操作就像这样:

fd1 fd2 fd3 fd4 fd5 1   0   0   1   0  //fd_set中存放的是位数组fd_set reads;FD_ZERO(&reads);  //0 0 0 0 0FD_SET(1, &reads);  //0 1 0 0 0FD_SET(4, &reads);  //0 1 0 0 1FD_ISSET(1, &reads);  //返回trueFD_ISSET(2, &reads);  //返回falseFD_CLR(1, &reads);  //0 0 0 0 1

select函数的最后一个参数用于指定超时时间,其原型如下:

struct timeval {        long    tv_sec;         /* seconds */        long    tv_usec;        /* and microseconds */};

tv_sec用于指定秒数,tv_usec用于指定微秒。这个结构体被typedef为TIMEVAL。

因为select函数只有在监视的文件描述符发生变化时才返回,所以指定超时时间来防止一直阻塞,若不想使用,可以传入NULL。

现在来看select函数的返回值,若发生错误,返回-1;若超时,返回0;若执行后返回大于0的整数,就说明相应的文件描述符发生了变化,它会把这些发生变化的位置1,其余全置为0。所以若fd1,fd3位有变化,那么就是这样:

fd1 fd2 fd3 fd4 fd5 0   0   0   0   0返回1 0 1 0 0

现在我们以select来完成服务端,首先定义一个CSelect类:

class CSelect{public:    CSelect(int port);    ~CSelect();    void Accept();  //接受连接private:    void InitSock();  //初始化套接字    void RequestHandler();  //处理请求的线程private:    WSADATA m_wsaData;    SOCKET m_listenSock, m_clntSock;    SOCKADDR_IN m_listenAddr, m_clntAddr;    fd_set m_fdReads;  //文件描述符    TIMEVAL m_timeout;  //超时时间    int m_nPort;  //端口};

在构造函数中,保存端口和初始化套接字:

CSelect::CSelect(int port)    : m_nPort(port){    InitSock();}

InitSock用于初始化套接字,这些操作大家应该都非常熟悉了:

void CSelect::InitSock(){    //初始化winsock库    int ret = WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &m_wsaData);    assert(ret == 0);    //创建监听套接字    m_listenSock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);    //设置地址信息    memset(&m_listenAddr, 0, sizeof(m_listenAddr));    m_listenAddr.sin_family = AF_INET;    m_listenAddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);    m_listenAddr.sin_port = htons(m_nPort);    //绑定    ret = bind(m_listenSock, (SOCKADDR *)&m_listenAddr, sizeof(m_listenAddr));    assert(ret != SOCKET_ERROR);    //监听    ret = listen(m_listenSock, 5);    assert(ret != SOCKET_ERROR);    FD_ZERO(&m_fdReads);  //将文件描述符所有位置0}

需要注意的是,在最后我们还将文件描述符的位全部置0。然后在析构函数中关闭释放:

CSelect::~CSelect(){    closesocket(m_listenSock);    WSACleanup();}

现在来看第一个阻塞的部分,即等待数据到来:

void CSelect::Accept(){    int adrSize = sizeof(m_clntAddr);    //开启线程,频繁地检测fd_set中的数组是否有请求    auto fu = std::async(std::launch::async, std::bind(&CSelect::RequestHandler, this));    //在主线程中处理连接请求    while (true)    {        //当fd_set装满时,等待一会再继续尝试        if (m_fdReads.fd_count >= FD_SETSIZE)        {            Sleep(100);            continue;        }        //当有一个客户端进行连接时,主线程的Accept会进行返回        m_clntSock = accept(m_listenSock, (SOCKADDR *)&m_clntAddr, &adrSize);        FD_SET(m_clntSock, &m_fdReads);  //设置文件描述符        printf("connected client:%d----当前连接数:%d", m_clntSock, m_fdReads.fd_count);    }}

在这里,我们先开启了线程RequestHandler去频繁地检测文件描述符中是否有客户端的请求信息,开始时自然是没有信息的,因为此时没有任何套接字注册进去。

接下来在主线程中,我们进行接收连接请求,当fd_set中装满了就无法设置注册套接字了,所以需要先检测一下。当有客户端连接进来的时候,使用FD_SET将其注册到文件描述符中,打印下方便我们查看。

最后来看最重要的部分,也即第二个阻塞,将数据从内核复制到我们的程序缓冲区中:

void CSelect::RequestHandler(){    fd_set copyReads;    while (true)    {        copyReads = m_fdReads;        m_timeout.tv_sec = 5;        m_timeout.tv_usec = 0;        //设置检查范围及超时        int fdNum = select(0, & copyReads, NULL, NULL, &m_timeout);        if (fdNum != SOCKET_ERROR)        {            for (unsigned i = 0; i < m_fdReads.fd_count; ++i)            {                if (FD_ISSET(m_fdReads.fd_array[i], ©Reads))                {                    char buf[BUF_SIZE] = "";                    int recvLen = recv(m_fdReads.fd_array[i], buf, BUF_SIZE, 0);                    //客户端退出或socket错误,则关闭                    if (recvLen == 0 || recvLen == SOCKET_ERROR)                    {                        closesocket(m_fdReads.fd_array[i]);                        FD_CLR(m_fdReads.fd_array[i], &m_fdReads);                    }                    else                    {                        printf("received from client %d: %s ", m_fdReads.fd_array[i], buf);                        send(m_fdReads.fd_array[i], buf, recvLen, 0);                    }                }            }        }    }}

因为每次执行select函数后都会改变发生变化的文件描述符的值,所以为了保护初始值,我们在第3行声明的一个copyReads,在每次的开始将m_fdReads复制到copyReads中操作。

接下来设置了超时时间为5秒,使用select函数监视文件描述符。当文件描述符中的套接字有了请求,文件描述符就会将发生变化的位置1返回。

我们遍历文件描述符中的每一项,使用FD_ISSET来检测结果,当客户端退出或socket错误时,从文件描述符中关闭socket并清除记录。否则,做相应的消息处理,这里将接收到的数据再次发送给客户端。

现在,就可以测试下了:

#include "CSelect.h"int main(){    CSelect select(8000);    select.Accept();    return 0;}

测试客户端是用的以前写的tcp客户端,非常简单,就不写了,我用脚本开了60多个客户端,测试结果如图:

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因为就是客户端就是简单的发送接收了一条数据就关闭了,所以这里连接数多数都为1。

使用select写的服务器要比我们以前用基本socket写的效率高得多,而且只用了2条线程。但它性能终究还是有限,因为说到底还是阻塞的,占用的还是程序自己的时间片,若人数在60左右,大家可以用这个。

虽然select模型比较简单,但和后面的各个模型都是有联系的,只有把这个先理解了才能充分理解后面的,才能理解这个为什么比那个好,为什么这个性能要高,什么时候用哪个好。

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