【Linux网络】深入解析I/O多路转接 - Select

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🏳️‍🌈一、什么是select

系统提供select 函数来实现多路复用输入/输出模型

• select 系统调用是用来让我们的程序监视多个文件描述符的状态变化的;
• 程序会停在 select 这里等待，直到被监视的文件描述符有一个或多个发生了状态改变;

定位：只负责进行等，不进行拷贝！
作用：为了等待多个fd，等待fd上面的新事件就绪，通知程序员，事件已经就绪，可以进行IO拷贝了！

🏳️‍🌈二、select 函数原型

select 的函数原型如下:

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

参数

• nfds：这是一个整数值，指定要监控的文件描述符集合中最大文件描述符的值加1。这是因为文件描述符是从0开始编号的，所以nfds实际上是文件描述符集合中最大索引值加1。
• readfds：指向一个 fd_set 结构体的指针，该结构体包含了所有需要监控是否有数据可读的文件描述符。如果不需要监控读事件，可以传递 NULL。
• writefds：指向一个 fd_set 结构体的指针，该结构体包含了所有需要监控是否有数据可写的文件描述符。如果不需要监控写事件，可以传递 NULL。
• exceptfds：指向一个 fd_set 结构体的指针，该结构体包含了所有需要监控是否出现异常条件的文件描述符。如果不需要监控异常事件，可以传递 NULL。
• timeout：指向一个 timeval 结构体的指针，用来设置 select()的等待时间。

参数 timeout 取值:

• nullptr：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：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。’

timeval 结构

• 描述一段时间长度，如果在这个时间内，需要监视的描述符没有事件，发生则函数返回，返回值为 0。

struct timeval
{
#ifdef __USE_TIME_BITS64__time64_t tv_sec;		/* Seconds.  */__suseconds64_t tv_usec;	/* Microseconds.  */
#else__time_t tv_sec;		/* Seconds.  */__suseconds_t tv_usec;	/* Microseconds.  */
#endif
};

fd_set 结构

• ​fds_bits 或 __fds_bits​：一个 __fd_mask 类型的数组，用于存储文件描述符的位掩码
• __fd_mask​：通常是 unsigned long，表示一个位掩码单元。每个单元可存储 __NFDBITS 个文件描述符状态（如 64 位系统为 64 位）。
• __FD_SETSIZE​：定义 fd_set 支持的最大文件描述符数量（默认通常为 1024）。
• __NFDBITS​ ：单个 __fd_mask 元素的位数（如 sizeof(__fd_mask) * 8）。

typedef struct {
#ifdef __USE_XOPEN__fd_mask fds_bits[__FD_SETSIZE / __NFDBITS];
#else__fd_mask __fds_bits[__FD_SETSIZE / __NFDBITS];
#endif
} fd_set;

其实这个结构就是一个整数数组, 更严格的说, 是一个 “位图”。使用位图中对应的位来表示要监视的文件描述符。

函数返回值

• 执行成功则返回文件描述词状态已改变的个数
• 如果返回 0 代表在描述词状态改变前已超过 timeout 时间，没有返回
• 当有错误发生时则返回-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：

• EBADF 文件描述词为无效的或该文件已关闭
• EINTR 此调用被信号所中断
• EINVAL 参数 n 为负值。
• ENOMEM 核心内存不足

🏳️‍🌈三、测试 timeout

前面 timeout 参数分析出三种情况，下面编写代码进行基本的测试！

3.1 SelectServer 类

SelectServer类 的成员需要用到 端口号 和 套接字，成员函数暂时实现 InitServer() 和 Loop()，此处的套接字使用前面封装的Socket类

3.1.1 基本结构

#pragma once#include <iostream>
#include "Socket.hpp"using namespace SocketModule;class SelectServer{public:SelectServer(uint16_t port);void InitServer();void Loop(); ~SelectServer();private:uint16_t _port;SockPtr _listensock;
};

3.1.2 析构构造函数

构造函数初始化端口号并根据端口号创建监听套接字对象，析构函数暂时不做处理！

SelectServer(uint16_t port): _port(port), _listensock(std::make_shared<TcpSocket>()) {_listensock->BuildListenSocket(_port);
}
~SelectServer();

3.1.3 Loop()

Loop()函数此处主要用来测试timeout，也是后序使用的轮询函数！

void Loop() {while (true) {// 临时fd_set rfds; // 清除 rfds 中相关的fd的位FD_ZERO(&rfds);FD_SET(_listensock->Sockfd(), &rfds);struct timeval timeout = {3, 0};int n =::select(_listensock->Sockfd() + 1, &rfds, NULL, NULL, &timeout);switch (n) {case 0:LOG(LogLevel::DEBUG) << "time out " << timeout.tv_sec << "s";break;case -1:LOG(LogLevel::ERROR) << "select error";break;default:LOG(LogLevel::INFO) << "haved event ready, " << n;break;}}
}

3.1.4 InitServer()

InitServer()函数暂时不用填写代码，保证主函数把代码跑过即可

3.2 主函数

输入端口号运行即可

int main(int argc, char* argv[]){if(!argc != 2){std::cerr << "Usage: " << argv[0] << " locak-port" << std::endl; }uint16_t port = std::stoi(argv[1]);std::unique_ptr<SelectServer> svr = std::make_unique<SelectServer>(port);svr->InitServer();svr->Loop();return 0;
}

3.3 测试代码

根据左边的日志，我们会发现平均每 3 s会弹出一次超时

我们修改一下监听的情况，每3s 监听一次，并且超时为 30s

LOG(LogLevel::INFO) << "haved event ready, " << n;
LOG(LogLevel::DEBUG) << "time out " << timeout.tv_sec << "." << timeout.tv_usec<< "s";
sleep(3);

我们使用 telnet 模拟访问服务端， 每 3s 弹出一次套接字已就绪的字样

🏳️‍🌈四、Handler 处理函数 - 版本一

timeout 参数测试成功之后，需要正式进入事件处理，select() 函数的返回值不是0或者1就表示事件已经就绪，此处需要处理任务！

我们这里不进行计时即 select最后一个参数设为 NULL

void Loop() {while (true) {fd_set rfds; // 清除 rfds 中相关的fd的位FD_ZERO(&rfds);FD_SET(_listensock->Sockfd(), &rfds);int n = ::select(_listensock->Sockfd() + 1, &rfds, nullptr, nullptr, nullptr);switch (n) {// case 0: 因为不会超时所有case 0 的情况不存在case -1:LOG(LogLevel::ERROR) << "select error";break;default:LOG(LogLevel::INFO) << "haved event ready, " << n;break;}}
}

HandlerEvent() 版本一进行正式的任务处理，如果fd在读文件描述符集合中则获取链接并且获取链接成功，打印调试日志，否则直接返回！

void HandlerEvent(fd_set& rfds) {if (FD_ISSET(_listensock->Sockfd(), &rfds)) {// 连接事件就绪，等价于读事件就绪InetAddr addr;int sockfd = _listensock->Accepter(&addr);if (sockfd > 0) {LOG(LogLevel::DEBUG)<< "get a new connection from " << addr.AddrStr().c_str()<< ", sockfd : " << sockfd;} elsereturn;}
}

这里还需要更改一下 socket.hpp 的 Accepter 函数，因为我们返回的是一个 int 类型

int Accepter(InetAddr* cli) override {struct sockaddr_in client;socklen_t clientlen = sizeof(client);// accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen)// 返回一个新的套接字，该套接字与调用进程间接地建立了连接。int sockfd = ::accept(_sockfd, CONV(&client), &clientlen);if (sockfd < 0) {LOG(LogLevel::ERROR) << "accept socket error";return -1;}*cli = InetAddr(client);LOG(LogLevel::DEBUG) << "get a new connection from "<< cli->AddrStr().c_str() << ", sockfd : " << sockfd;return sockfd;
}

🏳️‍🌈五、Handler 处理函数 - 版本二

在轮询的过程中，可能会有fd是合法的，但是没有就绪，而这次执行完之后，读文件描述符集合会清空，可能会出现问题，因此需要增加一个数组(数组成员个数为fd_set集合的位数)，来保存合法的fd！

5.1 基本结构

• 我们需要添加一个能够存储文件描述符的数组
• 同时要设置最大监听数量，以及默认描述符

class SelectServer {const static int gnum = sizeof(fd_set) * 8;const static int gdefaultfd = -1;private:uint16_t _port;SockPtr _listensock;// select要正常工作，需要借助一个辅助数组，来保存所有合法fdint fd_array[gnum];
};
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5.2 初始化函数

• 这里需要初始化文件描述符数值中的所有文件描述符，并且要设置监听套接字

void InitServer() {for (int i = 0; i < gnum; ++i) {fd_array[i] = gdefaultfd;}fd_array[0] = _listensock->Sockfd();
}

5.3 Loop() 函数

Loop()函数主要分以下三步：

1. 文件描述符初始化

2. 合法的fd添加到rfds集合中
   2.1. 更新出最大的fd的值

3. 检查读条件是否就绪

void Loop() {while (true) {// 1. 文件描述符初始化fd_set rfds; // 清除 rfds 中相关的fd的位FD_ZERO(&rfds);int max_fd = gdefaultfd;// 2. 合法的 fd 添加到 rfds 集合中for (int i = 0; i < gnum; ++i) {if (fd_array[i] == gdefaultfd)continue;FD_SET(fd_array[i], &rfds);if (fd_array[i] > max_fd)max_fd = fd_array[i];}struct timeval timeout = {30, 0};// 3. 检查都条件是否就绪int n = ::select(max_fd + 1, &rfds, nullptr, nullptr, &timeout);switch (n) {case 0:LOG(LogLevel::DEBUG) << "time out " << timeout.tv_sec << "."<< timeout.tv_usec << "s";break;case -1:LOG(LogLevel::ERROR) << "select error";break;default:// 如果事件就绪，但是不做处理，select 就会一直通知，直到处理LOG(LogLevel::DEBUG) << "time remain " << timeout.tv_sec << "."<< timeout.tv_usec << "s";LOG(LogLevel::INFO) << "haved event ready, " << n;HandlerEvent(rfds);sleep(3);break;}}
}

5.4 HandlerEvent(() 函数

在执行HandlerEvent()函数之前，赋值数组中一定存在大量的fd就绪，可能是普通sockfd，也可能是listensockfd，此处主要分以下两步：

• 1、判断fd是否合法
• 2、判断fd是否就绪
  • 2.1、就绪是listensockfd
    • 2.1.1、获取链接
      2.1.2、获取链接成功将新的fd添加到数组中
      2.1.3、数组满了，不能添加，需关闭sockfd
  • 2.2、就绪是normal sockfd
    • 2.2.1、直接读取fd中内容

void HandlerEvent(fd_set& rfds) {// version - 0// if(FD_ISSET(_listensock->Sockfd(), &rfds)){//     // 连接事件就绪，等价于读事件就绪//     InetAddr addr;//     int sockfd = _listensock->Accepter(&addr);//     if(sockfd > 0){//         LOG(LogLevel::DEBUG) << "get a new connection from " <<//         addr.AddrStr().c_str() << ", sockfd : " << sockfd;//     } else return;// }// version - 1for (int i = 0; i < gnum; ++i) {// 1. 判断 fd 是否合法if (fd_array[i] == gdefaultfd)continue;// 2. 判断 fd 是否就绪if (FD_ISSET(fd_array[i], &rfds)) {// 判断是 listensocketif (_listensock->Sockfd() == fd_array[i]) {InetAddr client;int sockfd = _listensock->Accepter(&client);if (sockfd > 0) {LOG(LogLevel::INFO)<< "get a new connection from "<< client.AddrStr().c_str() << ", sockfd : " << sockfd;// 将获取成功的新的 fd 添加到 fd_array 中bool flag = false;for (int pos = 1; pos < gnum; ++pos) {if (fd_array[pos] == gdefaultfd) {flag = true;fd_array[pos] = sockfd;LOG(LogLevel::DEBUG)<< "add new sockfd " << sockfd<< " to fd_array[" << pos << "]";break;}if (!flag) {LOG(LogLevel::ERROR)<< "fd_array is full, can't add new sockfd "<< sockfd;::close(sockfd);}}}}// 判断是其他 socketelse {// 正常读写}}}
}

5.5 PrintDebug()

PrintDebug() 遍历辅助数组，将合法的文件描述符打印出来！

void PrintDebug() {std::cout << "fd list: ";for (int i = 0; i < gnum; ++i) {if (fd_array[i] == gdefaultfd)continue;std::cout << fd_array[i] << " ";}std::cout << std::endl;
}

5.6 测试

🏳️‍🌈六、Handler 处理函数 - 版本三

前面两个版本已经完成对监听套接字和普通套接字的测试，但是结构看起来还是没有那么清晰，这个版本使用函数进行进一步封装！

void HandlerEvent(fd_set& rfds) {// version - 0// if(FD_ISSET(_listensock->Sockfd(), &rfds)){//     // 连接事件就绪，等价于读事件就绪//     InetAddr addr;//     int sockfd = _listensock->Accepter(&addr);//     if(sockfd > 0){//         LOG(LogLevel::DEBUG) << "get a new connection from " <<//         addr.AddrStr().c_str() << ", sockfd : " << sockfd;//     } else return;// }// version - 1for (int i = 0; i < gnum; ++i) {// 1. 判断 fd 是否合法if (fd_array[i] == gdefaultfd)continue;// 2. 判断 fd 是否就绪if (FD_ISSET(fd_array[i], &rfds)) {// 判断是 listensocketif (_listensock->Sockfd() == fd_array[i]) {HandlerNewConnection();}// 判断是其他 socketelse {// 正常读写HandlerIO(i);}}}
}

void HandlerNewConnection() {InetAddr client;int sockfd = _listensock->Accepter(&client);if (sockfd > 0) {LOG(LogLevel::INFO)<< "get a new connection from " << client.AddrStr().c_str()<< ", sockfd : " << sockfd;// 将获取成功的新的 fd 添加到 fd_array 中bool flag = false;for (int pos = 1; pos < gnum; ++pos) {if (fd_array[pos] == gdefaultfd) {flag = true;fd_array[pos] = sockfd;LOG(LogLevel::DEBUG) << "add new sockfd " << sockfd<< " to fd_array[" << pos << "]";break;}}if (!flag) {LOG(LogLevel::ERROR)<< "fd_array is full, can't add new sockfd " << sockfd;::close(sockfd);}}
}

void HandlerIO(int i) {char buffer[1024];ssize_t n = ::recv(fd_array[i], buffer, sizeof(buffer) - 1, 0);if (n > 0) {buffer[n] = 0;std::cout << "client say# " << buffer << std::endl;std::string content = "<html><body><h1>hello linux</h1></body></html>";std::string echo_str = "HTTP/1.0 200 OK\r\n";echo_str += "Content-Type: text/html\r\n";echo_str +="Content-Length: " + std::to_string(content.size()) + "\r\n\r\n";echo_str += content;::send(fd_array[i], echo_str.c_str(), echo_str.size(), 0);} else if (n == 0) { // 客户端关闭连接LOG(LogLevel::INFO)<< "client closed connection, sockfd: " << fd_array[i];::close(fd_array[i]);fd_array[i] = gdefaultfd; // 清理数组中的fd} else {                      // recv 错误（如连接重置）LOG(LogLevel::ERROR) << "recv error, sockfd: " << fd_array[i];::close(fd_array[i]);fd_array[i] = gdefaultfd;}
}

🏳️‍🌈七、select 的特点

优点

• 可监控的文件描述符个数取决于 sizeof(fd_set) 的值. 博主这边服务器上 sizeof(fd_set)＝128，每 bit 表示一个文件描述符，则博主服务器上支持的最大文件描述符是 128*8=1024.
• 将 fd 加入 select 监控集的同时，还要再使用一个数据结构 array 保存放到 select监控集中的 fd，
  • 一是用于在 select 返回后，array 作为源数据和 fd_set 进行 FD_ISSET 判断。
  • 二是 select 返回后会把以前加入的但并无事件发生的 fd 清空，则每次开始select 前都要重新从 array 取得 fd 逐一加入(FD_ZERO 最先)，扫描 array 的同时取得 fd 最大值 maxfd，用于 select 的第一个参数。

缺点

• 每次调用 select, 都需要手动设置 fd 集合, 从接口使用角度来说也非常不便.
• 每次调用 select，都需要把 fd 集合从用户态拷贝到内核态，这个开销在 fd 很多时会很大(这个开销是无法避免的)
• 同时每次调用 select 都需要在内核遍历传递进来的所有 fd，这个开销在 fd 很多时也很大
• select 支持的文件描述符数量太小.

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👥总结

本篇博文对 【Linux网络】深入解析I/O多路转接 - Select 做了一个较为详细的介绍，不知道对你有没有帮助呢

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