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《UNIX网络编程卷1：套接字联网API》第6章 IO复用：select和poll函数

news 来源：原创 2025/8/28 2:35:45

《UNIX网络编程卷1：套接字联网API》第6章 I/O复用：select和poll函数

6.1 I/O复用的核心价值与适用场景

I/O复用是高并发网络编程的基石，允许单个进程/线程同时监控多个文件描述符（套接字）的状态变化，从而高效处理多个客户端请求。其核心价值在于：

资源高效利用：避免为每个连接创建独立线程/进程的内存与调度开销；
事件驱动模型：仅在数据可读/可写时触发处理逻辑，减少空转；
实时性保障：及时响应多个连接的并发事件。

典型应用场景：

Web服务器（如Nginx）：处理数千并发HTTP连接；
实时通信系统（如IM）：同时管理多个客户端的长连接；
嵌入式网关：资源受限设备中处理多路传感器数据。

6.2 select函数深度解析

6.2.1 select函数原型与参数

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

参数详解：

nfds：需监控的最大文件描述符+1（优化内核遍历效率）；
readfds/writefds/exceptfds：分别监控可读、可写、异常事件的文件描述符集合；
timeout：超时时间（NULL为阻塞，0为非阻塞，>0为限时等待）。

返回值：

>0：就绪的文件描述符总数；
0：超时无事件；
-1：错误（如被信号中断）。

6.2.2 文件描述符集合操作宏

void FD_ZERO(fd_set *set);       // 清空集合
void FD_SET(int fd, fd_set *set);// 添加描述符到集合
void FD_CLR(int fd, fd_set *set);// 从集合移除描述符
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set);// 检查描述符是否就绪

6.2.3 select工作流程

初始化集合：使用FD_ZERO和FD_SET设置需监控的描述符；
调用select：阻塞或等待事件发生；
遍历检查：通过FD_ISSET轮询所有描述符，处理就绪事件；
重置集合：select会修改传入的集合，需在每次调用前重新初始化。

代码示例：基于select的TCP服务器框架

fd_set read_set, all_set;
int maxfd = listenfd; // 监听套接字
FD_ZERO(&all_set);
FD_SET(listenfd, &all_set);for (;;) {read_set = all_set; // 每次select调用前重置集合int nready = select(maxfd + 1, &read_set, NULL, NULL, NULL);if (FD_ISSET(listenfd, &read_set)) { // 新连接到达int connfd = Accept(listenfd, NULL, NULL);FD_SET(connfd, &all_set);maxfd = (connfd > maxfd) ? connfd : maxfd;}for (int fd = listenfd + 1; fd <= maxfd; fd++) { // 检查客户端连接if (FD_ISSET(fd, &read_set)) {// 处理客户端请求（如read/write）}}
}

6.2.4 select的局限性

文件描述符上限：FD_SETSIZE（通常1024）限制最大监控数量；
线性扫描效率低：每次需遍历所有描述符，时间复杂度O(n)；
内核态内存复制：每次调用需将集合从用户态复制到内核态；
无法动态扩展：无法在运行中添加/移除描述符，需重新初始化集合。

6.3 poll函数：改进的I/O复用机制

6.3.1 poll函数原型与参数

#include <poll.h>int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);

参数解析：

fds：指向pollfd结构数组，每个元素描述一个监控的描述符；
nfds：数组长度（即监控的描述符数量）；
timeout：超时时间（毫秒，-1为阻塞，0为非阻塞）。

pollfd结构体：

struct pollfd {int   fd;       // 文件描述符short events;   // 监控的事件（POLLIN、POLLOUT等）short revents;  // 返回的事件（由内核填充）
};

6.3.2 poll事件标志

POLLIN：数据可读（包括TCP连接断开时的EOF）；
POLLPRI：紧急数据可读（如TCP带外数据）；
POLLOUT：数据可写；
POLLERR：错误发生（自动监控，无需设置）；
POLLHUP：连接挂起（如对端关闭）。

6.3.3 poll工作流程

初始化pollfd数组：设置每个元素的fd和events；
调用poll：等待事件发生；
遍历检查revents：处理就绪的描述符；
动态维护数组：可动态添加或移除描述符。

代码示例：基于poll的TCP服务器框架

#define MAX_CLIENTS 1024
struct pollfd client_fds[MAX_CLIENTS];
int nfds = 1; // 初始只有监听套接字client_fds[0].fd = listenfd;
client_fds[0].events = POLLIN;for (;;) {int nready = poll(client_fds, nfds, -1);if (client_fds[0].revents & POLLIN) { // 新连接到达int connfd = Accept(listenfd, NULL, NULL);client_fds[nfds].fd = connfd;client_fds[nfds].events = POLLIN;nfds++;}for (int i = 1; i < nfds; i++) { // 遍历客户端连接if (client_fds[i].revents & POLLIN) {// 处理客户端请求if (read返回0) { // 客户端关闭连接Close(client_fds[i].fd);client_fds[i] = client_fds[nfds-1]; // 数组末尾元素覆盖当前nfds--;i--; // 重新检查当前位置}}}
}

6.3.4 poll的优势与不足

优势：

无描述符数量限制：仅受系统资源约束；
动态管理：可随时添加/移除监控的描述符；
更精细的事件控制：支持更多事件类型（如带外数据）。

不足：

仍为线性扫描：时间复杂度O(n)；
水平触发模式：未处理事件会持续通知（可能引起忙等）。

6.4 select与poll对比分析

特性	select	poll
描述符上限	FD_SETSIZE（通常1024）	仅受系统限制
事件类型	仅读、写、异常	支持更多事件（如POLLPRI）
效率	低（O(n)遍历）	低（O(n)遍历）
内存拷贝	每次调用需复制整个集合	仅传递数组指针
可扩展性	静态集合，需重新初始化	动态数组，可随时修改
跨平台兼容性	所有UNIX系统	多数UNIX系统（Linux、BSD）

选型建议：

嵌入式系统：优先poll（动态管理更灵活）；
高并发场景：推荐epoll（第7章详解）；
跨平台需求：select兼容性更好。

6.5 性能优化与陷阱规避

6.5.1 select性能优化

减少nfds值：仅传递当前最大描述符+1；
分离监控集合：将频繁活动的描述符单独监控；
避免阻塞操作：在事件处理函数中使用非阻塞I/O。

6.5.2 poll常见陷阱

未重置revents：每次调用poll前需清空revents或重新初始化结构体；
数组越界：动态添加描述符时需检查数组上限；
忽略POLLHUP：未处理可能导致死循环。

代码示例：非阻塞read处理

// 设置套接字为非阻塞
int flags = fcntl(fd, F_GETFL, 0);
fcntl(fd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);char buf[1024];
ssize_t n = read(fd, buf, sizeof(buf));
if (n > 0) {// 处理数据
} else if (n == 0) {// 对端关闭连接
} else if (errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK) {// 数据未就绪，继续监控
} else {// 其他错误处理
}

6.6 实战：基于select的聊天服务器

6.6.1 功能需求

支持多客户端连接；
客户端消息广播至所有其他客户端；
客户端退出时自动清理资源。

6.6.2 核心代码实现

#include "unp.h"#define MAX_CLIENTS 1024
int client_fds[MAX_CLIENTS];void broadcast(int sender_fd, char *msg, int len) {for (int i = 0; i < MAX_CLIENTS; i++) {if (client_fds[i] != -1 && client_fds[i] != sender_fd) {Writen(client_fds[i], msg, len);}}
}int main() {int listenfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);// 绑定与监听（代码同前）fd_set all_set, read_set;FD_ZERO(&all_set);FD_SET(listenfd, &all_set);int maxfd = listenfd;memset(client_fds, -1, sizeof(client_fds));for (;;) {read_set = all_set;int nready = select(maxfd + 1, &read_set, NULL, NULL, NULL);if (FD_ISSET(listenfd, &read_set)) {int connfd = Accept(listenfd, NULL, NULL);// 将新连接加入数组for (int i = 0; i < MAX_CLIENTS; i++) {if (client_fds[i] == -1) {client_fds[i] = connfd;FD_SET(connfd, &all_set);maxfd = (connfd > maxfd) ? connfd : maxfd;break;}}}for (int i = 0; i < MAX_CLIENTS; i++) {int fd = client_fds[i];if (fd == -1) continue;if (FD_ISSET(fd, &read_set)) {char buf[1024];ssize_t n = Read(fd, buf, sizeof(buf));if (n > 0) {broadcast(fd, buf, n);} else {Close(fd);FD_CLR(fd, &all_set);client_fds[i] = -1;}}}}
}

6.7 调试工具与性能分析

6.7.1 使用strace跟踪系统调用

strace -e select,poll,read,write ./server

输出示例：

select(5, [3 4], NULL, NULL, NULL) = 1 (in [3])
read(3, "hello", 1024)             = 5

6.7.2 监控文件描述符状态

# 查看进程打开的文件描述符
ls -l /proc/<pid>/fd

6.7.3 性能压测工具

# 使用netcat模拟多客户端
for i in {1..1000}; donc 127.0.0.1 9999 &
done

6.8 本章小结与进阶习题

小结：本章深入解析了select和poll的原理、使用场景与优化技巧，通过实战案例展示了高并发服务器的实现方法。

习题：

实现基于poll的聊天服务器，支持昵称注册与私聊功能；
对比select与poll在1000并发连接下的CPU使用率差异；
扩展select服务器支持可写事件监控，实现大文件传输。

说明

Linux下更详细select函数内容，可参见博主相关博文Linux下select使用
嵌入式下如何高效使用select与epoll，可参见博主相关专题博文在嵌入式Linux中实现高并发TCP服务器：从select到epoll的演进与实战
Linux下更详细epoll函数内容，可参见博主相关博文Linux下epoll函数使用详解

付费用户专属资源：

完整聊天服务器代码工程（含Makefile）；
select/poll性能对比测试报告；
扩展阅读：《从select到epoll：Linux I/O模型的演进》。

通过本章学习，读者将掌握I/O复用的核心技术，并能够开发高并发的网络应用。

《UNIX网络编程卷1：套接字联网API》第6章 IO复用：select和poll函数

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以下是 Node.js 最常用的核心模块及 API 详解，按使用频率和重要性分类整理： 一、高频核心模块 1. fs 文件系统 const fs require(fs); const fsPromises require(fs).promises; // Promise 版本// 异步读取文件（推荐） fs.read…...

编程日记 2025/8/27 22:35:59

解析keras.layers.Layer中的权重参数

文章目录概要__init__()build()add_weight() 概要 keras.layers.Layers是所有层对象的父类,在keras.layers下所有实现类都是其子类，自定义层时需要继承该类。 init() Layer的构造函数，需要注意两个参数trainable和name trainable：指定该层…...

编程日记 2025/8/24 9:53:54

原型设计工具即时设计的简单使用攻略

即时设计是一款国产在线协同设计工具，支持从原型设计到开发交付的全流程，尤其擅长Web/App界面原型制作。其核心优势体现在： • 零门槛入门：浏览器直接访问无需安装，中文界面友好 • 资源生态完善：内置3000原…...

编程日记 2025/8/23 20:41:41

深入解析C++智能指针：从内存管理到现代编程实践

一、智能指针核心概念 1.1 智能指针的本质智能指针是基于**RAII（资源获取即初始化）**的封装类，通过对象生命周期自动管理动态内存。与传统指针相比： 特性原始指针智能指针内存管理手动自动空指针检查需显式判断支持空状态检测…...

编程日记 2025/8/26 20:15:29

在 Langflow 中构建灵活的自定义组件：从基础到高级实践

本文深入探讨了如何在 Langflow 平台中创建功能丰富的自定义组件。通过详细的目录结构解析、分步实现指南和多个实战案例，帮助开发者掌握利用 Python 生态扩展低代码平台的方法，打造高效的数据处理流程。理解组件架构设计自定义组件是在 Langflow 中创…...

编程日记 2025/8/25 23:24:22