linux select 多路复用机制

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函数作用：

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句柄的状态变化的。程序会停在select这里等待，直到被监视的文件句柄有一个或多个发生了状态改变。关于文件句柄，其实就是一个整数，我们最熟悉的句柄是0、1、2三个，0是标准输入，1是标准输出，2是标准错误输出。0、1、2是整数表示的，对应的FILE *结构的表示就是stdin、stdout、stderr。

函数原型：

[cpp] view
plaincopy

int select(int maxfd,fd_set *rdset,fd_set *wrset, \

fd_set *exset,struct timeval *timeout);

参数说明：

参数maxfd是需要监视的最大的文件描述符值+1；rdset,wrset,exset分别对应于需要检测的可读文件描述符的集合，可写文件描述符的集 合及异常文件描述符的集合。struct timeval结构用于描述一段时间长度，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。

下面的宏提供了处理这三种描述词组的方式:

FD_CLR(inr fd,fd_set* set)；用来清除描述词组set中相关fd 的位

FD_ISSET(int fd,fd_set *set)；用来测试描述词组set中相关fd 的位是否为真

FD_SET（int fd,fd_set*set）；用来设置描述词组set中相关fd的位

FD_ZERO（fd_set *set）；用来清除描述词组set的全部位

参数timeout为结构timeval，用来设置select()的等待时间，其结构定义如下：

[cpp] view
plaincopy

struct timeval

{

time_t tv_sec;//second

time_t tv_usec;//minisecond

};

如果参数timeout设为：

NULL，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。

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

常见的程序片段如下：

fs_set readset；

FD_ZERO(&readset);

FD_SET(fd,&readset);

select(fd+1,&readset,NULL,NULL,NULL);

if(FD_ISSET(fd,readset){……}

理解select模型：

理解select模型的关键在于理解fd_set,为说明方便，取fd_set长度为1字节，fd_set中的每一bit可以对应一个文件描述符fd。则1字节长的fd_set最大可以对应8个fd。

（1）执行fd_set set; FD_ZERO(&set);则set用位表示是0000,0000。

（2）若fd＝5,执行FD_SET(fd,&set);后set变为0001,0000(第5位置为1)

（3）若再加入fd＝2，fd=1,则set变为0001,0011

（4）执行select(6,&set,0,0,0)阻塞等待

（5）若fd=1,fd=2上都发生可读事件，则select返回，此时set变为0000,0011。注意：没有事件发生的fd=5被清空。

　基于上面的讨论，可以轻松得出select模型的特点：

　　（1)可监控的文件描述符个数取决与sizeof(fd_set)的值。我这边服务 器上sizeof(fd_set)＝512，每bit表示一个文件描述符，则我服务器上支持的最大文件描述符是512*8=4096。据说可调，另有说虽 然可调，但调整上限受于编译内核时的变量值。本人对调整fd_set的大小不太感兴趣，参考http://www.cppblog.com /CppExplore/archive/2008/03/21/45061.html中的模型2（1）可以有效突破select可监控的文件描述符上
限。

　　（2）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，一是用于再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。

　　（3）可见select模型必须在select前循环array（加fd，取maxfd），select返回后循环array（FD_ISSET判断是否有时间发生）。

下面给一个伪码说明基本select模型的服务器模型：

[cpp] view
plaincopy

array[slect_len];

　nSock=0;

　array[nSock++]=listen_fd;(之前listen port已绑定并listen)

　maxfd=listen_fd;

　while(1){

　　FD_ZERO(&set);

　　foreach (fd in array)

　　{

　　fd大于maxfd，则maxfd=fd

　　FD_SET(fd,&set)

　　}

　　res=select(maxfd+1,&set,0,0,0)；

　　if(FD_ISSET(listen_fd,&set))

　　{

　　newfd=accept(listen_fd);

　　array[nsock++]=newfd;

　　if(--res<=0) continue;

　　}

　　foreach 下标1开始 (fd in array)

　　{

　　if(FD_ISSET(fd,&tyle="COLOR: #ff0000">set))

　　执行读等相关操作

　　如果错误或者关闭，则要删除该fd，将array中相应位置和最后一个元素互换就好，nsock减一

　　if(--res<=0) continue;

　　}

　}

检测键盘有无输入，完整的程序如下：

[cpp] view
plaincopy

#include<sys/time.h>

#include<sys/types.h>

#include<unistd.h>

#include<string.h>

#include<stdlib.h>

#include<stdio.h>

int main()

{

char buf[10]="";

fd_set rdfds;

struct timeval tv;

int ret;

FD_ZERO(&rdfds);

FD_SET(0,&rdfds); //文件描述符0表示stdin键盘输入

tv.tv_sec = 3;

tv.tv_usec = 500;

ret = select(1,&rdfds,NULL,NULL,&tv);

if(ret<0)

printf("\n selcet");

else if(ret == 0)

printf("\n timeout");

else

printf("\n ret = %d",ret);

if(FD_ISSET(1,&rdfds)) //如果有输入，从stdin中获取输入字符

{

printf("\n reading");

fread(buf,9,1,stdin);

}

write(1,buf,strlen(buf));

printf("\n %d \n",strlen(buf));

return 0;

}

//执行结果ret = 1.

利用Select模型，设计的web服务器：

[cpp] view
plaincopy

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <unistd.h>

#include <errno.h>

#include <string.h>

#include <sys/types.h>

#include <sys/socket.h>

#include <netinet/in.h>

#include <arpa/inet.h>

#define MYPORT 88960 // the port users will be connecting to

#define BACKLOG 10 // how many pending connections queue will hold

#define BUF_SIZE 200

int fd_A[BACKLOG]; // accepted connection fd

int conn_amount; // current connection amount

void showclient()

{

int i;

printf("client amount: %d\n", conn_amount);

for (i = 0; i < BACKLOG; i++) {

printf("[%d]:%d ", i, fd_A[i]);

}

printf("\n\n");

}

int main(void)

{

int sock_fd, new_fd; // listen on sock_fd, new connection on new_fd

struct sockaddr_in server_addr; // server address information

struct sockaddr_in client_addr; // connector's address information

socklen_t sin_size;

int yes = 1;

char buf[BUF_SIZE];

int ret;

int i;

if ((sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1) {

perror("socket");

exit(1);

}

if (setsockopt(sock_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &yes, sizeof(int)) == -1) {

perror("setsockopt");

exit(1);

}

server_addr.sin_family = AF_INET; // host byte order

server_addr.sin_port = htons(MYPORT); // short, network byte order

server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // automatically fill with my IP

memset(server_addr.sin_zero, '\0', sizeof(server_addr.sin_zero));

if (bind(sock_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {

perror("bind");

exit(1);

}

if (listen(sock_fd, BACKLOG) == -1) {

perror("listen");

exit(1);

}

printf("listen port %d\n", MYPORT);

fd_set fdsr;

int maxsock;

struct timeval tv;

conn_amount = 0;

sin_size = sizeof(client_addr);

maxsock = sock_fd;

while (1) {

// initialize file descriptor set

FD_ZERO(&fdsr);

FD_SET(sock_fd, &fdsr);

// timeout setting

tv.tv_sec = 30;

tv.tv_usec = 0;

// add active connection to fd set

for (i = 0; i < BACKLOG; i++) {

if (fd_A[i] != 0) {

FD_SET(fd_A[i], &fdsr);

}

}

ret = select(maxsock + 1, &fdsr, NULL, NULL, &tv);

if (ret < 0) {

perror("select");

break;

} else if (ret == 0) {

printf("timeout\n");

continue;

}

// check every fd in the set

for (i = 0; i < conn_amount; i++) {

if (FD_ISSET(fd_A[i], &fdsr)) {

ret = recv(fd_A[i], buf, sizeof(buf), 0);

char str[] = "Good,very nice!\n";

send(fd_A[i],str,sizeof(str) + 1, 0);

if (ret <= 0) { // client close

printf("client[%d] close\n", i);

close(fd_A[i]);

FD_CLR(fd_A[i], &fdsr);

fd_A[i] = 0;

} else { // receive data

if (ret < BUF_SIZE)

memset(&buf[ret], '\0', 1);

printf("client[%d] send:%s\n", i, buf);

}

}

}

// check whether a new connection comes

if (FD_ISSET(sock_fd, &fdsr)) {

new_fd = accept(sock_fd, (struct sockaddr *)&client_addr, &sin_size);

if (new_fd <= 0) {

perror("accept");

continue;

}

// add to fd queue

if (conn_amount < BACKLOG) {

fd_A[conn_amount++] = new_fd;

printf("new connection client[%d] %s:%d\n", conn_amount,

inet_ntoa(client_addr.sin_addr), ntohs(client_addr.sin_port));

if (new_fd > maxsock)

maxsock = new_fd;

}

else {

printf("max connections arrive, exit\n");

send(new_fd, "bye", 4, 0);

close(new_fd);

break;

}

}

showclient();

}

// close other connections

for (i = 0; i < BACKLOG; i++) {

if (fd_A[i] != 0) {

close(fd_A[i]);

}

}

exit(0);

}

补充部分：

1 基本原理

注：select 原理图，摘自 IBM iSeries 信息中心。

1 数据结构与函数原型

1.1 select

函数原型

int select(
int nfds,
fd_set *readset,
fd_set *writeset,
fd_set* exceptset,
struct timeval *timeout
);

头文件

select

位于：

#include <sys/select.h>

struct timeval

位于：

#include <sys/time.h>

返回值

返回对应位仍然为1的fd的总数。

参数

nfds：第一个参数是：最大的文件描述符值+1；
readset：可读描述符集合；
writeset：可写描述符集合；
exceptset：异常描述符；
timeout：select 的监听时长，如果这短时间内所监听的 socket 没有事件发生。

1.2 fd_set

1.2.1 清空描述符集合

FD_ZERO(fd_set *)

1.2.2 向描述符集合添加指定描述符

FD_SET(int, fd_set *)

1.2.3 从描述符集合删除指定描述符

FD_CLR(int, fd_set *)

1.2.4 检测指定描述符是否在描述符集合中

FD_ISSET(int, fd_set *)

1.2.5 描述符最大数量

#define FD_SETSIZE 1024

1.3 描述符集合

可读描述符集合中可读的描述符，为1，其他为0；可写也类似。异常描述符集合中有异常等待处理的描述符的值为1，其他为0。

1.4 ioctl

函数原型：

int ioctl(int handle, int cmd,[int *argdx, int argcx]);

头文件：

#include <sys/ioctl.h>

返回值：

0 - 成功
1 - 失败

2 示例

程序各部分的解释在注释中。

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

#define TRUE  1
#define FALSE 0

int main(int argc, char *argv[])
{
int i, len, rc, on = TRUE;
int listen_sd, new_sd = 0, max_sd;
int desc_ready;
char buffer[80];
int close_conn, end_server = FALSE;
struct sockaddr_in server_addr;
struct timeval timeout;
struct fd_set master_set, working_set;

// Listen
listen_sd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (listen_sd < 0)
{
perror("socket() failed");
exit(-1);
}

// Set socket options
rc = setsockopt(listen_sd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, (char *) &on, sizeof(on));
if (rc < 0)
{
perror("setsockopt() failed");
close(listen_sd);
exit(-1);
}

// Set IO control
rc = ioctl(listen_sd, FIONBIO, (char *) &on);
if (rc < 0)
{
perror("ioctl() failed");
close(listen_sd);
exit(-1);
}

// Bind
memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
server_addr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));
rc = bind(listen_sd, (struct sockaddr *) &server_addr, sizeof(server_addr));
if (rc < 0)
{
perror("bind() failed\n");
close(listen_sd);
exit(-1);
}

// Listen
rc = listen(listen_sd, 32);
if (rc < 0)
{
perror("listen() failed\n");
close(listen_sd);
exit(-1);
}

// Intialize sd set
FD_ZERO(&master_set);
max_sd = listen_sd;
FD_SET(listen_sd, &master_set);

timeout.tv_sec = 3 * 60;
timeout.tv_usec = 0;

// Start
do
{
// Copy master_set into working_set
memcpy(&working_set, &master_set, sizeof(master_set));

printf("Waiting on select()...\n");
rc = select(max_sd + 1, &working_set, NULL, NULL, &timeout);
if (rc < 0)
{
perror("  select() failed\n");
break;
}
if (rc == 0)
{
printf("  select() timed out. End program.\n");
break;
}

desc_ready = rc; // number of sds ready in working_set

// Check each sd in working_set
for (i = 0; i <= max_sd && desc_ready > 0; ++i)
{
// Check to see if this sd is ready
if (FD_ISSET(i, &working_set))
{
--desc_ready;

// Check to see if this is the listening sd
if (i == listen_sd)
{
printf("  Listeing socket is readable\n");
do
{
// Accept
new_sd = accept(listen_sd, NULL, NULL);

// Nothing to be accepted
if (new_sd < 0)
{
// All have been accepted
if (errno != EWOULDBLOCK)
{
perror("  accept() failed\n");
end_server = TRUE;
}
break;
}

// Insert new_sd into master_set
printf("  New incoming connection - %d\n", new_sd);
FD_SET(new_sd, &master_set);
if (new_sd > max_sd)
{
max_sd = new_sd;
}
}
while (new_sd != -1);
}
// This is not the listening sd
else
{
close_conn = FALSE;
printf("  Descriptor %d is avaliable\n", i);
do
{
rc = recv(i, buffer, sizeof(buffer), 0);

// Receive data on sd "i", until failure occurs
if (rc < 0)
{
// Normal failure
if (errno != EWOULDBLOCK)
{
perror("  recv() failed\n");
close_conn = TRUE;
}
break;
}

// The connection has been closed by the client
if (rc == 0)
{
printf("  Connection closed\n");
close_conn = TRUE;
break;
}

/* Receiving data succeeded and echo it back
the to client */
len = rc;
printf("  %d bytes received\n", len);
rc = send(i, buffer, len, 0);
if (rc < 0)
{
perror("  send() failed");
close_conn = TRUE;
break;
}
}
while (TRUE);

// If unknown failure occured
if (close_conn)
{
// Close the sd and remove it from master_set
close(i);
FD_CLR(i, &master_set);

// If this is the max sd
if (i == max_sd)
{
// Find the max sd in master_set now
while (FD_ISSET(max_sd, &master_set) == FALSE)
{
--max_sd;
}
} // End of if (i == max_sd)
} // End of if (close_conn)
}
}
}
}
while (end_server == FALSE);

/* Close each sd in master_set */
for (i = 0; i < max_sd; ++i)
{
if (FD_ISSET(i, &master_set))
{
close(i);
}
}

return 0;
}