转：linux select 多路复用机制

源地址：http://blog.csdn.net/turkeyzhou/article/details/8609360

2013-02-25 14:18 442人阅读 评论(1) 收藏 举报

 

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1. 基本原理
2. 数据结构与函数原型
1. select
2. fd_set
1. 清空描述符集合
2. 向描述符集合添加指定描述符
3. 从描述符集合删除指定描述符
4. 检测指定描述符是否在描述符集合中
5. 描述符最大数量
3. 描述符集合
4. ioctl
3. 示例

 

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：

1. int select(int maxfd,fd_set *rdset,fd_set *wrset, \
2. 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：

1. struct timeval
2. {
3. time_t tv_sec;//second
4. time_t tv_usec;//minisecond
5. };

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：

1. array[slect_len];
2. 　nSock=0;
3. 　array[nSock++]=listen_fd;(之前listen port已绑定并listen)
4. 　maxfd=listen_fd;
5. 　while(1){
6. 　　FD_ZERO(&set);
7. 　　foreach (fd in array)
8. 　　{
9. 　　fd大于maxfd，则maxfd=fd
10. 　　FD_SET(fd,&set)
11. 　　}
12. 　　res=select(maxfd+1,&set,0,0,0)；
13. 　　if(FD_ISSET(listen_fd,&set))
14. 　　{
15. 　　newfd=accept(listen_fd);
16. 　　array[nsock++]=newfd;
17. 　　if(--res<=0) continue;
18. 　　}
19. 　　foreach 下标1开始 (fd in array)
20. 　　{
21. 　　if(FD_ISSET(fd,&tyle="COLOR: #ff0000">set))
22. 　　执行读等相关操作
23. 　　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
24. 　　if(--res<=0) continue;
25. 　　}
26. 　}

检测键盘有无输入，完整的程序如下：

1. #include<sys/time.h>
2. #include<sys/types.h>
3. #include<unistd.h>
4. #include<string.h>
5. #include<stdlib.h>
6. #include<stdio.h>
7. int main()
8. {
9. char buf[10]="";
10. fd_set rdfds;
11. struct timeval tv;
12. int ret;
13. FD_ZERO(&rdfds);
14. FD_SET(0,&rdfds);   //文件描述符0表示stdin键盘输入
15. tv.tv_sec = 3;
16. tv.tv_usec = 500;
17. ret = select(1,&rdfds,NULL,NULL,&tv);
18. if(ret<0)
19. printf("\n selcet");
20. else if(ret == 0)
21. printf("\n timeout");
22. else
23. printf("\n ret = %d",ret);
24. if(FD_ISSET(1,&rdfds))  //如果有输入，从stdin中获取输入字符
25. {
26. printf("\n reading");
27. fread(buf,9,1,stdin);
28. }
29. write(1,buf,strlen(buf));
30. printf("\n %d \n",strlen(buf));
31. return 0;
32. }
33. //执行结果ret = 1.

利用Select模型，设计的web服务器：

1. #include <stdio.h>
2. #include <stdlib.h>
3. #include <unistd.h>
4. #include <errno.h>
5. #include <string.h>
6. #include <sys/types.h>
7. #include <sys/socket.h>
8. #include <netinet/in.h>
9. #include <arpa/inet.h>
10. #define MYPORT 88960    // the port users will be connecting to
11. #define BACKLOG 10     // how many pending connections queue will hold
12. #define BUF_SIZE 200
13. int fd_A[BACKLOG];    // accepted connection fd
14. int conn_amount;    // current connection amount
15. void showclient()
16. {
17. int i;
18. printf("client amount: %d\n", conn_amount);
19. for (i = 0; i < BACKLOG; i++) {
20. printf("[%d]:%d  ", i, fd_A[i]);
21. }
22. printf("\n\n");
23. }
24. int main(void)
25. {
26. int sock_fd, new_fd;  // listen on sock_fd, new connection on new_fd
27. struct sockaddr_in server_addr;    // server address information
28. struct sockaddr_in client_addr; // connector's address information
29. socklen_t sin_size;
30. int yes = 1;
31. char buf[BUF_SIZE];
32. int ret;
33. int i;
34. if ((sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1) {
35. perror("socket");
36. exit(1);
37. }
38. if (setsockopt(sock_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &yes, sizeof(int)) == -1) {
39. perror("setsockopt");
40. exit(1);
41. }
42. server_addr.sin_family = AF_INET;         // host byte order
43. server_addr.sin_port = htons(MYPORT);     // short, network byte order
44. server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // automatically fill with my IP
45. memset(server_addr.sin_zero, '\0', sizeof(server_addr.sin_zero));
46. if (bind(sock_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {
47. perror("bind");
48. exit(1);
49. }
50. if (listen(sock_fd, BACKLOG) == -1) {
51. perror("listen");
52. exit(1);
53. }
54. printf("listen port %d\n", MYPORT);
55. fd_set fdsr;
56. int maxsock;
57. struct timeval tv;
58. conn_amount = 0;
59. sin_size = sizeof(client_addr);
60. maxsock = sock_fd;
61. while (1) {
62. // initialize file descriptor set
63. FD_ZERO(&fdsr);
64. FD_SET(sock_fd, &fdsr);
65. // timeout setting
66. tv.tv_sec = 30;
67. tv.tv_usec = 0;
68. // add active connection to fd set
69. for (i = 0; i < BACKLOG; i++) {
70. if (fd_A[i] != 0) {
71. FD_SET(fd_A[i], &fdsr);
72. }
73. }
74. ret = select(maxsock + 1, &fdsr, NULL, NULL, &tv);
75. if (ret < 0) {
76. perror("select");
77. break;
78. } else if (ret == 0) {
79. printf("timeout\n");
80. continue;
81. }
82. // check every fd in the set
83. for (i = 0; i < conn_amount; i++) {
84. if (FD_ISSET(fd_A[i], &fdsr)) {
85. ret = recv(fd_A[i], buf, sizeof(buf), 0);
86. char str[] = "Good,very nice!\n";
87. send(fd_A[i],str,sizeof(str) + 1, 0);
88. if (ret <= 0) {        // client close
89. printf("client[%d] close\n", i);
90. close(fd_A[i]);
91. FD_CLR(fd_A[i], &fdsr);
92. fd_A[i] = 0;
93. } else {        // receive data
94. if (ret < BUF_SIZE)
95. memset(&buf[ret], '\0', 1);
96. printf("client[%d] send:%s\n", i, buf);
97. }
98. }
99. }
100. // check whether a new connection comes
101. if (FD_ISSET(sock_fd, &fdsr)) {
102. new_fd = accept(sock_fd, (struct sockaddr *)&client_addr, &sin_size);
103. if (new_fd <= 0) {
104. perror("accept");
105. continue;
106. }
107. // add to fd queue
108. if (conn_amount < BACKLOG) {
109. fd_A[conn_amount++] = new_fd;
110. printf("new connection client[%d] %s:%d\n", conn_amount,
111. inet_ntoa(client_addr.sin_addr), ntohs(client_addr.sin_port));
112. if (new_fd > maxsock)
113. maxsock = new_fd;
114. }
115. else {
116. printf("max connections arrive, exit\n");
117. send(new_fd, "bye", 4, 0);
118. close(new_fd);
119. break;
120. }
121. }
122. showclient();
123. }
124. // close other connections
125. for (i = 0; i < BACKLOG; i++) {
126. if (fd_A[i] != 0) {
127. close(fd_A[i]);
128. }
129. }
130. exit(0);
131. }

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;
}