Linux下I/O多路转接之select --fd_set

fd_set

你终于还是来了，能看到这个标题进来的，我想，你一定是和我遇到了一样的问题，一样的疑惑，接下来几个小时，我一定竭尽全力，写出我想说的，希望也正是你所需要的：

关于Linux下I/O多路转接之select，我不想太多的解释，用较少的文章引出今天我要说的问题：fd_set...自我感觉，这个东西，是理解select的关键。

一、关于select函数：

以上只是截屏，以保证本人说的是真话，下面解释：

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。

1.参数nfds是需要监视的最大的文件描述符值+1；

2.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。

3.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:

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

2. 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 。

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

4.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：

结构体成员两个，第一个单位是秒，第二个单位是微妙 ，作用是时间为两个之和；

更多关于select的应用，咱移驾看这位大神：http://blog.sina.com.cn/s/blog_5c8d13830100pwaf.html      关于select的使用，理解了也就好弄了，关于应用，后附代码：

下面才是我想说的东西：

二、fd_set:

1>>fd_set是什么：

select()机制中提供一fd_set的数据结构，可以理解为一个集合，实际上是一个位图，每一个特定位来标志相应大小文件描述符，这个集合中存放的是文件描述符，即就是文件句柄(不管是socket句柄，还是其他文件或命名管道或设备句柄)建立联系，建立联系的工作由程序员完成，当调用select()时，由内核根据IO状态修改fd_set的内容，由此来通知执行了select()的进程哪一socket或文件可读。Unix下任何设备、管道、FIFO等都是文件形式，全部包括在内，所以毫无疑问一个socket就是一个文件，socket句柄就是一个文件描述符。fd_set集合可以通过一些宏由人为来操作，程序员通过操作4类宏，来完成最fd_set的操作，在上文已经提及。

2>>fe_set怎么表示：

其中readfds、writefds等都是fd_set类型，其中的每一位都表示一个fd,即文件描述符。

3>>fd_set用法：

过去，一个fd_set通常只能包含<32的fd（文件描述字），因为fd_set其实只用了一个32位矢量来表示fd；现在,UNIX系统通常会在头文件中定义常量FD_SETSIZE，它是数据类型fd_set的描述字数量，其值通常是1024，这样就能表示<1024的fd。根据fd_set的位矢量实现，我们可以重新理解操作fd_set的四个宏：

fd_set set;

FD_ZERO(&set);      /*将set的所有位置0，如set在内存中占8位则将set置为00000000*/

FD_SET(0, &set);    /* 将set的第0位置1，如set原来是00000000，则现在变为10000000，这样fd==1的文件描述字就被加进set中了 */

FD_CLR(4, &set);    /*将set的第4位置0，如set原来是10001000，则现在变为10000000，这样fd==4的文件描述字就被从set中清除了 */

FD_ISSET(5, &set);  /* 测试set的第5位是否为1，如果set原来是10000100，则返回非零，表明fd==5的文件描述字在set中；否则返回0*/

我们在回到原函数：select

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

功能：测试指定的fd可读、可写、有异常条件待处理。

参数：

1.nfds

需要检查的文件描述字个数（即检查到fd_set的第几位），数值应该比三组fd_set中所含的最大fd值更大，一般设为三组fd_set中所含的最大fd值加1（如在上边例子中readset,writeset,exceptset中所含最大的fd为5，则nfds=6，因为fd是从0开始的）。设这个值是为提高效率，使函数不必检查fd_set的所有1024位。

readset  ：用来检查可读性的一组文件描述字。

writeset ：用来检查可写性的一组文件描述字。

exceptset ：用来检查是否有异常条件出现的文件描述字。(注：错误不包括在异常条件之内)

timeout：有三种可能：

1.  timeout=NULL（阻塞：直到有一个fd位被置为1函数才返回）

2.  timeout所指向的结构设为非零时间（等待固定时间：有一个fd位被置为1或者时间耗尽，函数均返回）

3.  timeout所指向的结构，时间设为0（非阻塞：函数检查完每个fd后立即返回）

返回值：

1.当监视的相应的文件描述符集中满足条件时，比如说读文件描述符集中有数据到来时，内核(I/O)根据状态修改文件描述符集，并返回一个大于0的数。

2.当没有满足条件的文件描述符，且设置的timeval监控时间超时时，select函数会返回一个为0的值。

3.当select返回负值时，发生错误。

备注：

三组fd_set均将某些fd位置0，只有那些可读，可写以及有异常条件待处理的fd位仍然为1。

使用select函数的过程一般是：

先调用宏FD_ZERO将指定的fd_set清零，然后调用宏FD_SET将需要测试的fd加入fd_set，接着调用函数select测试fd_set中的所有fd，最后用宏FD_ISSET检查某个fd在函数select调用后，相应位是否仍然为1。

以下是一个测试单个文件描述字可读性的例子：

基于select实现的网络服务器和客户端：

server.c

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<netinet/in.h>
#include<string.h>
#include<signal.h>
#include<sys/wait.h>  

/*
 *网络服务器，select参与调度
 * */

//ERR_EXIT(M)是一个错误退出宏
#define ERR_EXIT(m) \
    do { \
        perror(m); \
        exit(EXIT_FAILURE); \
    } while (0)  

int main(void)
{
    signal(SIGPIPE, SIG_IGN);

    //1.创建套接字
    int listenfd;                 //被动套接字(文件描述符），即只可以accept, 监听套接字
    if ((listenfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP)) < 0)
        ERR_EXIT("socket error"); //调用上边的宏 

    struct sockaddr_in servaddr;

    //memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
    //三个结构体成员
    //设置本地IP 和端口
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_port = htons(8080);
    servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    /* servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1"); */
    /* inet_aton("127.0.0.1", &servaddr.sin_addr); */  

    //2.设置套接字属性
    int on = 1;
    if (setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &on, sizeof(on)) < 0)
        ERR_EXIT("setsockopt error");  

    //3.绑定
    if (bind(listenfd, (struct sockaddr*)&servaddr,sizeof(servaddr)) < 0)
        ERR_EXIT("bind error");  

    //4.监听
    if (listen(listenfd, SOMAXCONN) < 0) //listen应在socket和bind之后，而在accept之前
        ERR_EXIT("listen error");  

    struct sockaddr_in peeraddr; //传出参数
    socklen_t peerlen = sizeof(peeraddr); //传入传出参数，必须有初始值  

    int conn; // 已连接套接字(变为主动套接字，即可以主动connect)
    int i;
    int client[FD_SETSIZE];
    int maxi = 0; // client数组中最大不空闲位置的下标
    for (i = 0; i < FD_SETSIZE; i++)
        client[i] = -1;  

    int nready;
    int maxfd = listenfd;
    fd_set rset;
    fd_set allset;
    FD_ZERO(&rset);
    FD_ZERO(&allset);
    FD_SET(listenfd, &allset);  

    while (1) {
        rset = allset;
        nready = select(maxfd + 1, &rset, NULL, NULL, NULL);
        if (nready == -1) {
            if (errno == EINTR)
                continue;
            ERR_EXIT("select error");
        }  

        if (nready == 0)
            continue;  

        if (FD_ISSET(listenfd, &rset)) {  

            conn = accept(listenfd, (struct sockaddr*)&peeraddr, &peerlen);  //accept不再阻塞
            if (conn == -1)
                ERR_EXIT("accept error");  

            for (i = 0; i < FD_SETSIZE; i++) {
                if (client[i] < 0) {
                    client[i] = conn;
                    if (i > maxi)
                        maxi = i;
                    break;
                }
            }  

            if (i == FD_SETSIZE) {
                fprintf(stderr, "too many clients\n");
                exit(EXIT_FAILURE);
            }  

            printf("recv connect ip=%s port=%d\n", inet_ntoa(peeraddr.sin_addr),
                ntohs(peeraddr.sin_port));  

            FD_SET(conn, &allset);
            if (conn > maxfd)
                maxfd = conn;  

            if (--nready <= 0)
                continue;
        }  

        for (i = 0; i <= maxi; i++) {
            conn = client[i];
            if (conn == -1)
                continue;  

            if (FD_ISSET(conn, &rset)) {  

                char recvbuf[1024] = {0};
                int ret = read(conn, recvbuf, 1024);
                if (ret == -1)
                    ERR_EXIT("readline error");
                else if (ret  == 0) { //客户端关闭
                    printf("client close \n");
                    FD_CLR(conn, &allset);
                    client[i] = -1;
                    close(conn);
                }  

                fputs(recvbuf, stdout);
                write(conn, recvbuf, strlen(recvbuf));  

                if (--nready <= 0)
                    break;
            }
        }
    }
    return 0;
} 

client.c

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<netinet/in.h>
#include<string.h>  

#define ERR_EXIT(m) \
    do { \
        perror(m); \
        exit(EXIT_FAILURE); \
    } while (0)  

int main(void)
{
    int sock;
    if ((sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP)) < 0)
        //  listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)
        ERR_EXIT("socket error");  

    struct sockaddr_in servaddr;
    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_port = htons(8080);
    servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
    /* inet_aton("127.0.0.1", &servaddr.sin_addr); */  

    if (connect(sock, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0)
        ERR_EXIT("connect error");
    struct sockaddr_in localaddr;
    char cli_ip[20];
    socklen_t local_len = sizeof(localaddr);
    memset(&localaddr, 0, sizeof(localaddr));
    if( getsockname(sock,(struct sockaddr *)&localaddr,&local_len) != 0 )
        ERR_EXIT("getsockname error");
    inet_ntop(AF_INET, &localaddr.sin_addr, cli_ip, sizeof(cli_ip));
    printf("host %s:%d\n", cli_ip, ntohs(localaddr.sin_port));   

    fd_set rset;
    FD_ZERO(&rset);
    int nready;
    int maxfd;
    int fd_stdin = fileno(stdin); //
    if (fd_stdin > sock)
        maxfd = fd_stdin;
    else
        maxfd = sock;
    char sendbuf[1024] = {0};
    char recvbuf[1024] = {0};  

    while (1)
    {  

        FD_SET(fd_stdin, &rset);
        FD_SET(sock, &rset);
        nready = select(maxfd + 1, &rset, NULL, NULL, NULL); //select返回表示检测到可读事件
        if (nready == -1)
            ERR_EXIT("select error");  

        if (nready == 0)
            continue;  

        if (FD_ISSET(sock, &rset))
        {  

            int ret = read(sock, recvbuf, sizeof(recvbuf));
            if (ret == -1)
                ERR_EXIT("read error");
            else if (ret  == 0)   //服务器关闭
            {
                printf("server close\n");
                break;
            }  

            fputs(recvbuf, stdout);
            memset(recvbuf, 0, sizeof(recvbuf));
        }  

        if (FD_ISSET(fd_stdin, &rset))
        {  

            if (fgets(sendbuf, sizeof(sendbuf), stdin) == NULL)
                break;  

            write(sock, sendbuf, strlen(sendbuf));
            memset(sendbuf, 0, sizeof(sendbuf));
        }
    }  

    close(sock);
    return 0;
}

赐教！