Linux NIO 系列(04-1) select

Linux NIO 系列(04-1) select

目录

• 一、select 机制的优势
• 二、select API 介绍与使用
  • 2.1 select
  • 2.2 fd_set 集合操作
  • 2.3 select 使用范例
• 三、深入理解 select 模型：
• 四、select总结
• 附1：select 网络编程代码

Netty 系列目录(https://www.cnblogs.com/binarylei/p/10117436.html)

select 系统调用的的用途是：在一段指定的时间内，监听用户感兴趣的文件描述符上可读、可写和异常等事件。

一、select 机制的优势

为什么会出现 select 模型？

先看一下下面的这句代码：

int iResult = recv(s, buffer,1024);

这是用来接收数据的，在默认的阻塞模式下的套接字里，recv 会阻塞在那里，直到套接字连接上有数据可读，把数据读到 buffer 里后 recv 函数才会返回，不然就会一直阻塞在那里。在单线程的程序里出现这种情况会导致主线程（单线程程序里只有一个默认的主线程）被阻塞，这样整个程序被锁死在这里，如果永 远没数据发送过来，那么程序就会被永远锁死。这个问题可以用多线程解决，但是在有多个套接字连接的情况下，这不是一个好的选择，扩展性很差。

再看代码：

int iResult = ioctlsocket(s, FIOBIO, (unsigned long *)&ul);
iResult = recv(s, buffer,1024);

这一次 recv 的调用不管套接字连接上有没有数据可以接收都会马上返回。原因就在于我们用 ioctlsocket 把套接字设置为非阻塞模式了。不过你跟踪一下就会发现，在没有数据的情况下，recv 确实是马上返回了，但是也返回了一个错误：WSAEWOULDBLOCK，意思就是请求的操作没有成功完成。

看到这里很多人可能会说，那么就重复调用 recv 并检查返回值，直到成功为止，但是这样做效率很成问题，开销太大。

select 模型的出现就是为了解决上述问题。

select 模型的关键是使用一种有序的方式，对多个套接字进行统一管理与调度 。

如上所示，用户首先将需要进行 IO 操作的 socket 添加到 select 中，然后阻塞等待 select 系统调用返回。当数据到达时，socket 被激活，select 函数返回。用户线程正式发起 read 请求，读取数据并继续执行。

从流程上来看，使用 select 函数进行 IO 请求和同步阻塞模型没有太大的区别，甚至还多了添加监视 socket，以及调用 select 函数的额外操作，效率更差。但是，使用 select 以后最大的优势是用户可以在一个线程内同时处理多个 socket 的 IO 请求。用户可以注册多个 socket，然后不断地调用 select 读取被激活的 socket，即可达到在同一个线程内同时处理多个 IO 请求的目的。而在同步阻塞模型中，必须通过多线程的方式才能达到这个目的。

select 流程伪代码如下：

{
    select(socket);
    while(1) {
        sockets = select();
        for(socket in sockets) {
            if(can_read(socket)) {
                read(socket, buffer);
                process(buffer);
            }
        }
    }
}

二、select API 介绍与使用

2.1 select

#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int select(int maxfdp, fd_set *readset, fd_set *writeset, fd_set *exceptset,struct timeval *timeout);

参数说明：

• maxfdp：被监听的文件描述符的总数，它比所有文件描述符集合中的文件描述符的最大值大 1，因为文件描述符是从 0 开始计数的；

• readfds、writefds、exceptset：分别指向可读、可写和异常等事件对应的描述符集合。

• timeout:用于设置 select 函数的超时时间，即告诉内核 select 等待多长时间之后就放弃等待。timeout == NULL 表示等待无限长的时间

timeval 结构体定义如下：

struct timeval {
    long tv_sec;   /*秒 */
    long tv_usec;  /*微秒 */
};

返回值：超时返回 0 ;失败返回 -1；成功返回大于 0 的整数，这个整数表示就绪描述符的数目。

2.2 fd_set 集合操作

以下介绍与 select 函数相关的常见的几个宏：

#include <sys/select.h>
int FD_ZERO(int fd, fd_set *fdset);     // 一个 fd_set 类型变量的所有位都设为 0
int FD_CLR(int fd, fd_set *fdset);      // 清除某个位时可以使用
int FD_SET(int fd, fd_set *fd_set);     // 设置变量的某个位置位
int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset);    // 测试某个位是否被置位

2.3 select 使用范例

当声明了一个文件描述符集后，必须用 FD_ZERO 将所有位置零。之后将我们所感兴趣的描述符所对应的位置位，操作如下：

fd_set rset;
int fd;
FD_ZERO(&rset);
FD_SET(fd, &rset);
FD_SET(stdin, &rset);

然后调用 select 函数，拥塞等待文件描述符事件的到来；如果超过设定的时间，则不再等待，继续往下执行。

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

select 返回后，用 FD_ISSET 测试给定位是否置位：

if(FD_ISSET(fd, &rset) {
    ...
    //do something
}

三、深入理解 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。

（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 前循环加 fd，取 maxfd，select 返回后利用 FD_ISSET 判断是否有事件发生。

四、select总结

select 本质上是通过设置或者检查存放 fd 标志位的数据结构来进行下一步处理。这样所带来的缺点是：

1. 单个进程可监视的 fd 数量被限制，即能监听端口的大小有限。一般来说这个数目和系统内存关系很大，具体数目可以 cat/proc/sys/fs/file-max 查看。32 位机默认是 1024 个。64 位机默认是 2048.

2. 对 socket 进行扫描时是线性扫描，即采用轮询的方法，效率较低：当套接字比较多的时候，每次 select() 都要通过遍历 FD_SETSIZE 个 Socket 来完成调度，不管哪个 Socket 是活跃的，都遍历一遍。这会浪费很多 CPU 时间。如果能给套接字注册某个回调函数，当他们活跃时，自动完成相关操作，那就避免了轮询，这正是 epoll 与 kqueue 做的。

3. 需要维护一个用来存放大量 fd 的数据结构，这样会使得用户空间和内核空间在传递该结构时复制开销大。

当然 select 也有优点：兼容性好，不管是 Linux 还是 Windows 都支持 select。

附1：select 网络编程代码

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

#define SERVER_PORT 8888
#define OPEN_MAX  3000
#define BACKLOG   10
#define BUF_SIZE  1024

void main() {
    int i, j, maxi;
    int listenfd, connfd, sockfd; // 定义套接字描述符
    int nready;     // 接受 pool 返回值
    int recvbytes;  // 接受 recv 返回值

    char recv_buf[BUF_SIZE];        // 发送缓冲区
    fd_set readSet, totalSet;       // 定义读集合，备份集合

    // 定义 IPV4 套接口地址结构
    struct sockaddr_in seraddr;     // service 地址
    struct sockaddr_in cliaddr;     // client 地址
    int cliaddr_len;

    // 初始化IPV4套接口地址结构
    seraddr.sin_family = AF_INET;   // 指定该地址家族
    seraddr.sin_port = htons(SERVER_PORT);    // 端口
    seraddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;   // IPV4的地址
    bzero(&(seraddr.sin_zero), 8);

    // 启动 server
    listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    bind(listenfd, (struct sockaddr *)&seraddr, sizeof(struct sockaddr));
    listen(listenfd, BACKLOG);

    // select 模型处理过程
    // 1. 初始化套接字集合，添加监听 socket 到这个集合
    FD_ZERO(&totalSet);
    FD_SET(listenfd, &totalSet);
    maxi = listenfd;

    while(1) {
        // 2. 将集合的一个拷贝传递给 select 函数。当有事件发生时，select 移除未决的 socket 然后返回。
        //    也就是说 select 返回时，集合 readSet 中就是发生事件的 readSet
        readSet = totalSet;
        int nready = select(maxi + 1, &readSet, NULL, NULL, NULL);
        if (nready > 0) {
            if (FD_ISSET(listenfd, &readSet)) {
                cliaddr_len = sizeof(cliaddr);
                connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *) &cliaddr, &cliaddr_len);
                printf("client IP: %s\t PORT : %d\n", inet_ntoa(cliaddr.sin_addr), ntohs(cliaddr.sin_port));

                FD_SET(connfd, &totalSet);
                maxi = connfd;
                if (--nready == 0) {
                    continue;
                }
            }

            for (i = listenfd + 1; i <= maxi; i++) {
                sockfd = i;
                if (FD_ISSET(sockfd, &readSet)) {
                    recvbytes = read(sockfd, recv_buf, sizeof(recv_buf));
                    if (recvbytes == 0) {           // 客户端关闭
                        close(sockfd);
                        FD_CLR(sockfd, &totalSet);
                    } else if (recvbytes == -1) {   // read 异常
                        perror("read error");
                        exit(1);
                    } else {                        // 正常读取数据
                        write(sockfd, recv_buf, recvbytes);
                        printf("receive %s\n", recv_buf);
                    }
                }
            }
        }
    }
}

参考：

1. Linux编程之select

---

每天用心记录一点点。内容也许不重要，但习惯很重要！