【Linux系统编程】IO多路复用之select

00. 目录

文章目录

00. 目录
01. 概述
02. select函数
03. select程序示例
04. select优缺点
05. 附录

01. 概述

I/O 多路复用技术是为了解决进程或线程阻塞到某个 I/O 系统调用而出现的技术，使进程不阻塞于某个特定的 I/O 系统调用。

select()，poll()，epoll()都是I/O多路复用的机制。I/O多路复用通过一种机制，可以监视多个描述符，一旦某个描述符就绪（一般是读就绪或者写就绪，就是这个文件描述符进行读写操作之前），能够通知程序进行相应的读写操作。但select()，poll()，epoll()本质上都是同步I/O，因为他们都需要在读写事件就绪后自己负责进行读写，也就是说这个读写过程是阻塞的，而异步I/O则无需自己负责进行读写，异步I/O的实现会负责把数据从内核拷贝到用户空间。

与多线程和多进程相比，I/O 多路复用的最大优势是系统开销小，系统不需要建立新的进程或者线程，也不必维护这些线程和进程。

02. select函数

#include <sys/select.h>
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
功能：监视并等待多个文件描述符的属性变化（可读、可写或错误异常）。select()函数监视的文件描述符分 3 类，分别是writefds、readfds、和 exceptfds。调用后 select() 函数会阻塞，直到有描述符就绪（有数据可读、可写、或者有错误异常），或者超时（ timeout 指定等待时间），函数才返回。当 select()函数返回后，可以通过遍历 fdset，来找到就绪的描述符。参数：nfds: 要监视的文件描述符的范围，一般取监视的描述符数的最大值+1，如这里写 10， 这样的话，描述符 0，1, 2 …… 9 都会被监视，在 Linux 上最大值一般为1024。readfd: 监视的可读描述符集合，只要有文件描述符即将进行读操作，这个文件描述符就存储到这。writefds: 监视的可写描述符集合。exceptfds: 监视的错误异常描述符集合。timeout: 超时时间，它告知内核等待所指定描述字中的任何一个就绪可花多少时间。其 timeval 结构用于指定这段时间的秒数和微秒数。
返回值：成功：就绪描述符的数目，超时返回 0，出错：-1timeout参数有三种可能：1）永远等待下去：仅在有一个描述字准备好 I/O 时才返回。为此，把该参数设置为空指针 NULL。2）等待固定时间：在指定的固定时间（ timeval 结构中指定的秒数和微秒数）内，在有一个描述字准备好 I/O 时返回，如果时间到了，就算没有文件描述符发生变化，这个函数会返回 0。3）根本不等待（不阻塞）：检查描述字后立即返回，这称为轮询。为此，struct timeval变量的时间值指定为 0 秒 0 微秒，文件描述符属性无变化返回 0，有变化返回准备好的描述符数量。struct timeval {long    tv_sec;         /* seconds */long    tv_usec;        /* microseconds */};中间的三个参数 readfds、writefds 和 exceptfds 指定我们要让内核监测读、写和异常条件的描述字。如果不需要使用某一个的条件，就可以把它设为空指针（ NULL ）。集合fd_set 中存放的是文件描述符，可通过以下四个宏进行设置：//将一个给定的文件描述符从集合中删除void FD_CLR(int fd, fd_set *set);// 检查集合中指定的文件描述符是否可以读写int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set);//将一个给定的文件描述符加入集合之中void FD_SET(int fd, fd_set *set);//清空集合void FD_ZERO(fd_set *set);

03. select程序示例

我们写这么一个例子，同时循环读取标准输入的内容，读取有名管道的内容，默认的情况下，标准输入没有内容，read()时会阻塞，同样的，有名管道如果没有内容，read()也会阻塞，我们如何实现循环读取这两者的内容呢？最简单的方法是，开两个线程，一个线程循环读标准输入的内容，一个线程循环读有名管道的内容。而在这里，我们通过 select() 函数实现这个功能：

#include <sys/select.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>int main(int argc, char *argv[])
{fd_set rfds;struct timeval tv;int ret;int fd;ret = mkfifo("test_fifo", 0666); // 创建有名管道if(ret != 0){perror("mkfifo：");}fd = open("test_fifo", O_RDWR); // 读写方式打开管道if(fd < 0){perror("open fifo");return -1;}ret = 0;while(1){// 这部分内容，要放在while(1)里面FD_ZERO(&rfds);        // 清空FD_SET(0, &rfds);   // 标准输入描述符 0 加入集合FD_SET(fd, &rfds);  // 有名管道描述符 fd 加入集合// 超时设置tv.tv_sec = 1;tv.tv_usec = 0;// 监视并等待多个文件（标准输入，有名管道）描述符的属性变化（是否可读）// 没有属性变化，这个函数会阻塞，直到有变化才往下执行，这里没有设置超时// FD_SETSIZE 为 <sys/select.h> 的宏定义，值为 1024ret = select(FD_SETSIZE, &rfds, NULL, NULL, NULL);//ret = select(FD_SETSIZE, &rfds, NULL, NULL, &tv);if(ret == -1){ // 出错perror("select()");}else if(ret > 0){ // 准备就绪的文件描述符char buf[100] = {0};if( FD_ISSET(0, &rfds) ){ // 标准输入read(0, buf, sizeof(buf));printf("stdin buf = %s\n", buf);}else if( FD_ISSET(fd, &rfds) ){ // 有名管道read(fd, buf, sizeof(buf));printf("fifo buf = %s\n", buf);}}else if(0 == ret){ // 超时printf("time out\n");}}return 0;
}

下面为上面例子的往有名管道写内容的示例代码：

#include <sys/select.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>int main(int argc, char *argv[])
{//select_demo(8);fd_set rfds;struct timeval tv;int ret;int fd;ret = mkfifo("test_fifo", 0666); // 创建有名管道if(ret != 0){perror("mkfifo：");}fd = open("test_fifo", O_RDWR); // 读写方式打开管道if(fd < 0){perror("open fifo");return -1;}while(1){char *str = "this is for test";write(fd, str, strlen(str)); // 往管道里写内容printf("after write to fifo\n");sleep(5);}return 0;
}

04. select优缺点

select优点:

select()目前几乎在所有的平台上支持，其良好跨平台支持也是它的一个优点。

select的缺点：

1）每次调用 select()，都需要把 fd 集合从用户态拷贝到内核态，这个开销在 fd 很多时会很大，同时每次调用 select() 都需要在内核遍历传递进来的所有 fd，这个开销在 fd 很多时也很大。

2）单个进程能够监视的文件描述符的数量存在最大限制，在 Linux 上一般为 1024，可以通过修改宏定义甚至重新编译内核的方式提升这一限制，但是这样也会造成效率的降低。

05. 附录