Linux中select IO复用机制

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。

int select(int maxfdp,fd_set *readfds,fd_set *writefds,fd_set *errorfds,struct timeval *timeout);

/*参数列表
int maxfdp是一个整数值，是指集合中所有文件描述符的范围，即所有文件描述符的最大值加1，不能错！在Windows中这个参数的值无所谓，可以设置不正确。
　　
fd_set *readfds是指向fd_set结构的指针，这个集合中应该包括文件描述符，我们是要监视这些文件描述符的读变化的，即我们关心是否可以从这些文件中读取数据了，如果这个集合中有一个文件可读，select就会返回一个大于0的值，表示有文件可读，如果没有可读的文件，则根据timeout参数再判断是否超时，若超出timeout的时间，select返回0，若发生错误返回负值。可以传入NULL值，表示不关心任何文件的读变化。
　　
fd_set *writefds是指向fd_set结构的指针，这个集合中应该包括文件描述符，我们是要监视这些文件描述符的写变化的，即我们关心是否可以向这些文件中写入数据了，如果这个集合中有一个文件可写，select就会返回一个大于0的值，表示有文件可写，如果没有可写的文件，则根据timeout参数再判断是否超时，若超出timeout的时间，select返回0，若发生错误返回负值。可以传入NULL值，表示不关心任何文件的写变化。
　　
fd_set *errorfds同上面两个参数的意图，用来监视文件错误异常。
　　
struct timeval* timeout是select的超时时间，这个参数至关重要，它可以使select处于三种状态：
第一，若将NULL以形参传入，即不传入时间结构，就是将select置于阻塞状态，一定等到监视文件描述符集合中某个文件描述符发生变化为止；
第二，若将时间值设为0秒0毫秒，就变成一个纯粹的非阻塞函数，不管文件描述符是否有变化，都立刻返回继续执行，文件无变化返回0，有变化返回一个正值；
第三，timeout的值大于0，这就是等待的超时时间，即 select在timeout时间内阻塞，超时时间之内有事件到来就返回了，否则在超时后不管怎样一定返回，返回值同上述。
*/
/*
返回值：
负值：select错误
正值：某些文件可读写或出错
0：等待超时，没有可读写或错误的文件
*/

函数原型：

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：

struct timeval
{time_t tv_sec;//secondtime_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）。

利用Select模型，设计的web服务器：

#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 200int fd_A[BACKLOG];    // accepted connection fd
int conn_amount;    // current connection amountvoid 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_fdstruct sockaddr_in server_addr;    // server address informationstruct sockaddr_in client_addr; // connector's address informationsocklen_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 orderserver_addr.sin_port = htons(MYPORT);     // short, network byte orderserver_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // automatically fill with my IPmemset(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 setFD_ZERO(&fdsr);FD_SET(sock_fd, &fdsr);// timeout settingtv.tv_sec = 30;tv.tv_usec = 0;// add active connection to fd setfor (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 setfor (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 closeprintf("client[%d] close\n", i);close(fd_A[i]);FD_CLR(fd_A[i], &fdsr);fd_A[i] = 0;} else {        // receive dataif (ret < BUF_SIZE)memset(&buf[ret], '\0', 1);printf("client[%d] send:%s\n", i, buf);}}}// check whether a new connection comesif (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 queueif (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 connectionsfor (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 0int 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;// Listenlisten_sd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (listen_sd < 0){perror("socket() failed");exit(-1);}// Set socket optionsrc = setsockopt(listen_sd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, (char *) &on, sizeof(on));if (rc < 0){perror("setsockopt() failed");close(listen_sd);exit(-1);}// Set IO controlrc = ioctl(listen_sd, FIONBIO, (char *) &on);if (rc < 0){perror("ioctl() failed");close(listen_sd);exit(-1);}// Bindmemset(&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);}// Listenrc = listen(listen_sd, 32);if (rc < 0){perror("listen() failed\n");close(listen_sd);exit(-1);}// Intialize sd setFD_ZERO(&master_set);max_sd = listen_sd;FD_SET(listen_sd, &master_set);timeout.tv_sec = 3 * 60;timeout.tv_usec = 0;// Startdo{// Copy master_set into working_setmemcpy(&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_setfor (i = 0; i <= max_sd && desc_ready > 0; ++i){// Check to see if this sd is readyif (FD_ISSET(i, &working_set)){--desc_ready;// Check to see if this is the listening sdif (i == listen_sd){printf("  Listeing socket is readable\n");do{// Acceptnew_sd = accept(listen_sd, NULL, NULL);// Nothing to be acceptedif (new_sd < 0){// All have been acceptedif (errno != EWOULDBLOCK){perror("  accept() failed\n");end_server = TRUE;}break;}// Insert new_sd into master_setprintf("  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 sdelse{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 occursif (rc < 0){// Normal failureif (errno != EWOULDBLOCK){perror("  recv() failed\n");close_conn = TRUE;}break;}// The connection has been closed by the clientif (rc == 0){printf("  Connection closed\n");close_conn = TRUE;break;}/* Receiving data succeeded and echo it backthe 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 occuredif (close_conn){// Close the sd and remove it from master_setclose(i);FD_CLR(i, &master_set);// If this is the max sdif (i == max_sd){// Find the max sd in master_set nowwhile (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;
}

关于select在异步(非阻塞)connect中的应用, 用select可以很好地解决这一问题.大致过程是这样的:
1.将打开的socket设为非阻塞的,可以用fcntl(socket, F_SETFL, O_NDELAY)完成(有的系统用FNEDLAY也可).
2.发connect调用,这时返回-1,但是errno被设为EINPROGRESS,意即connect仍旧在进行还没有完成.

3.将打开的socket设进被监视的可写(注意不是可读)文件集合用select进行监视, 如果可写,用 getsockopt(socket, SOL_SOCKET, SO_ERROR, &error, sizeof(int)); 来得到error的值,如果为零,则connect成功.

===================================

select()系统调用提供一个机制来实现同步多元I/O：

#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>int select (int n,
fd_set *readfds,
fd_set *writefds,
fd_set *exceptfds,
struct timeval *timeout);FD_CLR(int fd, fd_set *set);
FD_ISSET(int fd, fd_set *set);
FD_SET(int fd, fd_set *set);
FD_ZERO(fd_set *set);

调用select()将阻塞，直到指定的文件描述符准备好执行I/O，或者可选参数timeout指定的时间已经过去。
监视的文件描述符分为三类set，每一种对应等待不同的事件。readfds中列出的文件描述符被监视是否有数据可供读取（如果读取操作完成则不会阻塞）。writefds中列出的文件描述符则被监视是否写入操作完成而不阻塞。最后，exceptfds中列出的文件描述符则被监视是否发生异常，或者无法控制的数据是否可用（这些状态仅仅应用于套接字）。这三类set可以是NULL，这种情况下select()不监视这一类事件。
select()成功返回时，每组set都被修改以使它只包含准备好I/O的文件描述符。例如，假设有两个文件描述符，值分别是7和9，被放在readfds中。当select()返回时，如果7仍然在set中，则这个文件描述符已经准备好被读取而不会阻塞。如果9已经不在set中，则读取它将可能会阻塞（我说可能是因为数据可能正好在select返回后就可用，这种情况下，下一次调用select()将返回文件描述符准备好读取）。
第一个参数n，等于所有set中最大的那个文件描述符的值加1。因此，select()的调用者负责检查哪个文件描述符拥有最大值，并且把这个值加1再传递给第一个参数。
timeout参数是一个指向timeval结构体的指针，timeval定义如下：

#include <sys/time.h>
struct timeval {
long tv_sec; /* seconds */
long tv_usec; /* 10E-6 second */
};

如果这个参数不是NULL，则即使没有文件描述符准备好I/O，select()也会在经过tv_sec秒和tv_usec微秒后返回。当select()返回时，timeout参数的状态在不同的系统中是未定义的，因此每次调用select()之前必须重新初始化timeout和文件描述符set。实际上，当前版本的Linux会自动修改timeout参数，设置它的值为剩余时间。因此，如果timeout被设置为5秒，然后在文件描述符准备好之前经过了3秒，则这一次调用select()返回时tv_sec将变为2。
如果timeout中的两个值都设置为0，则调用select()将立即返回，报告调用时所有未决的事件，但不等待任何随后的事件。
文件描述符set不会直接操作，一般使用几个助手宏来管理。这允许Unix系统以自己喜欢的方式来实现文件描述符set。但大多数系统都简单地实现set为位数组。FD_ZERO移除指定set中的所有文件描述符。每一次调用select()之前都应该先调用它。
fd_set writefds;
FD_ZERO(&writefds);
FD_SET添加一个文件描述符到指定的set中，FD_CLR则从指定的set中移除一个文件描述符：
FD_SET(fd, &writefds); /* add 'fd' to the set */
FD_CLR(fd, &writefds); /* oops, remove 'fd' from the set */
设计良好的代码应该永远不使用FD_CLR，而且实际情况中它也确实很少被使用。
FD_ISSET测试一个文件描述符是否指定set的一部分。如果文件描述符在set中则返回一个非0整数，不在则返回0。FD_ISSET在调用select()返回之后使用，测试指定的文件描述符是否准备好相关动作：
if (FD_ISSET(fd, &readfds))
/* 'fd' is readable without blocking! */
因为文件描述符set是静态创建的，它们对文件描述符的最大数目强加了一个限制，能够放进set中的最大文件描述符的值由FD_SETSIZE指定。在Linux中，这个值是1024。本章后面我们还将看到这个限制的衍生物。
返回值和错误代码
select()成功时返回准备好I/O的文件描述符数目，包括所有三个set。如果提供了timeout，返回值可能是0；错误时返回-1，并且设置errno为下面几个值之一：
EBADF，给某个set提供了无效文件描述符。
EINTR，等待时捕获到信号，可以重新发起调用。
EINVAL，参数n为负数，或者指定的timeout非法。
ENOMEM，不够可用内存来完成请求。
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------

poll()系统调用是System V的多元I/O解决方案。它解决了select()的几个不足，尽管select()仍然经常使用（多数还是出于习惯，或者打着可移植的名义）：

#include <sys/poll.h>
int poll (struct pollfd *fds, unsigned int nfds, int timeout);

和select()不一样，poll()没有使用低效的三个基于位的文件描述符set，而是采用了一个单独的结构体pollfd数组，由fds指针指向这个组。pollfd结构体定义如下：

#include <sys/poll.h>struct pollfd {
int fd; /* file descriptor */
short events; /* requested events to watch */
short revents; /* returned events witnessed */
};

每一个pollfd结构体指定了一个被监视的文件描述符，可以传递多个结构体，指示poll()监视多个文件描述符。每个结构体的events域是监视该文件描述符的事件掩码，由用户来设置这个域。revents域是文件描述符的操作结果事件掩码。内核在调用返回时设置这个域。events域中请求的任何事件都可能在revents域中返回。合法的事件如下：
POLLIN，有数据可读。
POLLRDNORM，有普通数据可读。
POLLRDBAND，有优先数据可读。
POLLPRI，有紧迫数据可读。
POLLOUT，写数据不会导致阻塞。
POLLWRNORM，写普通数据不会导致阻塞。
POLLWRBAND，写优先数据不会导致阻塞。
POLLMSG，SIGPOLL消息可用。
此外，revents域中还可能返回下列事件：
POLLER，指定的文件描述符发生错误。
POLLHUP，指定的文件描述符挂起事件。
POLLNVAL，指定的文件描述符非法。
这些事件在events域中无意义，因为它们在合适的时候总是会从revents中返回。使用poll()和select()不一样，你不需要显式地请求异常情况报告。POLLIN | POLLPRI等价于select()的读事件，POLLOUT | POLLWRBAND等价于select()的写事件。POLLIN等价于POLLRDNORM | POLLRDBAND，而POLLOUT则等价于POLLWRNORM。
例如，要同时监视一个文件描述符是否可读和可写，我们可以设置events为POLLIN | POLLOUT。在poll返回时，我们可以检查revents中的标志，对应于文件描述符请求的events结构体。如果POLLIN事件被设置，则文件描述符可以被读取而不阻塞。如果POLLOUT被设置，则文件描述符可以写入而不导致阻塞。这些标志并不是互斥的：它们可能被同时设置，表示这个文件描述符的读取和写入操作都会正常返回而不阻塞。timeout参数指定等待的毫秒数，无论I/O是否准备好，poll都会返回。timeout指定为负数值表示无限超时；timeout为0指示poll调用立即返回并列出准备好I/O的文件描述符，但并不等待其它的事件。这种情况下，poll()就像它的名字那样，一旦选举出来，立即返回。
返回值和错误代码
成功时，poll()返回结构体中revents域不为0的文件描述符个数；如果在超时前没有任何事件发生，poll()返回0；失败时，poll()返回-1，并设置errno为下列值之一：
EBADF，一个或多个结构体中指定的文件描述符无效。
EFAULT，fds指针指向的地址超出进程的地址空间。
EINTR，请求的事件之前产生一个信号，调用可以重新发起。
EINVAL，nfds参数超出PLIMIT_NOFILE值。
ENOMEM，可用内存不足，无法完成请求。

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