IO多路复用之select篇

1、基本概念

　　IO多路复用是指内核一旦发现进程指定的一个或者多个IO条件准备读取，它就通知该进程。IO多路复用适用如下场合：

　　（1）当客户处理多个描述字时（一般是交互式输入和网络套接口），必须使用I/O复用。

　　（2）当一个客户同时处理多个套接口时，而这种情况是可能的，但很少出现。

　　（3）如果一个TCP服务器既要处理监听套接口，又要处理已连接套接口，一般也要用到I/O复用。

　　（4）如果一个服务器即要处理TCP，又要处理UDP，一般要使用I/O复用。

　　（5）如果一个服务器要处理多个服务或多个协议，一般要使用I/O复用。

　　与多进程和多线程技术相比，I/O多路复用技术的最大优势是系统开销小，系统不必创建进程/线程，也不必维护这些进程/线程，从而大大减小了系统的开销。

2、select函数

　　该函数准许进程指示内核等待多个事件中的任何一个发送，并只在有一个或多个事件发生或经历一段指定的时间后才唤醒。函数原型如下：

#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>int select(int maxfdp1,fd_set *readset,fd_set *writeset,fd_set *exceptset,const struct timeval *timeout)
返回值：就绪描述符的数目，超时返回0，出错返回-1

函数参数介绍如下：

（1）第一个参数maxfdp1指定待测试的描述字个数，它的值是待测试的最大描述字加1（因此把该参数命名为maxfdp1），描述字0、1、2...maxfdp1-1均将被测试。

（2）中间的三个参数readset、writeset和exceptset指定我们要让内核测试读、写和异常条件的描述字。如果对某一个的条件不感兴趣，就可以把它设为空指针。struct fd_set可以理解为一个集合，这个集合中存放的是文件描述符，可通过以下四个宏进行设置：

void FD_ZERO(fd_set *fdset); //清空集合

void FD_SET(int fd, fd_set *fdset); //将一个给定的文件描述符加入集合之中

void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset); //将一个给定的文件描述符从集合中删除

int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset); // 检查集合中指定的文件描述符是否可以读写

（3）timeout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。

struct timeval{

long tv_sec; //seconds

long tv_usec; //microseconds

};

这个参数有三种可能：

（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）等待一段固定时间：在有一个描述字准备好I/O时返回，但是不超过由该参数所指向的timeval结构中指定的秒数和微秒数。

（3）根本不等待：检查描述字后立即返回，这称为轮询。为此，该参数必须指向一个timeval结构，而且其中的定时器值必须为0。

3、测试程序

　　写一个TCP回射程序，程序的功能是：客户端向服务器发送信息，服务器接收并原样发送给客户端，客户端显示出接收到的信息。

服务端程序如下所示：

  1 #include <stdio.h>
  2 #include <stdlib.h>
  3 #include <string.h>
  4 #include <errno.h>
  5
  6 #include <netinet/in.h>
  7 #include <sys/socket.h>
  8 #include <sys/select.h>
  9 #include <unistd.h>
 10 #include <sys/types.h>
 11
 12 #define IPADDRESS   "127.0.0.1"
 13 #define PORT        8787
 14 #define MAXLINE     1024
 15 #define LISTENQ     5
 16
 17 //函数声明
 18 //创建套接字并进行绑定
 19 static int socket_bind(const char* ip,int port);
 20 //IO多路复用select
 21 static void do_select(int listenfd);
 22 //处理多个连接
 23 static void handle_connection(int *connfds,int num,fd_set *prset,fd_set *pallset);
 24
 25 int main(int argc,char *argv[])
 26 {
 27     int  listenfd,connfd,sockfd;
 28     struct sockaddr_in cliaddr;
 29     socklen_t cliaddrlen;
 30     listenfd = socket_bind(IPADDRESS,PORT);
 31     listen(listenfd,LISTENQ);
 32     do_select(listenfd);
 33     return 0;
 34 }
 35
 36 static int socket_bind(const char* ip,int port)
 37 {
 38     int  listenfd;
 39     struct sockaddr_in servaddr;
 40     listenfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
 41     if (listenfd == -1)
 42     {
 43         perror("socket error:");
 44         exit(1);
 45     }
 46     bzero(&servaddr,sizeof(servaddr));
 47     servaddr.sin_family = AF_INET;
 48     inet_pton(AF_INET,ip,&servaddr.sin_addr);
 49     servaddr.sin_port = htons(port);
 50     if (bind(listenfd,(struct sockaddr*)&servaddr,sizeof(servaddr)) == -1)
 51     {
 52         perror("bind error: ");
 53         exit(1);
 54     }
 55     return listenfd;
 56 }
 57
 58 static void do_select(int listenfd)
 59 {
 60     int  connfd,sockfd;
 61     struct sockaddr_in cliaddr;
 62     socklen_t cliaddrlen;
 63     fd_set  rset,allset;
 64     int maxfd,maxi;
 65     int i;
 66     int clientfds[FD_SETSIZE];  //保存客户连接描述符
 67     int nready;
 68     //初始化客户连接描述符
 69     for (i = 0;i < FD_SETSIZE;i++)
 70         clientfds[i] = -1;
 71     maxi = -1;
 72     FD_ZERO(&allset);
 73     //添加监听描述符
 74     FD_SET(listenfd,&allset);
 75     maxfd = listenfd;
 76     //循环处理
 77     for ( ; ; )
 78     {
 79         rset = allset;
 80         //获取可用描述符的个数
 81         nready = select(maxfd+1,&rset,NULL,NULL,NULL);
 82         if (nready == -1)
 83         {
 84             perror("select error:");
 85             exit(1);
 86         }
 87         //测试监听描述符是否准备好
 88         if (FD_ISSET(listenfd,&rset))
 89         {
 90             cliaddrlen = sizeof(cliaddr);
 91             //接受新的连接
 92             if ((connfd = accept(listenfd,(struct sockaddr*)&cliaddr,&cliaddrlen)) == -1)
 93             {
 94                 if (errno == EINTR)
 95                     continue;
 96                 else
 97                 {
 98                    perror("accept error:");
 99                    exit(1);
100                 }
101             }
102             fprintf(stdout,"accept a new client: %s:%d\n", inet_ntoa(cliaddr.sin_addr),cliaddr.sin_port);
103             //将新的连接描述符添加到数组中
104             for (i = 0;i <FD_SETSIZE;i++)
105             {
106                 if (clientfds[i] < 0)
107                 {
108                     clientfds[i] = connfd;
109                     break;
110                 }
111             }
112             if (i == FD_SETSIZE)
113             {
114                 fprintf(stderr,"too many clients.\n");
115                 exit(1);
116             }
117             //将新的描述符添加到读描述符集合中
118             FD_SET(connfd,&allset);
119             //描述符个数
120             maxfd = (connfd > maxfd ? connfd : maxfd);
121             //记录客户连接套接字的个数
122             maxi = (i > maxi ? i : maxi);
123             if (--nready <= 0)
124                 continue;
125         }
126         //处理客户连接
127         handle_connection(clientfds,maxi,&rset,&allset);
128     }
129 }
130
131 static void handle_connection(int *connfds,int num,fd_set *prset,fd_set *pallset)
132 {
133     int i,n;
134     char buf[MAXLINE];
135     memset(buf,0,MAXLINE);
136     for (i = 0;i <= num;i++)
137     {
138         if (connfds[i] < 0)
139             continue;
140         //测试客户描述符是否准备好
141         if (FD_ISSET(connfds[i],prset))
142         {
143             //接收客户端发送的信息
144             n = read(connfds[i],buf,MAXLINE);
145             if (n == 0)
146             {
147                 close(connfds[i]);
148                 FD_CLR(connfds[i],pallset);
149                 connfds[i] = -1;
150                 continue;
151             }
152             printf("read msg is: ");
153             write(STDOUT_FILENO,buf,n);
154             //向客户端发送buf
155             write(connfds[i],buf,n);
156         }
157     }
158 }

客户端程序如下：

 1 #include <netinet/in.h>
 2 #include <sys/socket.h>
 3 #include <stdio.h>
 4 #include <string.h>
 5 #include <stdlib.h>
 6 #include <sys/select.h>
 7 #include <time.h>
 8 #include <unistd.h>
 9 #include <sys/types.h>
10
11 #define MAXLINE     1024
12 #define IPADDRESS   "127.0.0.1"
13 #define SERV_PORT   8787
14
15 #define max(a,b) (a > b) ? a : b
16
17 static void handle_connection(int sockfd);
18
19 int main(int argc,char *argv[])
20 {
21     int                 sockfd;
22     struct sockaddr_in  servaddr;
23     sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
24     bzero(&servaddr,sizeof(servaddr));
25     servaddr.sin_family = AF_INET;
26     servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
27     inet_pton(AF_INET,IPADDRESS,&servaddr.sin_addr);
28     connect(sockfd,(struct sockaddr*)&servaddr,sizeof(servaddr));
29     //处理连接描述符
30     handle_connection(sockfd);
31     return 0;
32 }
33
34 static void handle_connection(int sockfd)
35 {
36     char    sendline[MAXLINE],recvline[MAXLINE];
37     int     maxfdp,stdineof;
38     fd_set  rset;
39     int n;
40     FD_ZERO(&rset);
41     for (; ;)
42     {
43         //添加标准输入描述符
44         FD_SET(STDIN_FILENO,&rset);
45         //添加连接描述符
46         FD_SET(sockfd,&rset);
47         maxfdp = max(STDIN_FILENO,sockfd);
48         //进行轮询
49         select(maxfdp+1,&rset,NULL,NULL,NULL);
50         //测试连接套接字是否准备好
51         if (FD_ISSET(sockfd,&rset))
52         {
53             n = read(sockfd,recvline,MAXLINE);
54             if (n == 0)
55             {
56                     fprintf(stderr,"client: server is closed.\n");
57                     close(sockfd);
58                     FD_CLR(sockfd,&rset);
59             }
60             write(STDOUT_FILENO,recvline,n);
61         }
62         //测试标准输入是否准备好
63         if (FD_ISSET(STDIN_FILENO,&rset))
64         {
65             n = read(STDIN_FILENO,sendline,MAXLINE);
66             if (n  == 0)
67             {
68                 FD_CLR(STDIN_FILENO,&rset);
69                 continue;
70             }
71             write(sockfd,sendline,n);
72         }
73     }
74 }

4、程序结果

　　启动服务程序，执行两个客户程序进行测试，结果如下图所示：

参考：

http://www.cnblogs.com/Anker/p/3258674.html

http://konglingchun.is-programmer.com/posts/12146.html

http://blog.163.com/smileface100@126/blog/static/27720874200951024532966/

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