select模型详解

1.select模型原理

使用select函数检查文件描述符上是否有io事件发生，包括可读，可写以及异常

select参数和返回值意义如下：

int select (

IN int nfds, //0,无意义

IN OUT fd_set* readfds, //检查可读性

IN OUT fd_set* writefds, //检查可写性

IN OUT fd_set* exceptfds, //例外数据

IN const struct timeval* timeout); //函数的返回时间

参数说明：

第一个参数nfds在linux表示要监视的最大文件描述符+1，在windows下为0

第二个参数readfds检查文件描述符集合可读

第三个参数writefds检查文件描述符集合可写

第四个参数exceptfds检查文件描述符集合异常

第五个参数timeout结构如下

struct timeval {

long tv_sec; //秒

long tv_usec; //毫秒

};

设置select函数返回的等待时间

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。

返回值：

执行成功则返回文件描述符状态已改变的个数，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

select返回fd_set中可用的套接字个数。
系统调用：

fd_set是一个SOCKET集合（数组），以下宏可以对该集合进行操作：

FD_CLR( s, *set) 从集合set删除句柄s;

FD_ISSET( s, *set) 检查句柄s是否存在与集合set中;

FD_SET( s, *set )把句柄s添加到集合set中;

FD_ZERO( *set ) 把set队列初始化集合成空.

2.select工作流程

1：用FD_ZERO宏来初始化我们感兴趣的fd_set。

也就是select函数的第二三四个参数。

2：用FD_SET宏来将套接字句柄分配给相应的fd_set。

如果想要检查一个套接字是否有数据需要接收，可以用FD_SET宏把套接接字句柄加入可读性检查集合中

3：调用select函数。

如果该套接字没有数据需要接收，select函数会把该套接字从可读性检查集合中删除掉，

4：用FD_ISSET对套接字句柄进行检查。

如果我们所关注的那个套接字句柄仍然在开始分配的那个fd_set里，那么说明马上可以进行相应的IO操作。比如一个分配给select第一个参数的套接字句柄在select返回后仍然在select第一个参数的fd_set里，那么说明当前数据已经来了，马上可以读取成功而不会被阻塞。

3.使用实例

下面给出一个基于udp组播在windows下的实现，linux下可能略有不同

#include <winsock2.h>
#include <mswsock.h>
#include <MSTcpIP.h>
#include <errno.h>
#include <ws2ipdef.h>
#include <process.h>#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")
#pragma comment(lib, "mswsock.lib")
#define MAX_FD 16
fd_set fdread;
SOCKET fd_arr[MAX_FD] = {0};
unsigned int __stdcall threadfunc(void *)
{while (1){fd_set fd_tmp = fdread;timeval tmv;tmv.tv_sec = 1;tmv.tv_usec = 0;int ret = select(0, &fd_tmp, NULL, NULL, &tmv);if (ret < 0){printf("select failed:%d\n",ret);break;}else{for (unsigned int i=0;i<fd_tmp.fd_count;i++){SOCKET fd = fd_tmp.fd_array[i];if (fd > 0){SOCKADDR_IN client_addr;int nlen_addr = sizeof(SOCKADDR_IN);char buff[40960]={0};int nrecv = recvfrom(fd, buff, 40960, 0, (SOCKADDR *)&client_addr, &nlen_addr);if (nrecv < 0){printf("recvfrom error:%d\n", WSAGetLastError());continue;}printf("sock:%d src addr:%s:%d recv data:%s\n", fd, inet_ntoa(client_addr.sin_addr), ntohs(client_addr.sin_port),buff);}}/*for (int i=0;i<MAX_FD;i++){SOCKET fd = fd_arr[i];if (FD_ISSET(fd, &fd_tmp)){}}*/}}return 0;
};#define MULTI_IP "239.0.0.37"#define RECV_START_PORT 16000#define   LOCAL_BIND_PORT 20260int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{WSADATA wsaData;if (WSAStartup(MAKEWORD(2,2), &wsaData)!=0){printf("init socket failed\n");return -1;}FD_ZERO(&fdread);for (int i=0;i<MAX_FD;i++){SOCKADDR_IN udplocal;udplocal.sin_family = AF_INET;udplocal.sin_addr.s_addr = inet_addr("0.0.0.0");//htonl(ADDR_ANY)udplocal.sin_port = htons(RECV_START_PORT+2*i);SOCKET fd_local= socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_IP | IPPROTO_UDP);if (fd_local == INVALID_SOCKET){printf("create socket() failed\n");return -1;}//int nbroadcast = 1;//setsockopt(fd_local, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, (char *)&nbroadcast, sizeof(int));int err = bind(fd_local, (SOCKADDR *)&udplocal, sizeof SOCKADDR_IN);if (err != 0){printf("bind() socket failed\n");return -1;}//char buff[1024]={0};//memset(buff, 0x0, 1024);//add multicast group IP_MREQ mreq;mreq.imr_interface.s_addr = htonl(ADDR_ANY);mreq.imr_multiaddr.s_addr = inet_addr(MULTI_IP);setsockopt(fd_local, IPPROTO_IP, IP_ADD_MEMBERSHIP, (const char*)&mreq, sizeof mreq);//set client socket ttlint ttl_value = 4;if (setsockopt(fd_local, IPPROTO_IP, IP_MULTICAST_TTL, (char *)&ttl_value, sizeof(ttl_value)) != 0){printf("setsockopt multicast_ttl failed\n");return -1;}fd_arr[i] = fd_local;FD_SET(fd_local,&fdread);}::_beginthreadex(NULL,0,&threadfunc,NULL,0,NULL);printf("select io model server thread start running\n");getchar();for (int i=0;i<MAX_FD;i++){//shutdown(fd_arr[i], 1);closesocket(fd_arr[i]);}WSACleanup();return 0;
}

linux下检查键盘stdio输入

    #include<sys/time.h>  #include<sys/types.h>  #include<unistd.h>  #include<string.h>  #include<stdlib.h>  #include<stdio.h>  int main()  {  char buf[10]="";  fd_set rdfds;  struct timeval tv;  int ret;  FD_ZERO(&rdfds);  FD_SET(0,&rdfds);   //文件描述符0表示stdin键盘输入  tv.tv_sec = 3;  tv.tv_usec = 500;  ret = select(1,&rdfds,NULL,NULL,&tv);  if(ret<0)  printf("\n selcet error");  else if(ret == 0)  printf("\n select timeout");  else  printf("\n ret = %d",ret);  if(FD_ISSET(1,&rdfds))  //如果有输入，从stdin中获取输入字符  {  printf("\n reading");  fread(buf,9,1,stdin);  }  write(1,buf,strlen(buf));  printf("\n %d \n",strlen(buf));  return 0;  }  //执行结果ret = 1.

4.总结讨论

1.select为何效率低

通过select的代码流程，我们发现首先要将文件描述符循环拷贝到select调用的临时集合，内核在调用select时要将用户态数组拷贝到内核态并执行轮询操作，轮询完成后将有事件发送的文件描述符拷贝到select轮询后的集合，并将内核太数据拷贝到用户态，处理时在循环处理返回集合，这里至少3次的循环和数据拷贝，并有用户态数据到内核态，内核态到用户态数据的拷贝，epoll为文件描述符建立一个以红黑树结构的文件系统，大大提高了搜索效率，另外在文件描述符通过epoll_ctl时已经将文件描述符拷贝到内核中，并没有文件描述符的在内核与用户之间的来回拷贝，epoll_wait后之间返回事件节点，不用轮询集合了，iocp也是在套接字和完成端口关联时拷贝到内核态，并在完成后放在完成队列中，用户直接取出处理，不用在循环集合，总结起来就两点，一是避免了大量文件描述符集合的拷贝及重复的处理流程，二是内核在搜索文件描述符可用事件的方法高效

2.如何突破64的限制

#ifndef FD_SETSIZE
#define FD_SETSIZE      64
#endif /* FD_SETSIZE */typedef struct fd_set {u_int fd_count;               /* how many are SET? */SOCKET  fd_array[FD_SETSIZE];   /* an array of SOCKETs */
} fd_set;

方法1：修改宏定义
linux和windows下重定义FD_SETSIZE宏的大小，linux下修改内核FD_SETSIZE宏定义

方法2：分段轮询

使用一个select轮询多个文件描述符集合，完成一个集合轮询后，切换到下一个集合，轮询的数量可以达到n*64

方法3：多线程

使用多个线程select，每个线程中select轮询64个文件描述符，轮询的文件描述符数量可达到64*n

方法4：动态数组

linux内核代码中有很多零长度数组的运用，只不过不是c/c++标准，由于轮询的是一个数组，那么也可以定义为动态数组；

这也是libevent的做法，这是libevent在win32下的实现

struct win_fd_set {

u_int fd_count;

SOCKET fd_array[1];

};

使用时

win_fd_set * Set = (win_fd_set*)malloc(sizeof(win_fd_set) + sizoef(SCOEKT) * 10);
让fd_array动态变化

Set->fd_array 可以放11 个 SOCKET，因为动态开辟的内存控件足够存放11个SOCKET。