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【高级IO】IO多路转接之select

news 2024/10/26 5:20:45

select函数

我们知道IO = 等待 + 拷贝，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描述符的状态变化的；程序会停在select这里等待，直到被监视的文件描述符有一个或多个发生了状态改变，才进行拷贝。select是负责等待文件描述符就绪的，文件描述符就绪了才交给下面拷贝

参数：

参数nfds是需要监视的最大的文件描述符值+1

readfds,writefds,exceptfds：

1.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，这三个是输入输出型参数

2.

如果你只关心读事件，就设置可读文件描述符的集合，其他为nullptr。
如果你只关心写事件，就设置可写文件描述符的集合，其他为nullptr。依次类推
如果你要同时更新读和写事件，就同时设置可读和可写文件描述符的集合
如果你要先关心读的事件，再关心写的事件，先select读事件，返回后，再select写的事件

参数timeout为结构timeval，用来设置select()的等待时间，输入输出型参数

参数timeout取值:
nullptr：则表示select（）没有timeout，select将一直被阻塞，直到某个文件描述符就绪
0：仅检测描述符集合的是否就绪，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

关于timeval结构

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

如果设置了，就是输入输出型参数
输入指的是你自己设置的时间，输出指的是剩余的时间
假如你设置了5秒，2秒过后，选择函数就返回了，此时Timeout就是3秒了

关于fd_set结构

fd_set是操作系统给我们提供的一种数据类型，本质就是一张位图，使用位图中对应的位来表示要监视的文件描述符。和信号里的sigset_t类型差不多

下面以readfds参数为例，它是输入输出型参数

输入时:用户告诉内核，我给你的一个或者多个fd，你要帮我关心fd上面的读事件，如果读事件就绪了，你要告诉我！

比特位的位置，表示文件描述符编号
比特位的内容，0或1，是否需要内核关心

假如用8个比特位来表示一张位图（只是为了演示，内核里不是这样的）

假如用户要关心文件描述符0,1,2,3上面的读事件，此时输入的位图是0000 1111

输出时:内核告诉用户，用户你让我关心的多个fd中，有哪些已经就绪了，用户你赶紧读取，又以同样的参数输出出来！

比特位的位置，表示文件描述符编号
比特位的内容，0或1，哪些用户关心的fd，上面的读事件已经就绪了！

假如此时2号文件描述符已经就绪，此时输出的位图是0000 0010

总的来说：

这个三个参数设置成输入输出型参数，是让用户<->内核传递fd是否就绪的信息的！、

系统提供了一组操作fd_set的接口, 来比较方便的操作位图

void FD_CLR(int fd, fd_set *set); // 用来清除描述词组set中相关fd 的位
int 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
void FD_SET(int fd, fd_set *set); // 用来设置描述词组set中相关fd的位
void FD_ZERO(fd_set *set); // 用来清除描述词组set的全部位

关于返回值

函数返回值：
执行成功则返回文件描述符就绪的个数
返回0代表已超过timeout时间，还是没有文件描述符就绪
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

socket就绪条件

读就绪

socket内核中, 接收缓冲区中的字节数, 大于等于低水位标记SO_RCVLOWAT. 此时可以无阻塞的读该文件描述符, 并且返回值大于0;
socket TCP通信中, 对端关闭连接, 此时对该socket读, 则返回0;
监听的socket上有新的连接请求;
socket上有未处理的错误;

写就绪

socket内核中, 发送缓冲区中的可用字节数(发送缓冲区的空闲位置大小), 大于等于低水位标记
SO_SNDLOWAT, 此时可以无阻塞的写, 并且返回值大于0;
socket的写操作被关闭(close或者shutdown). 对一个写操作被关闭的socket进行写操作, 会触发SIGPIPE信号;
socket使用非阻塞connect连接成功或失败之后;
socket上有未读取的错误;

异常就绪(选看)
socket上收到带外数据. 关于带外数据, 和TCP紧急模式相关(回忆TCP协议头中, 有一个紧急指针的字段),你们自己收集相关资料.

select使用示例

其他文件在这 select实例

SelectServer.hpp

#pragma once
#include <iostream>
#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
#include "Socket.hpp"
#include "log.hpp"using namespace std;
static const uint16_t defaultport = 8080;
static const int fd_num_max = (sizeof(fd_set) * 8); // 我这个云服务器select最多文件描述符是1024个
static const int defaultfd = -1;class SelectServer
{
public:SelectServer(const uint16_t port = defaultport) : _port(port){for (int i = 0; i < fd_num_max; i++){fd_array[i] = defaultfd;}}void Init(){_listensock.Socket();_listensock.Bind(_port);_listensock.Listen();}void Accepter(){uint16_t clientport;string clientip;int fd = _listensock.Accept(&clientport, &clientip);if (fd < 0)return;int i = 0;for (; i < fd_num_max; i++){if (fd_array[i] != defaultfd)continue;elsebreak;}if (i == fd_num_max) // 数组满了，select fd满了{log(Warning, "server is full, close %d now!", fd);close(fd);}else{fd_array[i] = fd;PrintFd();}}void Recver(int fd, int pos){char buffer[1024];ssize_t n = read(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1); // 有bug，因为应用层没有定制协议，不一定能读到完整的报文，我们这里不定制先if (n > 0){buffer[n] = 0;cout << "get a messge: " << buffer << endl;}else if (n == 0){log(Info, "client quit, me too, close fd is : %d", fd);close(fd);fd_array[pos] = defaultfd; // 这里本质是从select中移除}else{log(Warning, "recv error: fd is : %d", fd);close(fd);fd_array[pos] = defaultfd; // 这里本质是从select中移除}}void Dispatcher(fd_set &rfds){int listenfd = _listensock.GetFd();for (int i = 0; i < fd_num_max; i++){int fd = fd_array[i];if (fd == defaultfd)continue;if (FD_ISSET(fd, &rfds)){// 就绪的文件描述符if (fd == listenfd) // 如果是listen的fd，就接收连接，添加到数组中{Accepter();}else // 进行网络通信的fd了{Recver(fd, i);}}}}void Start(){int fd = _listensock.GetFd();fd_array[0] = fd;while (1){int maxfd = fd_array[0];fd_set rfds;FD_ZERO(&rfds);for (int i = 0; i < fd_num_max; i++) // 第一次循环，寻找最大文件描述符值，并把fd添加到位图中{if (fd_array[i] == -1)continue;if (fd_array[i] > maxfd){maxfd = fd_array[i];log(Info, "max fd update, max fd is: %d", maxfd);}// 把文件描述符添加进读事件的位图中FD_SET(fd_array[i], &rfds);}// accept?不能直接accept！检测并获取listensock上面的事件，新连接到来，等价于读事件就绪// 这里不能直接accept，因为可能还没有新的连接struct timeval timeout = {2, 0};// 输入输出，可能要进行周期的重复设置// 如果事件就绪，上层不处理，select会一直通知你！// select告诉你就绪了，接下来的一次读取，我们读取fd的时候，不会被阻塞int n = select(maxfd + 1, &rfds, nullptr, nullptr, &timeout);if (n < 0){cerr << "select error" << endl;}else if (n == 0){cout << "time out, timeout: " << timeout.tv_sec << "." << timeout.tv_usec << endl;}else{// 有事件就绪了cout << "get a new link!!!!!" << endl;Dispatcher(rfds); // 给就绪的fd分配任务}}}void PrintFd(){cout << "online fd list: ";for (int i = 0; i < fd_num_max; i++){if (fd_array[i] == defaultfd)continue;cout << fd_array[i] << " ";}cout << endl;}~SelectServer(){}private:Sock _listensock;uint16_t _port;int fd_array[fd_num_max]; // 数组, 用户维护的！
};

select的特点

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)＝1024，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1024.
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。

备注: fd_set的大小可以调整，可能涉及到重新编译内核. 感兴趣的可以自己去收集相关资料.