【Linux】从零开始使用多路转接IO --- select

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1 前言

上一篇文章我们讲解了五种IO模型的基本概念，并通过系统调用使用了非阻塞IO。
一般的服务器不会使用非阻塞IO，因为非阻塞IO非常耗费CPU资源，导致CPU发热效率下降！非阻塞IO只有在特定情况下才比较好用！

今天我们来学习多路转接select。

我们知道IO = 等 + 拷贝。拷贝的前提是底层有数据，没有数据的时候就需要进行等待。为了提高效率可以等待多个文件描述符。多路转接就是等待文件描述符上的新事件，等到就可以通知程序员事件已经就绪，可以进行拷贝！

这个事件可以是：

• 读事件就绪：OS底层有数据了
• 写事件就绪：OS底层有空间了

今天我们要学习的就是多路转接select

2 认识多路转接select

我们先来看其作用与定位：

• select的定位是：只在IO中只负责等待，不进行拷贝！ 并且select可以等待多个文件描述符，有新事件就进行通知。

来看select系统调用：

SELECT(2)                                                                 Linux Programmer's Manual                                                                 SELECT(2)NAMEselect, pselect, FD_CLR, FD_ISSET, FD_SET, FD_ZERO - synchronous I/O multiplexingSYNOPSIS#include <sys/select.h>int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);void FD_CLR(int fd, fd_set *set);int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set);void FD_SET(int fd, fd_set *set);void FD_ZERO(fd_set *set);int pselect(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,fd_set *exceptfds, const struct timespec *timeout,const sigset_t *sigmask);Feature Test Macro Requirements for glibc (see feature_test_macros(7)):pselect(): _POSIX_C_SOURCE >= 200112L

select函数中有5个参数，都是用来干什么的呢？

1. int nfds：输入性参数 ，表示等待的多个文件描述符最大值 加 1。比如等待1 2 5 6 99 这几个文件描述符，那么就要传入100。注意不是文件描述符的个数！
2. struct timeval *timeout：输入输出性参数 ，这是一个结构体表示微秒级别的时间戳，其中有两个参数分别表示秒和微秒。这个参数告诉select在这个时间戳内进行阻塞式select，超出时间就进行一次返回。如果时间以内等到了新事件，就返回，并把剩余时间返回。传入{0，0}就是非阻塞轮询了。传入nullptr表示一直阻塞等待事件。
   

那么现在我们知道了两个参数，我们探索一下返回值：

• 大于0：有几个就绪了
• 等于0：超时返回了
• 小于0：select出错了

那么其他三个参数呢？首先fd_set代表文件描述符集，是用位图进行维护的！位图下标表示文件描述符，该比特位的内容表示对应信息！一共1024比特位，可以表示1024个文件描述符，下面我们就来了解一下这三个参数：
这三个参数都是fd_set，是输入输出参数，分别对应读事件，写事件，异常事件。通过这三个位图的设置，我们就可以对一个文件描述符的操作指明清楚。今天我们以读事件为例进行讲解：

• 输入时：传入一个读事件文件描述符，就是告诉OS要帮我们关心fd_set集合中的所有fd的读事件。这里比特位的位置表示文件描述符的编号，比特位的内容表示是否关心fd的读事件!
• 输出时：OS会返回一个读事件文件描述符，表示你让我关心的文件描述符集中哪些已经就绪了！这里比特位的位置表示文件描述符的编号，比特位的内容表示事件是否发生！

OK，现在我们了解了select的基本参数，下面我们就开始使用select进行编程

3 多路转接select等待连接

我们首先把之前的套接字基础的类拷贝过来：

1. class Socket:实现套接字的创建工作，并进入监听模式。
2. class InetAddr:网络套接字基本信息类，用于进行网络套接字传参工作。
3. class Log:进行日志信息的打印，便于调试

然后我们就来设计Selectsever类：

• 成员变量需要端口号，TcpSocket套接字类
• 构造函数中进行端口号的初始化，并创建套接字，设置为监听模式
• 循环函数中不能直接进行accept获取连接，因为底层不一定有数据，直接进行会阻塞式等待。所以我们可以把accept看做IO函数，将等的任务交给select函数。
• select函数需要对监听套接字进行等待

#pragma once#include "Socket.hpp"
#include <sys/select.h>
#include "Log.hpp"using namespace socket_ns;
using namespace log_ns;class SelectServer
{
public:SelectServer(uint16_t port) : _port(port),_listensock(std::make_unique<TcpSocket>()){// 建立监听套接字_listensock->BuildListenSocket(_port);}~SelectServer(){};void Initserver(){}void Loop(){//进入服务while(true){//不能直接进行accept 因为底层不一定建立了连接,所以需要等待底层就绪//等待过程交给select//_listensock->Accepter();//创建fd_setfd_set rfds ;FD_ZERO(&rfds);//加入监听套接字文件描述符FD_SET( _listensock->GetSockfd() , &rfds);//创建timeoutstruct timeval timeout = {3 , 0};//进行selectint n = ::select(_listensock->GetSockfd() + 1 , &rfds ,  nullptr , nullptr , &timeout);switch (n){case 0://超时LOG(DEBUG , "timeout : %d.%d\n" , timeout.tv_sec , timeout.tv_usec);break;case -1://出错了LOG(ERROR, "select error\n");break;default://正常LOG(INFO, "have event ready: n = %d\n" , n);//执行任务HandlerEvent(rfds);break;}}}private:uint16_t _port;std::unique_ptr<Socket> _listensock;
};

我们运行程序来看等待效果：

可以正常的进行等待，当我们进行连接时：

select函数就能告诉我们有哪些文件描述符就绪，可以进行拷贝。这里可以得到一个现象：

• 如果事件就绪，但是不处理，select就会一直通知我们，直到我们处理这个事件。

当我们知道底层就绪时，我们就可以进行"拷贝"了：

void HandlerEvent(fd_set& rfds){//判断是否是套接字就绪if(FD_ISSET(_listensock->GetSockfd() , &rfds)){//连接事件就绪//那么这里我们可以进行accept吗？InetAddr addr;int sockfd = _listensock->Accepter(&addr);//已经就绪 ,不会阻塞//这时会得到一个新连接if(sockfd > 0){LOG(DEBUG ,"get a new link , client info %s:%d\n" , addr.Ip().c_str() ,addr.Port());//TODO}else{return ;}}}

但是有几个问题：

1. 在上面的handler函数中，我们已经获取到了连接，那么下面敢不敢直接进行读取呢？
   当然不能，因为建立连接并不代表会有请求传过来！所以还需要等待请求！
2. 那么怎么知道底层有没有就绪呢？
   还是通过select进行等待，想办法将新的fd添加给select，进行统一管理！
3. 那么这样select等待的fd不就越来越多，这要怎么进行维护呢？
   通过辅助数据结构进行维护！由于select接口的参数是输入输出性，无法保存文件描述符，所以必然需要额外的数据结构进行维护文件描述符！

4 完善代码

针对上面的三个问题，我们首先要做的就是想办法通过一个数据结构维护需要进行select的文件描述符。每次进入循环进行select时，就要通过这个数据结构初始化rfds！然后在通过对返回值的rfds与辅助数据结构中的文件描述符进行比对，对有新事件的文件描述符进行处理！

对于这个数据结构我们选择最简单的一维C风格数组即可！进行初始化时都设置为默认值-1

	const static int gnum = sizeof(fd_set) * 8;const static int gdefault = -1;//...void Initserver(){// 对数组进行初始化for (int i = 0; i < gnum; i++){fd_array[i] = gdefault;}// 加入监听套接字fd_array[0] = _listensock->GetSockfd();}//...// 辅助数组int fd_array[gnum];

通过这个数组，当我们进行循环时，每次就都需要通过这个数组进行初始化rfds。

 void Loop(){// 进入服务while (true){// 创建fd_setfd_set rfds;FD_ZERO(&rfds);int max_fd = 0;// 首先根据fd_array将合法fd加入到rfdsfor (int i = 0; i < gnum; i++){if (fd_array[i] == gdefault)continue;// 加入合法的文件描述符FD_SET(fd_array[i], &rfds);// 维护一个文件描述符最大值if (fd_array[i] > max_fd)max_fd = fd_array[i];}// 创建timeoutstruct timeval timeout = {30, 0};// 进行selectint n = ::select(max_fd + 1, &rfds, nullptr, nullptr, &timeout);switch (n){case 0:// 超时LOG(DEBUG, "timeout : %d.%d\n", timeout.tv_sec, timeout.tv_usec);break;case -1:// 出错了LOG(ERROR, "select error\n");break;default:// 正常LOG(INFO, "have event ready: n = %d\n", n);// 处理事件HandlerEvent(rfds);PrintDebug();break;}}}

接下来我们来看handlerevent函数，进行select之后，如果有事件就绪，程序就会进入handlerevent函数。那么我们要如何判断是哪一个文件操作符的事件就绪了呢？

• 直接遍历数组，进行FD_ISSET，通过对每一个合法fd进行判断，我们就能够知道是哪一个文件操作符有事件就绪！
• 如果是listenfd就绪，说明有新连接，需要进行accepter获取新连接的fd，将其存入到文件描述符数组中！
• 如果是普通fd就绪，我们进行读写操作即可，如果有连接退出了，要及时更新数组。

    void Accepter(){// 连接事件就绪InetAddr addr;int sockfd = _listensock->Accepter(&addr); // 已经就绪 ,不会阻塞// 这时会得到一个新连接if (sockfd > 0){LOG(DEBUG, "get a new link , client info %s:%d\n", addr.Ip().c_str(), addr.Port());// 将新获取的fd加入到数组中LOG(INFO, "get new fd :%d\n", sockfd);bool flag = false;for (int i = 0; i < gnum; i++){if (fd_array[i] == gdefault){flag = true;fd_array[i] = sockfd;break;}elsecontinue;}if (flag == false){LOG(WARNING, "fd_array have fill!\n");}}}void HandlerIO(int &fd){char buffer[1024];int n = ::recv(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0);if (n > 0){// 读取到了数据buffer[n] = 0;std::string echo_str = "[client say]#";echo_str += buffer;std::cout << echo_str << std::endl;// 返回一个报文std::string content = "<html><body><h1>hello bite</h1></body></html>";std::string ret_str = "HTTP/1.0 200 OK\r\n";ret_str += "Content-Type: text/html\r\n";ret_str += "Content-Length: " + std::to_string(content.size()) + "\r\n\r\n";ret_str += content;// echo_str += buffer;::send(fd, ret_str.c_str(), ret_str.size(), 0); // 临时方案}else if (n == 0){// 此时fd退出了LOG(INFO, "fd:%d quit!\n", fd);::close(fd);fd = gdefault;}else{LOG(ERROR, "recv error! errno:%d\n", errno);::close(fd);fd = gdefault;}}void HandlerEvent(fd_set &rfds){// 遍历fd_array判断是否有就绪的新事件for (int i = 0; i < gnum; i++){if (fd_array[i] == gdefault)continue;// 如果有新事件if (FD_ISSET(fd_array[i], &rfds)){// 进行判断是scokfd 还是普通fdif (fd_array[i] == _listensock->GetSockfd()){Accepter();}// 普通fd 进行正常读写else{HandlerIO(fd_array[i]);}}}}

这样就使用select完成了对连接的获取读取工作！来看效果：

可以看到，我们的数组中的有效fd随着客户端连接与中断会动态变化！

5 总结

根据上面的代码，我们可以总结出select的一些优缺点：

1. 每次调用 select，都需要手动设置 fd 集合， 从接口使用角度来说也非常不便.
2. 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。这个是多路转接IO无法避免的问题！
3. 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 很多时很大。
4. select 支持的文件描述符数量太小！虽然操作系统中文件描述符也有限制，但是这是操作系统的缺陷。同样select也是缺点

这里不断的要进行循环遍历数组，造成的性能开销是比较大的！所以就有了其他两种多路转接方案：poll与epoll