网络编程 — 浅析I/O多路转接select技术

超、凢脫俗 2022-06-11 09:08 143阅读 0赞

# **浅析I/O多路转接之select技术** #

说到select服务器首先提到I/O多路转接，我们就不得不提及I/O的5种工作模式，再然后我们就不得不再提及I/O是什 么了? I/O

是input/output的缩 写，即输入输出端口。每个设备都会有一个专用的I/O地址，用来处理自己的输入输出 信息.接下来我 们来

认识 一下I/O的5种工作模式. 再说这个之前我说一个小故事，从前有好几个人一起钓鱼，但是他们所使用的方法却大大的不同.

现在开始我们说明 每个人的 方法. A是一个老头，它 比较固执他就一直坐在湖边等鱼上钩，眼睛一动不动的盯着鱼钩，一旦有情

况他就立 马抬杆,然后鱼上 钩后，他就 恢 复到以前的状态.B是一个年轻的 大学生周末没事干也来钓鱼，但是他是边玩手机变钓鱼

，也就是玩一会手机来 瞧一瞧这个鱼饵有 没有 变化，如果有变化就立马抬杆.C是一个老板， 他的鱼竿具有提示功能， 然后他

就 在干自己的事情，等有 情况他就立马过来把鱼 钓上来，D是一个土豪，然后他就一次性放了好多个具有提示功 能的鱼竿，

然后守 在鱼竿跟前 ，一旦有 那个鱼竿出现情况就收拾那个 鱼竿.这时候E出现，E是 一个领导，他让别人帮 他钓鱼，钓到了给它

打电话. 以 上这5个人，其实分别代表这I/O的5中工作模式，分别是

**阻塞式I/O模型，非阻塞式I/O模型，信号驱动I/O模型，I/O复用模型，以及异步I/O模型.**

**1.阻塞I/O模型**

**应用程序调用一个IO函数，导致应用程序阻塞，等待数据准备好.**  **如果数据没有准备好，一直等待.**  **数据准备好了，从内核拷贝**

**到用户空间.** **IO函数返回成功指示**

**2.非阻塞I/O模型**

**我们把一个套接口设置为非阻塞就是告诉内核，当所请求的I/O操作无法完成时，不要将进程睡眠，而是返回一个错**

**误.这样我** **们的I/O** **操作函数将不断地测试数据是否已经准备好，如果没有准备好，进行测试，直到数据准备好为止.在**

**这个不断测试的过** **程中，会大量的** **占用CPU的时间**

**3.I/O复用模型**

**I/O复用模型会用到select或者poll函数，这两个函数也会使进程阻塞，但是和阻塞I/O所不同的，这两个函数可以同**

**时阻塞多** **个I/O操** **作，而且可以同时对多个读操作，多个写操作的I/O函数进行检测，直到有数据可读或可写是，才真**

**正调用I/O操作函** **数.**

**4.信号驱动I/O模型**

**首先我们允许套接字进行信号驱动I/O，并安装一个信号处理函数，进程继续进行并不阻塞.当数据准备好时，进程会**

**受到一个SIGIO信** **号，可以在信号处理函数中调用I/O**

**5.异步I/O模型**

**调用aio\_read函数，告诉内核描述字，缓冲区指针，缓冲区大小，文件偏移以及通知的方式，然后立即返回。当内核**

**讲数据拷贝到缓冲区** **后，再通知应用程序**

今天我们的主角很明显就是I/O复用模型当中异步I/O中的select函数，以及如何使用它来构造select服务器，现在正是开始，

我 们来了解 select， 系统提供select函数来实现多路复用输入\\输出模型.socket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，知道被监视的文件句柄有一个或多个发生了状态改变.

**select函数**

***函数原型:***

![20170803195641164][]

参数nfds是需要监视的最大文件描述符值+1;

rdset,wrset,exset分别是对应于需要检测的可读文件描述符集合，可写文件描述符的集合及异常文件描述符集合. 剩下的

timeout就是我们的用来描 述一段时间，如果需要监视的描述符没有事件发生在这段时间里面，则返回返回 值为0.

如果参数timeout设置为NULL，则select一直被阻塞.给定特定时间值:如果在该时间没没有事件发生那么就返回0.

FD\_CLR(int 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中的相关fd位

FD\_ZERO(fd\_set \*set); 用来清除描述词组set的全部位

**函数返回值:**

**执行成功则返回文件描述词状态以改变的个数.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** **.如果有** **错**

**误时** **返回-1.** **注意这里有一个重点！ 当select函数返回的时候，它会将读，写，异常fd\_set当中有我们关心事件但是没有**

**发生事件的文件描述符置0** **，所以每一次select返回后，我们需要重新置我们需要关心事件的fd\_set. 当然!我们最重要的是**

**看看服务器是如何使用的，以及它的优缺点.**

**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** **文件描** **述**

**符** **fd。则1字节长的fd\_set最⼤大可以对应8个fd。实际上就是位图**

**（1）执⾏行fd\_set set; FD\_ZERO(&set);则set⽤用位表⽰示是0000,0000。**

**（2）若fd＝5,执⾏行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。**

**使用select编写网络服务器**

**现在呢我们来尝试编写一个select服务器，今天我们来编写一个简易版的就是所有人讲的话都可以在select上面大家都看**

**到** **，也就是** **类似于弹幕墙** **一样的东西. 首先我们肯定需要一个监听套接字这时候我使用一个stratup()函数来封装.接下来**

**创建** **一个存放文件描述符** **数组，首先肯定是把它第一位设为为监听套接字，剩下的都为-1. 调用select函数，如果它的返**

**回值大** **于0，开始给对应的文件描述符** **上面设定位，因为我这里只需要读所以全都是&rfds，首先进入进入监听套接字，把**

**监听套** **接** **字监听到的文件描述符，交给一个连接套** **接字来处理，这里每个客户端都会有一个连接套接字，当客户端关闭时，**

**连接套接** **字也会关闭. 然后把这个连接套接字也放入文件描述符** **队列，这样下一次如果它的对应位就绪，那么就会读取到**

**客户端的内容.**

**这里肯定不会让监听套接字去维护一个客户端，** **一个服务器通常仅仅创建一个监听套接字，它在该服务器的生命周期内一**

**直** **存在。所以数据** **都是从每个客户端的连接套接字里面读到的，包括以后的写都是由newsock服务的.**

**服务器server.c**

/*************************************************************************
    	> File Name: server.c
    	> Author: ma6174
    	> Mail: ma6174@163.com 
    	> Created Time: Wed 26 Jul 2017 09:26:09 PM PDT
     ************************************************************************/
    
    #include<stdio.h>
    #include<sys/select.h>
    #include<sys/time.h>
    #include<sys/types.h>
    #include<unistd.h>
    #include<sys/socket.h>
    #include<string.h>
    #include<stdlib.h>
    #include<arpa/inet.h>
    
    
    
    static void usage(const char* proc)
    {
    	printf("Usage : %s [local_ip] [local_port]\n",proc);
    }
    
    
    int fds[sizeof(fd_set)*8];
    
    int startup(char* ip,int port)
    {
    	int sock = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    	if(sock < 0){
    		error("socket");
    		exit(2);
    	}
    
    	struct sockaddr_in local;
    	local.sin_family = AF_INET;
    	local.sin_port = htons(port);
    	local.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip);
    
    	if(bind(sock, (struct sockaddr*)&local , sizeof(local))<0)
    	{
    		perror("BInd");
    		exit(3);
    	}
    	if(listen(sock ,10)< 0)
    	{
    		perror("lisen");
    		exit(4);
    	}
    	return sock;
    }
    
    int main(int argc,char* argv[])
    {
    	if(argc != 3)
    	{
    		usage(argv[0]);
    		return 1;
    	}
    
    	int listen_sock = startup(argv[1],atoi(argv[2]));
    	fd_set rfds;
    	int nums = sizeof(fds)/sizeof(fds[0]);
    	int i =1;
    	for(; i<nums; i++){
    		fds[i] = -1;
    	}
    
    	while(1)
    	{
    
    		FD_ZERO(&rfds);
    		int max = -1;
    		//struct timevlal timeout = {5.0};
    		fds[0] = listen_sock;
    		for(i = 0;i < nums;i++){
    			if(fds[i] > -1){
    				FD_SET(fds[i],&rfds);
    				if(max < fds[i])
    				{
    					max = fds[i];
    				}
    			}
    		}
    		switch(select(max+1,&rfds,NULL,NULL,0))
    		{
    			case 0:
    				printf( "chao  shi le");
    				break;
    			case -1:
    				printf("select");
    				break;
    
    			default:
     				i = 0;
    				for(; i < nums ; i++)
    				{
     	 		  		if(fds[i] == -1){
    						continue;
    					}
    					if(i == 0 && FD_ISSET(fds[i],&rfds))
    					{
     			 			struct sockaddr_in client;
    						socklen_t len = sizeof(client);
    	
    						int new_sock = accept(fds[i],(struct sockaddr*)&client,&len);
    						if(new_sock < 0)
    						{ 
     				  			perror("accept") ;
    				 			continue;
    						}
    			
    						printf("get a client[%s:%d]\n",inet_ntoa(client.sin_addr),ntohs(client.sin_port));
    						int j = 1;
    						for(;j< nums;j++){
     						 	if(fds[j] == -1){ 
    								break;
    				 			}
    						}
    						if(j == nums){
    							close(new_sock);
    						}else{
    							fds[j] = new_sock;
    				 		}
    					}
    					else if(i != 0&& FD_ISSET(fds[i],&rfds))
    					{
     				 		char buf[1024];
    						ssize_t s = read(fds[i],buf,sizeof(buf));
    				
    						if(s > 0)
    						{
    							printf("client# %s\n",buf);
    						}else if(s == 0)
    						{
     				  			printf("client is quit!!!!!\n");
    					
    							close(fds[i]);
    							fds[i] = -1;
    				
    						}
    						else{
     				 		perror("read");
    						close(fds[i]);
    						fds[i] = -1;
    						
    						}
    				    }else{	
    				 		}
    				}
    				break; 
    		}
    	}
    	return 0;
    }

**客户端client代码:**

/*************************************************************************
    	> File Name: client.c
    	> Author: ma6174
    	> Mail: ma6174@163.com 
    	> Created Time: Thu 27 Jul 2017 01:20:36 AM PDT
     ************************************************************************/
    
    #include<stdio.h>
    #include<sys/types.h>
    #include<sys/socket.h>
    #include<string.h>
    #include<unistd.h>
    #include<stdlib.h>
    #include<arpa/inet.h>
    #include<netinet/in.h>
    
    void use(char* a)
    {
    	printf("#%s [port_server]\n",a);
    }
    
    int main(int argc,char* argv[])
    {
    	printf("main start\n");
    	if(argc < 3)
    	{
    		use(argv[0]);
    		return 3;
    	}
    	printf("use is ok\n");
    	int sock = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    	if(sock < 0){
    		perror("socket");
    		return 1;
    	}
    	printf("create socket is ok\n");
    	struct sockaddr_in server;
    	server.sin_family = AF_INET;
    	server.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
    	server.sin_addr.s_addr = inet_addr((argv[1]));
    	int conn = connect(sock,(struct sockaddr*)&server , sizeof(server));
    	if(conn < 0){
    		perror("connect");
    		close(sock);
    		return 2;
    	}
    	while(1)
    	{
    		printf("please enter#");
    		fflush(stdout);
    		char buf[1024];
    		fgets(buf,sizeof(buf),stdin);
    		buf[strlen(buf) - 1] = '\0';
    		write(sock,buf,sizeof(buf));
    		char* str = "quit";
    		if(strcmp(buf,str) == 0)
    		{
    			break;
    		}
    	}
    	close(sock);
    	printf("client goodbye!\n");
    	return 0;
    }

注意这里我这是想让客户端在服务器当中输出消息，所以一直写就够了.

**最后我们看看运行结果:**

**![20170803213201703][]**

我们看到三个客户端发送的内容都通过局域网出现在服务器当中，所以我们最初级的select服务器宣布成功.现在还是有好多个

小 bug，需要我们不断地改进，现在我们的任务是了解这个函数，会使用它就好了.

**总结:**

**优点:**

**1.select资源占用比较少,**

**2 用户量较多的时候它的性能和效率比较好.**

**缺点:**

**1.它总共监视的文件描述符是有限制的. 最多1024**

**2.因为参数为输入输出性，在操作时 得一直进行遍历,查找使用.**