Linux I/O复用之select函数详解

柔光的暖阳◎ 2022-07-12 05:12 193阅读 0赞

## select函数的功能和调用顺序 ##

使用select函数时统一监视多个文件描述符的：  
1、 是否存在套接字接收数据？  
2、 无需阻塞传输数据的套接字有哪些?  
3、 哪些套接字发生了异常？

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select函数调用过程：  
![这里写图片描述][SouthEast]  
由上图知，调用select函数需要一些准备工作，调用后还需要查看结果。

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## 设置文件描述符 ##

select可以同时监视多个文件描述符（套接字）。  
此时需要先将文件描述符集中到一起。集中时也要按照监视项（接收，传输，异常）进行区分，即按照上述3种监视项分成三类。  
使用fd\_set数组变量执行此项操作，该数组是存有0和1的位数组。

![这里写图片描述][SouthEast 1]

最左端的位表示文件描述符0（位置）。如果该位值为1，则表示该文件描述符是监视对象。  
图上显然监视对象为fd1和fd3。

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“是否应当通过文件描述符的数字直接将值注册到fd\_set变量？”  
当然不是！操作fd\_set的值由如下宏来完成：

`FD_ZERO(fd_set* fdset)`： 将fd\_set变量的所有位初始化为0。  
`FD_SET（int fd, fd_set* fdset）:`在参数fdset指向的变量中注册文件描述符fd的信息。  
`FD_CLR(int fd, fd_set* fdset)：`参数fdset指向的变量中清除文件描述符fd的信息。  
`FD_ISSET(int fd, fd_set* fdset):` 若参数fdset指向的变量中包含文件描述符fd的信息，则返回真。

画图解释：  
![这里写图片描述][SouthEast 2]

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## 设置监视范围及超时 ##

select函数：

#include <sys/select.h>
    #include <sys/time.h>
    
    int select(int maxfd, 
              fd_set* readset, 
              fd_set* writeset, 
              fd_set* exceptset, 
              const struct timeval* timeout);

其中参数和返回值：  
**maxfd**：监视对象文件描述符数量。  
**readset**: 将所有关注“是否存在待读取数据”的文件描述符注册到fd\_set变量，并传递其地址值。  
**writeset**: 将所有关注“是否可传输无阻塞数据”的文件描述符注册到fd\_set变量，并传递其地址值。  
**exceptset**: 将所有关注“是否发生异常”的文件描述符注册到fd\_set变量，并传递其地址值。  
**timeout**: 调用select后，为防止陷入无限阻塞状态，传递超时信息。  
**返回值**：错误返回-1，超时返回0。因关注的事件返回时，返回大于0的值，该值是发生事件的文件描述符数。

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select函数用来验证3种监视项的变化情况。根据监视项声明3个fd\_set变量，分别向其注册文件描述符信息，并把变量的地址传递到函数的第二到第四个参数。但是，在调用select函数前需要决定2件事：  
“文件描述符的监视范围是？”  
“如何设定select函数的超时时间？”

第一，文件描述符的监视范围与第一个参数有关，实际上,select函数要求通过第一个参数传递监视对象文件描述符的数量。因此，需要得到注册在fd\_set变量中的文件描述符数。但每次新建文件描述符时，其值都会增1，故只需将最大的文件描述符值加1再传递到select函数即可。（**加1是因为文件描述符的值从0开始**）  
第二，超时时间与 最后一个参数有关，其中timeval结构体如下：

struct timeval
    {
        long tv_sec;
        long tv_usec;
    };

本来select函数只有在监视文件描述符发生变化时才返回，未发生变化会进入阻塞状态。指定超时时间就是为了防止这种情况发生。  
将上述结构体填入时间值，然后将结构体地址值传给select函数的最后一个参数，此时，即使文件描述符中未发生变化，只要过了指定时间，也可以从函数返回。不过这种情况下，select函数返回0。  
**不想设置超时最后一个参数只需要传递NULL。**

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## 调用select函数后查看结果 ##

如果select返回值大于0，说明文件描述符发生了变化。

关于文件描述符变化：
        文件描述符变化是指监视的文件描述符中发生了相应的监视事件。
        例如通过select的第二个参数传递的集合中存在需要读取数据的描述符时，就意味着文件描述符发生变化。

怎样获知哪些文件描述符发生了变化？向select函数的第二到第四个参数传递的fd\_set变量中将产生变化，如下图：

![这里写图片描述][SouthEast 3]

select函数调用完成后，向其传递的fd\_set变量中将发生变化。原来为1的所有位均变为0，但发生变化的文件描述符对应位除外。因此，可以认为**值为1的位置上的文件描述符发生了变化**。

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## select函数调用实例 ##

#include <stdio.h>
    #include <unistd.h>
    #include <sys/time.h>
    #include <sys/select.h>
    
    #define BUF_SIZE 30
    
    int main(int argc, char* argv[])
    {
        fd_set reads, temps;
        int result, str_len;
        char buf[BUF_SIZE];
        struct timeval timeout;
        FD_ZERO(&reads);
        FD_SET(0, &reads);//监视文件描述符0的变化, 即标准输入的变化
        /*
        超时不能在此设置！
        因为调用select后，结构体timeval的成员tv_sec和tv_usec的值将被替换为超时前剩余时间.
        调用select函数前，每次都需要初始化timeval结构体变量.
        timeout.tv_sec = 5;
        timeout.tv_usec = 5000;
        */
        while(1)
        {
            /*将准备好的fd_set变量reads的内容复制到temps变量，因为调用select函数后，除了发生变化的fd对应位外，剩下的所有位
            都将初始化为0，为了记住初始值，必须经过这种复制过程。
            */
            temps = reads;
            //设置超时
            timeout.tv_sec = 5;
            timeout.tv_usec = 0;
    
            //调用select函数. 若有控制台输入数据，则返回大于0的整数，如果没有输入数据而引发超时，返回0.
            result = select(1, &temps, 0, 0, &timeout);
            if(result == -1)
            {
                perror("select() error");
                break;
            }
            else if(result == 0)
            {
                puts("timeout");
            }
            else
            {
                //读取数据并输出
                if(FD_ISSET(0, &temps))
                {
                    str_len = read(0, buf, BUF_SIZE);
                    buf[str_len] = 0;
                    printf("message from console: %s", buf);
                }
            }
        }
    
        return 0;
    }
    
    程序运行结果：
    /*
    nihao
    message from console: nihao
    goodbye
    message from console: goodbye
    timeout
    timeout
    */

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## select函数实现I/O复用服务端 ##

服务端代码：

//server.c
    #include <stdio.h>
    #include <string.h>
    #include <unistd.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <arpa/inet.h>
    #include <sys/time.h>
    #include <sys/socket.h>
    #include <sys/select.h>
    
    #define BUF_SIZE 100
    
    void error_handing(char* buf);
    
    int main(int argc, char* argv[])
    {
        int serv_sock, clnt_sock;
        struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;
        struct timeval timeout;
        fd_set reads, cpy_reads;
    
        socklen_t adr_sz;
    
        int fd_max, str_len, fd_num, i;
        char buf[BUF_SIZE];
        if(argc != 2)
        {
            printf("Usage: %s <port> \n", argv[0]);
            exit(1);
        }
    
        serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
        memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
        serv_adr.sin_family = AF_INET;
        serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
        serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));
    
        if(bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1)
            error_handing("bind() error");
        if(listen(serv_sock, 5) == -1)
            error_handing("listen() error");
    
        FD_ZERO(&reads);
        FD_SET(serv_sock, &reads); //将服务端套接字注册入fd_set,即添加了服务器端套接字为监视对象
        fd_max = serv_sock;
    
        while(1)
        {
            cpy_reads = reads;
            timeout.tv_sec = 5;
            timeout.tv_usec = 5000;
    
            //无限循环调用select 监视可读事件
            if((fd_num = select(fd_max+1, &cpy_reads, 0, 0, &timeout)) == -1)
            {
                perror("select error");break;
            }
            if(fd_num == 0)
                continue;
    
            for(i = 0; i < fd_max + 1; i++)
            {
                if(FD_ISSET(i, &cpy_reads))
                {
                    /*发生状态变化时,首先验证服务器端套接字中是否有变化.
                    ①若是服务端套接字变化，接受连接请求。
                    ②若是新客户端连接，注册与客户端连接的套接字文件描述符.
                    */
                    if(i == serv_sock)
                    {
                        adr_sz = sizeof(clnt_adr);
                        clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr*)&clnt_adr, &adr_sz);
                        FD_SET(clnt_sock, &reads);
                        if(fd_max < clnt_sock)
                            fd_max = clnt_sock;
                        printf("connected client: %d \n", clnt_sock);
                    }
                    else    
                    {
                        str_len = read(i, buf, BUF_SIZE);
                        if(str_len == 0)    //读取数据完毕关闭套接字
                        {
                            FD_CLR(i, &reads);//从reads中删除相关信息
                            close(i);
                            printf("closed client: %d \n", i);
                        }
                        else
                        {
                            write(i, buf, str_len);//执行回声服务  即echo
                        }
                    }
                }
            }
        }
        close(serv_sock);
        return 0;
    }
    
    void error_handing(char* buf)
    {
        fputs(buf, stderr);
        fputc('\n', stderr);
        exit(1);
    }

--------------------

客户端代码：

//client.c
    #include <stdlib.h>
    #include <stdio.h>
    #include <unistd.h>
    #include <arpa/inet.h>
    #include <sys/socket.h>
    #include <string.h>
    #define BUF_SIZE 1024
    
    void error_handling(char* message);
    
    int main(int argc, char* argv[])
    {
        int sock;
        char message[BUF_SIZE];
        int str_len;
        struct sockaddr_in serv_adr;
        if(argc != 3)
        {
            printf("Usage: %s <IP> <port> \n", argv[0]);
            exit(1);
        }
    
        sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
        if(sock==-1)
            error_handling("socket error");
    
        memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
        serv_adr.sin_family = AF_INET;
        serv_adr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
        serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
    
        if(connect(sock, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr))==-1)
            error_handling("connect() error!");
        else
            puts("connected....");
    
        while(1)
        {
            fputs("Input message:(输入Q退出):", stdout);
            fgets(message, BUF_SIZE, stdin);
            if(!strcmp(message, "q\n") || !strcmp(message, "Q\n"))
                break;
    
            write(sock, message, strlen(message));
            str_len = read(sock, message, BUF_SIZE-1);
            message[str_len] = 0;
            printf("Message from server: %s", message);
        }
    
        close(sock);
        return 0;
    }
    
    void error_handling(char* message)
    {
        fputs(message, stderr);
        fputc('\n', stderr);
        exit(1);
    }

--------------------

编译执行测试：

编译程序：
    gcc server.c –o server
    gcc client.c –o client
    
    启动服务端：
    yu@ubuntu:~/qtProjects/echo_selectserv$ ./server 8899
    
    启动客户端1：
    yu@ubuntu:~/qtProjects/echo_selectserv$ ./client 127.0.0.1 8899
    connected....
    Input message:(输入Q退出):你好哇2017年2月12日20:25:43
    Message from server: 你好哇2017年2月12日20:25:43
    Input message:(输入Q退出):你好哇2017-02-12 20:25:52
    Message from server: 你好哇2017-02-12 20:25:52
    Input message:(输入Q退出):q
    
    启动客户端2：
    yu@ubuntu:~/qtProjects/echo_selectserv$ ./client 127.0.0.1 8899
    connected....
    Input message:(输入Q退出):你好2017年2月12日20:25:11
    Message from server: 你好2017年2月12日20:25:11
    Input message:(输入Q退出):你好2017年2月12日20:25:24
    Message from server: 你好2017年2月12日20:25:24
    Input message:(输入Q退出):q
    
    
    
    服务端情况：
    yu@ubuntu:~/qtProjects/echo_selectserv$ ./server 8899
    connected client: 4 
    connected client: 5 
    closed client: 5 
    closed client: 4

学习自《TCP/IP网络编程》

[SouthEast]: /images/20220711/7d2b365c0e2841b6972a3b27f194afda.png
[SouthEast 1]: /images/20220711/fbfb638aa37c4cd096074be96bbdf950.png
[SouthEast 2]: /images/20220711/e797d1403e03421e92905be0f7caf7b7.png
[SouthEast 3]: /images/20220711/366fe3a9a27f4c9faa310c9941b3ecd2.png