初识select
- 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;
select函数原型
select的函数原型如下: #include <sys/select.h>
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
参数解释:
- 参数nfds是需要监视的最大的文件描述符值+1;
- rdset,wrset,exset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;
- 参数timeout为结构timeval,用来设置select()的等待时间
参数timeout取值:
- 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。
fd_set结构
- 这个结构就是一个整数数组, 严格的说, 是一个 “位图”. 使用位图中对应的位来表示要监视的文件描述符.
- 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
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。
函数返回值:
- 执行成功则返回文件描述词状态已改变的个数
- 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
理解select执行过程:
- 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可以对应一个文件描述符fd。则1字节长的fd_set最大可以对应8个fd.
(1)执行fd_set set; FD_ZERO(&set);则set用位表示是0000,0000。
(2)若fd=5,执行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。
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
- socket上收到带外数据. 关于带外数据, 和TCP紧急模式相关(TCP协议头中, 有一个紧急指针的字段)
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)=512,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512*8=4096.
- 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。
select缺点
- 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.
- 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
- 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很多时也很大
- select支持的文件描述符数量太小.
实现select版本的TCP服务器
完整代码请前往我的GitHub仓库—>>点我哦
tcp_select_server.hpp
#pragma once
#include"tcp_socket.hpp"
#include<signal.h>
#include<sys/select.h>
#include<sys/time.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<vector>
class Select{
public:
Select()
:max_nfds_(-1)
{
FD_ZERO(&readfds);
}
bool Add(const TcpSocket& sock){
FD_SET(sock.GetFd(),&readfds);
if(sock.GetFd()>max_nfds_)
max_nfds_=sock.GetFd();
return true;
}
bool Del(const TcpSocket& sock){
FD_CLR(sock.GetFd(),&readfds);
for(int i=max_nfds_;i>=0;--i){
if(FD_ISSET(i,&readfds)){
max_nfds_=i;
break;
}
}
return true;
}
bool Wait(vector<TcpSocket>& list){
fd_set set=readfds;
int n=select(max_nfds_+1,&set,NULL,NULL,NULL);
if(n<0){
perror("select");
return false;
}
else if(n==0){
cout<<"select wait timeout!"<<endl;
return false;
}
else{
for(int i=0;i<=max_nfds_;++i){
if(FD_ISSET(i,&set)){
TcpSocket sock(i);
list.push_back(sock);
}
}
return true;
}
}
private:
int max_nfds_;
fd_set readfds;
};
typedef void (*Handler)(const string& buf,string& ret);
class TcpSelectServer{
public:
TcpSelectServer()
{}
~TcpSelectServer(){
_sock.Close();
}
bool Start(const string& ip,const uint16_t port,Handler handler){
if(_sock.Socket()==false)
return false;
if(_sock.Bind(ip,port)==false)
return false;
if(_sock.Listen()==false)
return false;
Select select;
select.Add(_sock);
while(1){
vector<TcpSocket> list;
if(select.Wait(list)==false)
continue;
int size=list.size();
for(int i=0;i<size;++i){
if(list[i].GetFd()==_sock.GetFd()){
TcpSocket NewSock;
string ClientIp;
uint16_t ClientPort;
if(_sock.Accept(&NewSock,ClientIp,ClientPort)==false)
continue;
printf("[%s:%d]客户端已连接!~\n",ClientIp.c_str(),ClientPort);
select.Add(NewSock);
}
else{
string msg;
int n=list[i].Recv(msg);
if(n==0){
select.Del(list[i]);
list[i].Close();
continue;
}else{
cout<<"客户端发送:"<<msg<<endl;
string ret;
handler(msg,ret);
list[i].Send(ret);
}
}
}
}
return true;
}
private:
TcpSocket _sock;
};