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文件描述符簡介
在進程中，每打開一個文件，操作系統就會創建相應的數據結構來描述這個文件，這就是描述文件的文件結構體，同時，在進程的PCB中，會有一個struct files_struct *files的指針，它實際上是指向一個指針數組，而這個指針數組中就存放了每個打開的文件的指針，而所謂的文件描述符，就是這個指針數組的下標，根據文件描述符就能找到對應的文件的指針，就能對該文件進行操作了。在文件描述符進行分配時，會找到當前沒有被使用的最小的下標，作爲新的文件描述符。其中，0,1,2分別對應標準輸出文件描述符，標準輸出文件描述符和標準錯誤文件描述符。因此當打開其他文件時，分配的文件描述符實際上是從3開始的。
select模型理解
在前面提到的多進程和多線程來實現服務端與客戶端通信中，不管是多進程還是多線程，一般來說，每一個連接成功的文件描述符（socket）都需要一個進程/線程來進行監控，然後就需要不斷的對每個進程/線程中的文件描述符進行輪詢，例如accept、read等函數，如果沒有連接請求、緩衝區中沒有數據，它們就會一直阻塞住。這樣一來一回就在反覆切換進程/線程，系統的開銷是非常大的。這兩種併發模型都需要進程或者線程自己去等待。
還有一種就是I/O多路複用模型，select就是其中一種。之前多進程多線程是讓進程和線程去阻塞等待，而現在則是直接讓內核去等待，只需要主進程去直接詢問內核哪些描述符準備好了即可。select模型的關鍵就是事先將感興趣的文件描述符放到一個集合中，當用戶進程調用了select，那麼整個進程會被阻塞，而同時，內核就會“監視”所有select感興趣的文件描述符，當任何一個文件描述符中的數據準備好了，select就會返回。這個時候用戶進程再調用read操作，將數據從內核拷貝到用戶進程。
select缺點
1、內核中對select模型可監視的fd數量限制爲1024，如果要修改這個數字就必須對內核重新編譯；
2、 對socket進行掃描時是線性掃描，即採用輪詢的方法，效率較低：當套接字比較多的時候，每次select()都要通過遍歷FD_SETSIZE個Socket來完成調度,不管哪個Socket是活躍的,都遍歷一遍。這會浪費很多CPU時間。如果能給套接字註冊某個回調函數，當他們活躍時，自動完成相關操作，那就避免了輪詢，這正是epoll與kqueue做的。
3、需要維護一個用來存放大量fd的數據結構，這樣會使得用戶空間和內核空間在傳遞該結構時複製開銷大。
select函數
函數原型
int select(int maxfdp, fd_set *readset, fd_set *writeset, fd_set *exceptset,struct timeval *timeout);
參數說明
maxfdp：被監聽的文件描述符的最大值大1，因爲文件描述符是從0開始計數的；
readfds、writefds、exceptset：分別指向可讀、可寫和異常等事件對應的描述符集合。
timeout:用於設置select函數的超時時間，即告訴內核select等待多長時間之後就放棄等待。timeout == NULL 表示等待無限長的時間
timeval結構體定義如下：
struct timeval
{
long tv_sec; /*秒 */
long tv_usec; /*微秒 */
};
返回值：超時返回0;失敗返回-1；成功返回大於0的整數，這個整數表示就緒描述符的數目。
fd_set 相關
int FD_ZERO(int fd, fd_set *fdset); //一個 fd_set類型變量的所有位都設爲 0 （可理解爲清空集合中的所有感興趣描述符）
int FD_CLR(int fd, fd_set *fdset); //清除某個位時可以使用 （可理解爲清空集合中的某一個描述符）
int FD_SET(int fd, fd_set *fd_set); //設置變量的某個位置位 （可理解爲向集合中添加一個描述符）
int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset); //測試某個位是否被置位 （可理解爲判斷一個描述符是否在集合中）
程序流程
1.綁定、監聽.....
2.創建集合，由於調用select函數時，傳入的集合參數在函數返回後可能會改變，因此創建一個集合來保存所有感興趣的描述符allset，再創建一個集合rset用來作爲select的調用參數；再創建一個數組client用來存放所有有效的描述符，並初始化各項爲-1；
3.將監聽描述符lfd加入allset，此時最大描述符maxfd = lfd；
4.創建while循環，將allset賦值給rset，將rset作爲讀集合參數，調用select函數開始阻塞等待；
5.select函數返回後，先判斷監聽描述符lfd是否還存在於rset中，判斷方式爲if(FD_SET(lfd,&rset))。
6.如果判斷爲真，說明有新連接，則調用accept函數新連接的文件描述符並存在變量connfd中，然後再將connfd加入allset中和client數組中；
7.然後處理除監聽描述符以外的描述符。遍歷client數組，查看有效描述符是否發生了讀事件，判斷方式爲if(FD_SET(client[i],&rset))；如果判斷爲真，說明有數據傳來，就進行read和write操作；
8.繼續下一次循環....
程序實例
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
using namespace std;
#define SERV_IP "127.1.2.3"
#define SERV_PORT 8888
#define MAX_CONN 1024
int main()
{
sockaddr_in servaddr,clitaddr;
sockaddr_in clit_info[MAX_CONN]; //存放成功連接的客戶端地址信息
int client[1024]; //存放成功連接的文件描述符
char buf[1024]; //讀寫緩衝區
int lfd; //用於監聽
int connfd; //連接描述符
int readyfd; //保存select返回值
int maxfd = 0; //保存最大文件描述符
int maxi = 0; //maxi反映了client中最後一個成功連接的文件描述符的索引
socklen_t addr_len = sizeof(clitaddr);;
fd_set allset; //存放所有可以被監控的文件描述符
fd_set rset;
FD_ZERO(&allset);
FD_ZERO(&rset);
if((lfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0)) == -1)
{
cout<<"creat socket fault : "<<strerror(errno)<<endl;
return 0;
}
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERV_IP);
if(bind(lfd,(sockaddr *)&servaddr,sizeof(servaddr)) == -1)
{
cout<<"bind fault : "<<strerror(errno)<<endl;
return 0;
}
if(listen(lfd,128) == -1)
{
cout<<"listen fault : "<<strerror(errno)<<endl;
return 0;
}
maxfd = lfd; //此時只用監控lfd，因此lfd就是最大文件描述符
//初始化client數組
for(int i=0;i<MAX_CONN;i++)client[i] = -1;
FD_SET(lfd,&allset);
cout<<"Init Success ! "<<endl;
cout<<"host ip : "<<inet_ntoa(servaddr.sin_addr)<<" port : "<<ntohs(servaddr.sin_port)<<endl;
cout<<"Waiting for connections ... "<<endl;
while(1)
{
rset = allset ; //rset作爲select參數時，表示需要監控的所有文件描述符集合，select返回時，rset中存放的是成功監控的文件描述符。因此在select前後rset是可能改變的，所以在調用select前將rset置爲所有需要被監控的文件描述符的集合，也就是allset
readyfd = select(maxfd+1,&rset,NULL,NULL,NULL); //服務端只考慮讀的情況
//執行到這裏，說明select返回，返回值保存在readyfd中，表示有多少個文件描述符被監控成功
if(readyfd == -1)
{
cout<<"select fault : "<<strerror(errno)<<endl;
return 0;
}
if(FD_ISSET(lfd,&rset)) //監聽描述符監控成功，說明有連接請求
{
int i=0;
connfd = accept(lfd,(sockaddr *)&clitaddr,&addr_len); //處理新連接，此時accept直接可以返回而不用一直阻塞
if(connfd == -1)
{
cout<<"accept fault : "<<strerror(errno)<<endl;
continue ;
}
cout<<inet_ntoa(clitaddr.sin_addr)<<":"<<ntohs(clitaddr.sin_port)<<" connected ... "<<endl;
//成功連接後，就將connfd加入監控描述符表中
FD_SET(connfd,&allset);
for(;i<MAX_CONN;i++)
{
if(client[i] == -1)
{
client[i] = connfd;
clit_info[i] = clitaddr;
break;
}
}
if(connfd>maxfd)maxfd = connfd; //更新最大文件描述符
if(i>maxi)maxi = i;
readyfd --;
if(readyfd == 0)continue; //如果只有lfd被監控成功，那麼就重新select
}
//處理lfd之外監控成功的文件描述符，進行輪詢
for(int i=0;i<=maxi;i++)
{
if(client[i] == -1)continue; //等於-1說明這個描述符已經無效
if(FD_ISSET(client[i],&rset)) //在client數組中尋找是否有被監控成功的文件描述符
{
//此時說明client[i]對於的文件描述符監控成功，有消息發來，直接讀取即可
int readcount = read(client[i],buf,sizeof(buf));
if(readcount == 0) //對方客戶端關閉
{
close(client[i]); //關閉描述符
FD_CLR(client[i],&allset); //將該描述符從描述符集合中去除
client[i] = -1; //相應位置置爲-1，表示失效
cout<<inet_ntoa(clit_info[i].sin_addr)<<":"<<ntohs(clit_info[i].sin_port)<<" exit ... "<<endl;
}
else if(readcount == -1)
{
cout<<"read fault : "<<strerror(errno)<<endl;
continue;
}
else
{
cout<<"(From "<<inet_ntoa(clit_info[i].sin_addr)<<":"<<ntohs(clit_info[i].sin_port)<<")";
for(int j=0;j<readcount;j++)cout<<buf[j];
cout<<endl;
for(int j=0;j<readcount;j++)buf[j] = toupper(buf[j]);
write(client[i],buf,readcount);
}
readyfd--;
if(readyfd == 0)break;
}
}
}
close(lfd);
return 0;
}