IO多路複用之select總結

1、基本概念

　　IO多路複用是指內核一旦發現進程指定的一個或者多個IO條件準備讀取，它就通知該進程。IO多路複用適用如下場合：

　　（1）當客戶處理多個描述字時（一般是交互式輸入和網絡套接口），必須使用I/O複用。

　　（2）當一個客戶同時處理多個套接口時，而這種情況是可能的，但很少出現。

　　（3）如果一個TCP服務器既要處理監聽套接口，又要處理已連接套接口，一般也要用到I/O複用。

　　（4）如果一個服務器即要處理TCP，又要處理UDP，一般要使用I/O複用。

　　（5）如果一個服務器要處理多個服務或多個協議，一般要使用I/O複用。

　　與多進程和多線程技術相比，I/O多路複用技術的最大優勢是系統開銷小，系統不必創建進程/線程，也不必維護這些進程/線程，從而大大減小了系統的開銷。

2、select函數

　　該函數准許進程指示內核等待多個事件中的任何一個發送，並只在有一個或多個事件發生或經歷一段指定的時間後才喚醒。函數原型如下：

#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>

int select(int maxfdp1,fd_set *readset,fd_set *writeset,fd_set *exceptset,const struct timeval *timeout)
返回值：就緒描述符的數目，超時返回0，出錯返回-1

函數參數介紹如下：

（1）第一個參數maxfdp1指定待測試的描述字個數，它的值是待測試的最大描述字加1（因此把該參數命名爲maxfdp1），描述字0、1、2...maxfdp1-1均將被測試。

因爲文件描述符是從0開始的。

（2）中間的三個參數readset、writeset和exceptset指定我們要讓內核測試讀、寫和異常條件的描述字。如果對某一個的條件不感興趣，就可以把它設爲空指針。struct fd_set可以理解爲一個集合，這個集合中存放的是文件描述符，可通過以下四個宏進行設置：

void FD_ZERO(fd_set *fdset); //清空集合

void FD_SET(int fd, fd_set *fdset); //將一個給定的文件描述符加入集合之中

void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset); //將一個給定的文件描述符從集合中刪除

int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset); // 檢查集合中指定的文件描述符是否可以讀寫

（3）timeout告知內核等待所指定描述字中的任何一個就緒可花多少時間。其timeval結構用於指定這段時間的秒數和微秒數。

struct timeval{

long tv_sec; //seconds

long tv_usec; //microseconds

};

這個參數有三種可能：

（1）永遠等待下去：僅在有一個描述字準備好I/O時才返回。爲此，把該參數設置爲空指針NULL。

（2）等待一段固定時間：在有一個描述字準備好I/O時返回，但是不超過由該參數所指向的timeval結構中指定的秒數和微秒數。

（3）根本不等待：檢查描述字後立即返回，這稱爲輪詢。爲此，該參數必須指向一個timeval結構，而且其中的定時器值必須爲0。

原理圖：

3、測試程序

　　寫一個TCP回射程序，程序的功能是：客戶端向服務器發送信息，服務器接收並原樣發送給客戶端，客戶端顯示出接收到的信息。

服務端程序如下：

  1 #include <stdio.h>
  2 #include <stdlib.h>
  3 #include <string.h>
  4 #include <errno.h>
  5 #include <netinet/in.h>
  6 #include <sys/socket.h>
  7 #include <sys/select.h>
  8 #include <sys/types.h>
  9 #include <netinet/in.h>
 10 #include <arpa/inet.h>
 11 #include <unistd.h>
 12 #include <assert.h>
 13 
 14 #define IPADDR      "127.0.0.1"
 15 #define PORT        8787
 16 #define MAXLINE     1024
 17 #define LISTENQ     5
 18 #define SIZE        10
 19 
 20 typedef struct server_context_st
 21 {
 22     int cli_cnt;        /*客戶端個數*/
 23     int clifds[SIZE];   /*客戶端的個數*/
 24     fd_set allfds;      /*句柄集合*/
 25     int maxfd;          /*句柄最大值*/
 26 } server_context_st;
 27 static server_context_st *s_srv_ctx = NULL;
 28 /*===========================================================================
 29  * ==========================================================================*/
 30 static int create_server_proc(const char* ip,int port)
 31 {
 32     int  fd;
 33     struct sockaddr_in servaddr;
 34     fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM,0);
 35     if (fd == -1) {
 36         fprintf(stderr, "create socket fail,erron:%d,reason:%s\n",
 37                 errno, strerror(errno));
 38         return -1;
 39     }
 40 
 41     /*一個端口釋放後會等待兩分鐘之後才能再被使用，SO_REUSEADDR是讓端口釋放後立即就可以被再次使用。*/
 42     int reuse = 1;
 43     if (setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &reuse, sizeof(reuse)) == -1) {
 44         return -1;
 45     }
 46 
 47     bzero(&servaddr,sizeof(servaddr));
 48     servaddr.sin_family = AF_INET;
 49     inet_pton(AF_INET,ip,&servaddr.sin_addr);
 50     servaddr.sin_port = htons(port);
 51 
 52     if (bind(fd,(struct sockaddr*)&servaddr,sizeof(servaddr)) == -1) {
 53         perror("bind error: ");
 54         return -1;
 55     }
 56 
 57     listen(fd,LISTENQ);
 58 
 59     return fd;
 60 }
 61 
 62 static int accept_client_proc(int srvfd)
 63 {
 64     struct sockaddr_in cliaddr;
 65     socklen_t cliaddrlen;
 66     cliaddrlen = sizeof(cliaddr);
 67     int clifd = -1;
 68 
 69     printf("accpet clint proc is called.\n");
 70 
 71 ACCEPT:
 72     clifd = accept(srvfd,(struct sockaddr*)&cliaddr,&cliaddrlen);
 73 
 74     if (clifd == -1) {
 75         if (errno == EINTR) {
 76             goto ACCEPT;
 77         } else {
 78             fprintf(stderr, "accept fail,error:%s\n", strerror(errno));
 79             return -1;
 80         }
 81     }
 82 
 83     fprintf(stdout, "accept a new client: %s:%d\n",
 84             inet_ntoa(cliaddr.sin_addr),cliaddr.sin_port);
 85 
 86     //將新的連接描述符添加到數組中
 87     int i = 0;
 88     for (i = 0; i < SIZE; i++) {
 89         if (s_srv_ctx->clifds[i] < 0) {
 90             s_srv_ctx->clifds[i] = clifd;
 91             s_srv_ctx->cli_cnt++;
 92             break;
 93         }
 94     }
 95 
 96     if (i == SIZE) {
 97         fprintf(stderr,"too many clients.\n");
 98         return -1;
 99     }
100
101 }
102 
103 static int handle_client_msg(int fd, char *buf) 
104 {
105     assert(buf);
106     printf("recv buf is :%s\n", buf);
107     write(fd, buf, strlen(buf) +1);
108     return 0;
109 }
110 
111 static void recv_client_msg(fd_set *readfds)
112 {
113     int i = 0, n = 0;
114     int clifd;
115     char buf[MAXLINE] = {0};
116     for (i = 0;i <= s_srv_ctx->cli_cnt;i++) {
117         clifd = s_srv_ctx->clifds[i];
118         if (clifd < 0) {
119             continue;
120         }
121         /*判斷客戶端套接字是否有數據*/
122         if (FD_ISSET(clifd, readfds)) {
123             //接收客戶端發送的信息
124             n = read(clifd, buf, MAXLINE);
125             if (n <= 0) {
126                 /*n==0表示讀取完成，客戶都關閉套接字*/
127                 FD_CLR(clifd, &s_srv_ctx->allfds);
128                 close(clifd);
129                 s_srv_ctx->clifds[i] = -1;
130                 continue;
131             }
132             handle_client_msg(clifd, buf);
133         }
134     }
135 }
136 static void handle_client_proc(int srvfd)
137 {
138     int  clifd = -1;
139     int  retval = 0;
140     fd_set *readfds = &s_srv_ctx->allfds;
141     struct timeval tv;
142     int i = 0;
143 
144     while (1) {
145         /*每次調用select前都要重新設置文件描述符和時間，因爲事件發生後，文件描述符和時間都被內核修改啦*/
146         FD_ZERO(readfds);
147         /*添加監聽套接字*/
148         FD_SET(srvfd, readfds);
149         s_srv_ctx->maxfd = srvfd;
150 
151         tv.tv_sec = 30;
152         tv.tv_usec = 0;
153         /*添加客戶端套接字*/
154         for (i = 0; i < s_srv_ctx->cli_cnt; i++) {
155             clifd = s_srv_ctx->clifds[i];
156             /*去除無效的客戶端句柄*/
157             if (clifd != -1) {
158                 FD_SET(clifd, readfds);
159             }
160             s_srv_ctx->maxfd = (clifd > s_srv_ctx->maxfd ? clifd : s_srv_ctx->maxfd);
161         }
162 
163         /*開始輪詢接收處理服務端和客戶端套接字*/
164         retval = select(s_srv_ctx->maxfd + 1, readfds, NULL, NULL, &tv);
165         if (retval == -1) {
166             fprintf(stderr, "select error:%s.\n", strerror(errno));
167             return;
168         }
169         if (retval == 0) {
170             fprintf(stdout, "select is timeout.\n");
171             continue;
172         }
173         if (FD_ISSET(srvfd, readfds)) {
174             /*監聽客戶端請求*/
175             accept_client_proc(srvfd);
176         } else {
177             /*接受處理客戶端消息*/
178             recv_client_msg(readfds);
179         }
180     }
181 }
182 
183 static void server_uninit()
184 {
185     if (s_srv_ctx) {
186         free(s_srv_ctx);
187         s_srv_ctx = NULL;
188     }
189 }
190 
191 static int server_init()
192 {
193     s_srv_ctx = (server_context_st *)malloc(sizeof(server_context_st));
194     if (s_srv_ctx == NULL) {
195         return -1;
196     }
197 
198     memset(s_srv_ctx, 0, sizeof(server_context_st));
199 
200     int i = 0;
201     for (;i < SIZE; i++) {
202         s_srv_ctx->clifds[i] = -1;
203     }
204 
205     return 0;
206 }
207 
208 int main(int argc,char *argv[])
209 {
210     int  srvfd;
211     /*初始化服務端context*/
212     if (server_init() < 0) {
213         return -1;
214     }
215     /*創建服務,開始監聽客戶端請求*/
216     srvfd = create_server_proc(IPADDR, PORT);
217     if (srvfd < 0) {
218         fprintf(stderr, "socket create or bind fail.\n");
219         goto err;
220     }
221     /*開始接收並處理客戶端請求*/
222     handle_client_proc(srvfd);
223     server_uninit();
224     return 0;
225 err:
226     server_uninit();
227     return -1;
228 }

客戶端程序如下：

 1 #include <netinet/in.h>
 2 #include <sys/socket.h>
 3 #include <stdio.h>
 4 #include <string.h>
 5 #include <stdlib.h>
 6 #include <sys/select.h>
 7 #include <time.h>
 8 #include <unistd.h>
 9 #include <sys/types.h>
10 #include <errno.h>
11 
12 #define MAXLINE 1024
13 #define IPADDRESS "127.0.0.1"
14 #define SERV_PORT 8787
15 
16 #define max(a,b) (a > b) ? a : b
17 
18 static void handle_recv_msg(int sockfd, char *buf) 
19 {
20 printf("client recv msg is:%s\n", buf);
21 sleep(5);
22 write(sockfd, buf, strlen(buf) +1);
23 }
24 
25 static void handle_connection(int sockfd)
26 {
27 char sendline[MAXLINE],recvline[MAXLINE];
28 int maxfdp,stdineof;
29 fd_set readfds;
30 int n;
31 struct timeval tv;
32 int retval = 0;
33 
34 while (1) {
35 
36 FD_ZERO(&readfds);
37 FD_SET(sockfd,&readfds);
38 maxfdp = sockfd;
39 
40 tv.tv_sec = 5;
41 tv.tv_usec = 0;
42 
43 retval = select(maxfdp+1,&readfds,NULL,NULL,&tv);
44 
45 if (retval == -1) {
46 return ;
47 }
48 
49 if (retval == 0) {
50 printf("client timeout.\n");
51 continue;
52 }
53 
54 if (FD_ISSET(sockfd, &readfds)) {
55 n = read(sockfd,recvline,MAXLINE);
56 if (n <= 0) {
57 fprintf(stderr,"client: server is closed.\n");
58 close(sockfd);
59 FD_CLR(sockfd,&readfds);
60 return;
61 }
62 
63 handle_recv_msg(sockfd, recvline);
64 }
65 }
66 }
67 
68 int main(int argc,char *argv[])
69 {
70 int sockfd;
71 struct sockaddr_in servaddr;
72 
73 sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
74 
75 bzero(&servaddr,sizeof(servaddr));
76 servaddr.sin_family = AF_INET;
77 servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
78 inet_pton(AF_INET,IPADDRESS,&servaddr.sin_addr);
79 
80 int retval = 0;
81 retval = connect(sockfd,(struct sockaddr*)&servaddr,sizeof(servaddr));
82 if (retval < 0) {
83 fprintf(stderr, "connect fail,error:%s\n", strerror(errno));
84 return -1;
85 }
86 
87 printf("client send to server .\n");
88 write(sockfd, "hello server", 32);
89 
90 handle_connection(sockfd);
91 
92 return 0;
93 }