I/O複用-select

I/O複用

I/O複用的功能就是同時監聽多個文件描述符，這樣的話程序性能就能得到大大提升。通常，網絡程序在下列情況下需要使用I/O複用技術：

服務端程序要同時處理多個socket。
服務端程序要同時處理用戶輸入和網絡連接。
TCP服務器要同時處理監聽socket和連接socket。
服務器要同時處理TCP請求和UPD請求。
服務器要同時監聽多個端口，或者處理多種服務。
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。
Linux下實現I/O複用的系統調用主要有select、poll和epoll現在我們來看看select。

select

作用：
用來讓我們的程序監視多個文件句柄的狀態變化。程序會停在select這裏等待，知道被監視的文件句柄有一個或多個發生了狀態變化。而文件句柄，其實就是一個整數，最熟悉的句柄是0（標準輸入）、1（標準輸出）、2（標準錯誤輸出）。對應文件的stdin、stdout、stderr。監聽用戶感興趣的文件描述符上的可讀、可寫和異常等事件。

#include<sys/select.h>
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

參數：
1）nfds參數指定被監聽的文件描述符的總數。它通常被設置爲select監聽的所有文件描述符中的最大值加1，因爲文件描述符是從0開始計數。
2）readfds、wrutefds和exceptfds參數分別對應於需要檢測的可讀⽂件描述符的集合，可寫⽂件描述符的集合及異常⽂件描述符的集合。select調用返回時，內核將修改它們來通知應用程序哪些文件文件描述符已就緒。三個參數都是fd_set結構指針類型。
fd_set結構定義在/usr/include/sys/select.h中，結構如下：

/* fd_set for select and pselect.  */
typedef struct
  {
    /* XPG4.2 requires this member name.  Otherwise avoid the name
       from the global namespace.  */
#ifdef __USE_XOPEN
    __fd_mask fds_bits[__FD_SETSIZE / __NFDBITS];
# define __FDS_BITS(set) ((set)->fds_bits)
#else
    __fd_mask __fds_bits[__FD_SETSIZE / __NFDBITS];
# define __FDS_BITS(set) ((set)->__fds_bits)
#endif
  } fd_set;

可以看到fd_set結構就只是包含了一個數組，數組的每一個元素的每一bit位都對應一個文件描述符。另外可以看到fd_set所能容納的文件描述符個數由FD_SETSIZE指定，這就限制了select能同時處理的文件描述符的總量。
FD_SETSIZE定義在/usr/include/bits/typesizes.h中:


/* Number of descriptors that can fit in an `fd_set'.  */
#define __FD_SETSIZE        1024

這是我自己linux下的FD_SETSIZE大小
另外位操作過於頻繁，所以系統給我們提供了一系列宏來訪問fd_set中的位

FD_ZERO（int fd，fd_set *fdset）//清零fdset所有位
FD_SET（int fd，fd_set *fdset） //設置fdset的位fd
FD_CLR（int fd，fd_set *fdset） //清除fdset的位fd
FD_ISSET（int fd，fd_set *fdset）//測試fdset的位fd是否被設置

3）timeout參數用來設置select函數的超時時間，也就是等待時間。timeval結構類型的指針，內核需要修改它告訴應用程序select等待了多久，所以採用指針做參數。
timeval結構體定義在/usr/include/time.h中，定義如下

 struct timeval  
{  
    __time_t tv_sec;        /* Seconds. */  
    __suseconds_t tv_usec;  /* Microseconds. */  
};

首先需要知道select提供的是微秒級的定時方式。
如果給tv_sec和tv_usec都傳遞0，則select立即返回。
如果timeout傳遞NULL，則select將一直阻塞，知道某個文件描述符就緒。

返回值：若成功，返回就緒描述符總數。若失敗，返回-1並設置errno。若timeout設置的時間內沒有任何文件描述符就緒，則返回0。

select缺點

（1）每次調⽤select，都需要把fd集合從⽤戶態拷貝到內核態，這個開銷在fd很多時會很⼤
（2）同時每次調⽤select都需要在內核遍歷傳遞進來的所有fd，這個開銷在fd很多時也很⼤
（3）剛在select參數時候也看到了，select⽀持的⽂件描述符數量太⼩了，默認是1024

實例：
select_server.c

/*************************************************************************
    > File Name: server.c
    > Author: tian
    > function:select 
    > Created Time: Fri 23 Jun 2017 12:45:42 AM PDT
 ************************************************************************/
#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<netinet/in.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/time.h>
#include<string.h>
#define __SIZE__ 64
int gfds[__SIZE__];
void usage()
{
    printf("./server [local_ip] [local_port]\n");
}
int startup(const char *ip,int port)
{
    int sock=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    if(sock<0)
    {
        perror("socket");
        exit(2);
    }
    struct sockaddr_in server;
    server.sin_family=AF_INET;
    server.sin_port=htons(port);
    server.sin_addr.s_addr=inet_addr(ip);
    const int on=1;
    setsockopt(sock,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&on,sizeof(on));
    if(bind(sock,(struct sockaddr*)&server,sizeof(server))<0)
    {
        perror("bind");
        exit(3);
    }
    return sock;
}
int main(int argc,char* argv[])
{
    if(argc!=3)
    {
        usage();
        exit(1);
    }
    int listen_sock=startup(argv[1],atoi(argv[2]));
    if(listen(listen_sock,5)<0)
    {
        perror("listen");
        exit(4);
    }
    int i=1;
    for(;i<__SIZE__;i++)
    {
        gfds[i]=-1;              
    }
    gfds[0]=listen_sock;
    while(1)
    {
        int max_fd=-1;
        fd_set rfds;
        FD_ZERO(&rfds);
        FD_SET(listen_sock,&rfds);
        int k=0;
        for(;k<__SIZE__;k++)
        {
            if(gfds[k]>0)
            {
                if(gfds[k]>max_fd)
                    max_fd=gfds[k];
                FD_SET(gfds[k],&rfds);
            }
        }//for
        struct timeval timeout={5,0};
        switch(select(max_fd+1,&rfds,0,0,&timeout))
        {
            case -1:
            {
                perror("select");
                break;
            }
            case 0:
            {
                printf("timeout...\n");
                continue;
            } 
            default:
            {
                int j=0;
                for(;j<__SIZE__;j++)
                {
                    if(gfds[j]==-1)
                        continue;
                    else if(FD_ISSET(gfds[j],&rfds)) 
                    {
                        if(j==0)
                        {
                        struct sockaddr_in client;
                        socklen_t len=sizeof(client);
                        int new_fd=accept(listen_sock,(struct sockaddr*)&client,&len);
                        /*pid_t id=fork();
                        if(id==0)
                        {
                            close(new_fd);
                            exit(0);
                        } */
                        printf("get a new client,%s:%d\n",inet_ntoa(client.sin_addr),ntohs(client.sin_port));
                        if(new_fd<0)
                        {
                            perror("accept");
                            continue;
                        }
                        int m=1;   
                        for(;m<__SIZE__;m++)
                        {
                            if(gfds[m]==-1)
                                break;
                        }
                        if(m==__SIZE__)
                        {
                            close(new_fd);
                            printf("no\n");
                        }
                        else
                        {
                            gfds[m]=new_fd;
                        }
                        }
                        if(j!=0)
                        {//other fd ready
                            char buf[1024];
                            while(1){
                            ssize_t s=read(gfds[j],buf,sizeof(buf)-1);
                            if(s>0)
                            {
                                buf[s]='\0';
                                printf("client[%d]: %s",j,buf);
                                if(strncmp(buf,"quit",4)==0)
                                {
                                    printf("quit\n");
                                    break;
                                }
                                write(gfds[j],buf,strlen(buf));
                            }
                            else if(s==0)
                            {
                                printf("client[%d] is quit!!!\n",j);
                                close(gfds[j]);
                                gfds[j]=-1;
                                break;
                            }
                            else
                                perror("read");
                            }
                        }
                     }
                    else
                        ;
                }
            }
            break;
        }
    }//while
    close(listen_sock);
    return 0;
}

I/O複用

select

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