linux select 多路複用機制

文章屬於轉載:http://blog.csdn.net/polly_polly/article/details/8541923

函數作用:

系統提供select函數來實現多路複用輸入/輸出模型。select系統調用是用來讓我們的程序監視多個文件句柄的狀態變化的。程序會停在select這裏等待,直到被監視的文件句柄有一個或多個發生了狀態改變。關於文件句柄,其實就是一個整數,我們最熟悉的句柄是0、1、2三個,0是標準輸入,1是標準輸出,2是標準錯誤輸出。0、1、2是整數表示的,對應的FILE *結構的表示就是stdin、stdout、stderr。

函數原型:

  1. int select(int maxfd,fd_set *rdset,fd_set *wrset, \  
  2.            fd_set *exset,struct timeval *timeout);  

參數說明:

參數maxfd是需要監視的最大的文件描述符值+1;rdset,wrset,exset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。struct timeval結構用於描述一段時間長度,如果在這個時間內,需要監視的描述符沒有事件發生則函數返回,返回值爲0。

下面的宏提供了處理這三種描述詞組的方式:
FD_CLR(inr fd,fd_set* set);用來清除描述詞組set中相關fd 的位
FD_ISSET(int fd,fd_set *set);用來測試描述詞組set中相關fd 的位是否爲真
FD_SET(int fd,fd_set*set);用來設置描述詞組set中相關fd的位
FD_ZERO(fd_set *set);用來清除描述詞組set的全部位

參數timeout爲結構timeval,用來設置select()的等待時間,其結構定義如下:

  1. struct timeval  
  2. {  
  3.     time_t tv_sec;//second  
  4.     time_t tv_usec;//minisecond  
  5. };  

如果參數timeout設爲:

NULL,則表示select()沒有timeout,select將一直被阻塞,直到某個文件描述符上發生了事件。

0:僅檢測描述符集合的狀態,然後立即返回,並不等待外部事件的發生。

特定的時間值:如果在指定的時間段裏沒有事件發生,select將超時返回。

函數返回值:

執行成功則返回文件描述詞狀態已改變的個數,如果返回0代表在描述詞狀態改變前已超過timeout時間,沒有返回;當有錯誤發生時則返回-1,錯誤原因存於errno,此時參數readfds,writefds,exceptfds和timeout的值變成不可預測。錯誤值可能爲:
EBADF 文件描述詞爲無效的或該文件已關閉
EINTR 此調用被信號所中斷
EINVAL 參數n 爲負值。
ENOMEM 核心內存不足

常見的程序片段如下:

fs_set readset;
FD_ZERO(&readset);
FD_SET(fd,&readset);
select(fd+1,&readset,NULL,NULL,NULL);
if(FD_ISSET(fd,readset){……}

理解select模型:

理解select模型的關鍵在於理解fd_set,爲說明方便,取fd_set長度爲1字節,fd_set中的每一bit可以對應一個文件描述符fd。則1字節長的fd_set最大可以對應8個fd。

(1)執行fd_set set; FD_ZERO(&set);則set用位表示是0000,0000。

(2)若fd=5,執行FD_SET(fd,&set);後set變爲0001,0000(第5位置爲1)

(3)若再加入fd=2,fd=1,則set變爲0001,0011

(4)執行select(6,&set,0,0,0)阻塞等待

(5)若fd=1,fd=2上都發生可讀事件,則select返回,此時set變爲0000,0011。注意:沒有事件發生的fd=5被清空。

 基於上面的討論,可以輕鬆得出select模型的特點:

  (1)可監控的文件描述符個數取決與sizeof(fd_set)的值。我這邊服務 器上sizeof(fd_set)=512,每bit表示一個文件描述符,則我服務器上支持的最大文件描述符是512*8=4096。據說可調,另有說雖 然可調,但調整上限受於編譯內核時的變量值。本人對調整fd_set的大小不太感興趣,參考http://www.cppblog.com /CppExplore/archive/2008/03/21/45061.html中的模型2(1)可以有效突破select可監控的文件描述符上 限。

  (2)將fd加入select監控集的同時,還要再使用一個數據結構array保存放到select監控集中的fd,一是用於再select 返回後,array作爲源數據和fd_set進行FD_ISSET判斷。二是select返回後會把以前加入的但並無事件發生的fd清空,則每次開始 select前都要重新從array取得fd逐一加入(FD_ZERO最先),掃描array的同時取得fd最大值maxfd,用於select的第一個 參數。

  (3)可見select模型必須在select前循環array(加fd,取maxfd),select返回後循環array(FD_ISSET判斷是否有時間發生)。

下面給一個僞碼說明基本select模型的服務器模型:

  1. array[slect_len];  
  2.  nSock=0;  
  3.  array[nSock++]=listen_fd;(之前listen port已綁定並listen)  
  4.  maxfd=listen_fd;  
  5.   
  6.  while(1){  
  7.   
  8.   FD_ZERO(&set);  
  9.   
  10.   foreach (fd in array)  
  11.   {  
  12.       fd大於maxfd,則maxfd=fd  
  13.       FD_SET(fd,&set)  
  14.   }  
  15.   
  16.   res=select(maxfd+1,&set,0,0,0);  
  17.   
  18.   if(FD_ISSET(listen_fd,&set))  
  19.   {  
  20.       newfd=accept(listen_fd);  
  21.       array[nsock++]=newfd;  
  22.       if(--res<=0) continue;  
  23.   }  
  24.   
  25.   foreach 下標1開始 (fd in array)  
  26.   {  
  27.       if(FD_ISSET(fd,&tyle="COLOR: #ff0000">set))  
  28.       執行讀等相關操作  
  29.       如果錯誤或者關閉,則要刪除該fd,將array中相應位置和最後一個元素互換就好,nsock減一  
  30.       if(--res<=0) continue;  
  31.   }  
  32.   
  33.  }  
檢測鍵盤有無輸入,完整的程序如下:

  1. #include<sys/time.h>  
  2. #include<sys/types.h>  
  3. #include<unistd.h>  
  4. #include<string.h>  
  5. #include<stdlib.h>  
  6. #include<stdio.h>  
  7. int main()  
  8. {  
  9.         char buf[10]="";  
  10.         fd_set rdfds;  
  11.         struct timeval tv;  
  12.         int ret;  
  13.         FD_ZERO(&rdfds);  
  14.         FD_SET(0,&rdfds);   //文件描述符0表示stdin鍵盤輸入  
  15.         tv.tv_sec = 3;  
  16.         tv.tv_usec = 500;  
  17.         ret = select(1,&rdfds,NULL,NULL,&tv);  
  18.         if(ret<0)  
  19.               printf("\n selcet");  
  20.         else if(ret == 0)  
  21.               printf("\n timeout");  
  22.         else  
  23.               printf("\n ret = %d",ret);  
  24.   
  25.         if(FD_ISSET(1,&rdfds))  //如果有輸入,從stdin中獲取輸入字符  
  26.         {  
  27.               printf("\n reading");  
  28.               fread(buf,9,1,stdin);  
  29.          }  
  30.          write(1,buf,strlen(buf));  
  31.          printf("\n %d \n",strlen(buf));  
  32.          return 0;  
  33. }  
  34. //執行結果ret = 1.  

利用Select模型,設計的web服務器:

  1. #include <stdio.h>  
  2. #include <stdlib.h>  
  3. #include <unistd.h>  
  4. #include <errno.h>  
  5. #include <string.h>  
  6. #include <sys/types.h>  
  7. #include <sys/socket.h>  
  8. #include <netinet/in.h>  
  9. #include <arpa/inet.h>  
  10.   
  11. #define MYPORT 88960    // the port users will be connecting to  
  12.   
  13. #define BACKLOG 10     // how many pending connections queue will hold  
  14.   
  15. #define BUF_SIZE 200  
  16.   
  17. int fd_A[BACKLOG];    // accepted connection fd  
  18. int conn_amount;    // current connection amount  
  19.   
  20. void showclient()  
  21. {  
  22.     int i;  
  23.     printf("client amount: %d\n", conn_amount);  
  24.     for (i = 0; i < BACKLOG; i++) {  
  25.         printf("[%d]:%d  ", i, fd_A[i]);  
  26.     }  
  27.     printf("\n\n");  
  28. }  
  29.   
  30. int main(void)  
  31. {  
  32.     int sock_fd, new_fd;  // listen on sock_fd, new connection on new_fd  
  33.     struct sockaddr_in server_addr;    // server address information  
  34.     struct sockaddr_in client_addr; // connector's address information  
  35.     socklen_t sin_size;  
  36.     int yes = 1;  
  37.     char buf[BUF_SIZE];  
  38.     int ret;  
  39.     int i;  
  40.   
  41.     if ((sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1) {  
  42.         perror("socket");  
  43.         exit(1);  
  44.     }  
  45.   
  46.     if (setsockopt(sock_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &yes, sizeof(int)) == -1) {  
  47.         perror("setsockopt");  
  48.         exit(1);  
  49.     }  
  50.       
  51.     server_addr.sin_family = AF_INET;         // host byte order  
  52.     server_addr.sin_port = htons(MYPORT);     // short, network byte order  
  53.     server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // automatically fill with my IP  
  54.     memset(server_addr.sin_zero, '\0'sizeof(server_addr.sin_zero));  
  55.   
  56.     if (bind(sock_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {  
  57.         perror("bind");  
  58.         exit(1);  
  59.     }  
  60.   
  61.     if (listen(sock_fd, BACKLOG) == -1) {  
  62.         perror("listen");  
  63.         exit(1);  
  64.     }  
  65.   
  66.     printf("listen port %d\n", MYPORT);  
  67.   
  68.     fd_set fdsr;  
  69.     int maxsock;  
  70.     struct timeval tv;  
  71.   
  72.     conn_amount = 0;  
  73.     sin_size = sizeof(client_addr);  
  74.     maxsock = sock_fd;  
  75.     while (1) {  
  76.         // initialize file descriptor set  
  77.         FD_ZERO(&fdsr);  
  78.         FD_SET(sock_fd, &fdsr);  
  79.   
  80.         // timeout setting  
  81.         tv.tv_sec = 30;  
  82.         tv.tv_usec = 0;  
  83.   
  84.         // add active connection to fd set  
  85.         for (i = 0; i < BACKLOG; i++) {  
  86.             if (fd_A[i] != 0) {  
  87.                 FD_SET(fd_A[i], &fdsr);  
  88.             }  
  89.         }  
  90.   
  91.         ret = select(maxsock + 1, &fdsr, NULL, NULL, &tv);  
  92.         if (ret < 0) {  
  93.             perror("select");  
  94.             break;  
  95.         } else if (ret == 0) {  
  96.             printf("timeout\n");  
  97.             continue;  
  98.         }  
  99.   
  100.         // check every fd in the set  
  101.         for (i = 0; i < conn_amount; i++) {  
  102.             if (FD_ISSET(fd_A[i], &fdsr)) {  
  103.                 ret = recv(fd_A[i], buf, sizeof(buf), 0);  
  104.                   
  105.                 char str[] = "Good,very nice!\n";  
  106.                   
  107.                 send(fd_A[i],str,sizeof(str) + 1, 0);  
  108.                   
  109.                   
  110.                 if (ret <= 0) {        // client close  
  111.                     printf("client[%d] close\n", i);  
  112.                     close(fd_A[i]);  
  113.                     FD_CLR(fd_A[i], &fdsr);  
  114.                     fd_A[i] = 0;  
  115.                 } else {        // receive data  
  116.                     if (ret < BUF_SIZE)  
  117.                         memset(&buf[ret], '\0', 1);  
  118.                     printf("client[%d] send:%s\n", i, buf);  
  119.                 }  
  120.             }  
  121.         }  
  122.   
  123.         // check whether a new connection comes  
  124.         if (FD_ISSET(sock_fd, &fdsr)) {  
  125.             new_fd = accept(sock_fd, (struct sockaddr *)&client_addr, &sin_size);  
  126.             if (new_fd <= 0) {  
  127.                 perror("accept");  
  128.                 continue;  
  129.             }  
  130.   
  131.             // add to fd queue  
  132.             if (conn_amount < BACKLOG) {  
  133.                 fd_A[conn_amount++] = new_fd;  
  134.                 printf("new connection client[%d] %s:%d\n", conn_amount,  
  135.                         inet_ntoa(client_addr.sin_addr), ntohs(client_addr.sin_port));  
  136.                 if (new_fd > maxsock)  
  137.                     maxsock = new_fd;  
  138.             }  
  139.             else {  
  140.                 printf("max connections arrive, exit\n");  
  141.                 send(new_fd, "bye", 4, 0);  
  142.                 close(new_fd);  
  143.                 break;  
  144.             }  
  145.         }  
  146.         showclient();  
  147.     }  
  148.   
  149.     // close other connections  
  150.     for (i = 0; i < BACKLOG; i++) {  
  151.         if (fd_A[i] != 0) {  
  152.             close(fd_A[i]);  
  153.         }  
  154.     }  
  155.   
  156.     exit(0);  
  157. }  
補充部分:

1 基本原理

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注:select 原理圖,摘自 IBM iSeries 信息中心

1 數據結構與函數原型

1.1 select

  • 函數原型
       int select(
          int nfds,
          fd_set *readset,
          fd_set *writeset,
          fd_set* exceptset,
          struct timeval *timeout
       );
    
  • 頭文件
    • select位於:
      #include <sys/select.h>
      
    • struct timeval位於:
      #include <sys/time.h>
      
  • 返回值

    返回對應位仍然爲1的fd的總數。

  • 參數
    • nfds:第一個參數是:最大的文件描述符值+1;
    • readset:可讀描述符集合;
    • writeset:可寫描述符集合;
    • exceptset:異常描述符;
    • timeout:select 的監聽時長,如果這短時間內所監聽的 socket 沒有事件發生。

1.2 fd_set

1.2.1 清空描述符集合

FD_ZERO(fd_set *)

1.2.2 向描述符集合添加指定描述符

FD_SET(int, fd_set *)

1.2.3 從描述符集合刪除指定描述符

FD_CLR(int, fd_set *)

1.2.4 檢測指定描述符是否在描述符集合中

FD_ISSET(int, fd_set *)

1.2.5 描述符最大數量

#define FD_SETSIZE 1024

1.3 描述符集合

可讀描述符集合中可讀的描述符,爲1,其他爲0;可寫也類似。異常描述符集合中有異常等待處理的描述符的值爲1,其他爲0。

1.4 ioctl

  • 函數原型:

      int ioctl(int handle, int cmd,[int *argdx, int argcx]);
    
  • 頭文件:

      #include <sys/ioctl.h>
    
  • 返回值:

    • 0 - 成功
    • 1 - 失敗

2 示例

程序各部分的解釋在註釋中。

#include <sys/socket.h>
#include <string.h>
#include <sys/time.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

#define TRUE  1
#define FALSE 0

int main(int argc, char *argv[])
{
    int i, len, rc, on = TRUE;
    int listen_sd, new_sd = 0, max_sd;
    int desc_ready;
    char buffer[80];
    int close_conn, end_server = FALSE;
    struct sockaddr_in server_addr;
    struct timeval timeout;
    struct fd_set master_set, working_set;

    // Listen
    listen_sd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (listen_sd < 0)
    {
        perror("socket() failed");
        exit(-1);
    }

    // Set socket options
    rc = setsockopt(listen_sd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, (char *) &on, sizeof(on));
    if (rc < 0)
    {
        perror("setsockopt() failed");
        close(listen_sd);
        exit(-1);
    }

    // Set IO control
    rc = ioctl(listen_sd, FIONBIO, (char *) &on);
    if (rc < 0)
    {
        perror("ioctl() failed");
        close(listen_sd);
        exit(-1);
    }

    // Bind
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    server_addr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));
    rc = bind(listen_sd, (struct sockaddr *) &server_addr, sizeof(server_addr));
    if (rc < 0)
    {
        perror("bind() failed\n");
        close(listen_sd);
        exit(-1);
    }

    // Listen
    rc = listen(listen_sd, 32);
    if (rc < 0)
    {
        perror("listen() failed\n");
        close(listen_sd);
        exit(-1);
    }

    // Intialize sd set
    FD_ZERO(&master_set);
    max_sd = listen_sd;
    FD_SET(listen_sd, &master_set);

    timeout.tv_sec = 3 * 60;
    timeout.tv_usec = 0;

    // Start
    do
    {
        // Copy master_set into working_set
        memcpy(&working_set, &master_set, sizeof(master_set));

        printf("Waiting on select()...\n");
        rc = select(max_sd + 1, &working_set, NULL, NULL, &timeout);
        if (rc < 0)
        {
            perror("  select() failed\n");
            break;
        }
        if (rc == 0)
        {
            printf("  select() timed out. End program.\n");
            break;
        }

        desc_ready = rc; // number of sds ready in working_set

        // Check each sd in working_set
        for (i = 0; i <= max_sd && desc_ready > 0; ++i)
        {
            // Check to see if this sd is ready
            if (FD_ISSET(i, &working_set))
            {
                --desc_ready;

                // Check to see if this is the listening sd
                if (i == listen_sd)
                {
                    printf("  Listeing socket is readable\n");
                    do
                    {
                        // Accept
                        new_sd = accept(listen_sd, NULL, NULL);

                        // Nothing to be accepted
                        if (new_sd < 0)
                        {
                            // All have been accepted
                            if (errno != EWOULDBLOCK)
                            {
                                perror("  accept() failed\n");
                                end_server = TRUE;
                            }
                            break;
                        }

                        // Insert new_sd into master_set
                        printf("  New incoming connection - %d\n", new_sd);
                        FD_SET(new_sd, &master_set);
                        if (new_sd > max_sd)
                        {
                            max_sd = new_sd;
                        }
                    }
                    while (new_sd != -1);
                }
                // This is not the listening sd
                else
                {
                    close_conn = FALSE;
                    printf("  Descriptor %d is avaliable\n", i);
                    do
                    {
                        rc = recv(i, buffer, sizeof(buffer), 0);

                        // Receive data on sd "i", until failure occurs
                        if (rc < 0)
                        {
                            // Normal failure
                            if (errno != EWOULDBLOCK)
                            {
                                perror("  recv() failed\n");
                                close_conn = TRUE;
                            }
                            break;
                        }

                        // The connection has been closed by the client
                        if (rc == 0)
                        {
                            printf("  Connection closed\n");
                            close_conn = TRUE;
                            break;
                        }

                        /* Receiving data succeeded and echo it back
                           the to client */
                        len = rc;
                        printf("  %d bytes received\n", len);
                        rc = send(i, buffer, len, 0);
                        if (rc < 0)
                        {
                            perror("  send() failed");
                            close_conn = TRUE;
                            break;
                        }
                    }
                    while (TRUE);

                    // If unknown failure occured
                    if (close_conn)
                    {
                        // Close the sd and remove it from master_set
                        close(i);
                        FD_CLR(i, &master_set);

                        // If this is the max sd
                        if (i == max_sd)
                        {
                            // Find the max sd in master_set now
                            while (FD_ISSET(max_sd, &master_set) == FALSE)
                            {
                                --max_sd;
                            }
                        } // End of if (i == max_sd)
                    } // End of if (close_conn)
                }
            }
        }
    }
    while (end_server == FALSE);

    /* Close each sd in master_set */
    for (i = 0; i < max_sd; ++i)
    {
        if (FD_ISSET(i, &master_set))
        {
            close(i);
        }
    }

    return 0;
}

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