Linux網絡編程之socket:select函數的併發限制與poll函數

一、用select實現的併發服務器，能達到的併發數，受兩方面限制

1、一個進程能打開的最大文件描述符限制。這可以通過調整內核參數。可以通過ulimit -n來調整或者使用setrlimit函數設置， 但一個系統所能打開的最大數也是有限的，跟內存大小有關，可以通過cat /proc/sys/fs/file-max 查看

2、select中的fd_set集合容量的限制（FD_SETSIZE，一般爲1024） ，這需要重新編譯內核。

下面爲測試程序，只建立連接，看看最多能夠建立多少個連接，客戶端程序如下：

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <signal.h>

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>

#define ERR_EXIT(m) \
        do \
        { \
                perror(m); \
                exit(EXIT_FAILURE); \
        } while(0)


int main(void)
{
    int count = 0;
    while(1)
    {
        int sock;
        if ((sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM,0)) < 0)
        {
            sleep(4);
            ERR_EXIT("socket");
        }

        struct sockaddr_in servaddr;
        memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
        servaddr.sin_family = AF_INET;
        servaddr.sin_port = htons(5188);
        servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");

        if (connect(sock, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0)
            ERR_EXIT("connect");

        struct sockaddr_in localaddr;
        socklen_t addrlen = sizeof(localaddr);
        if (getsockname(sock, (struct sockaddr *)&localaddr, &addrlen) < 0)
            ERR_EXIT("getsockname");

        printf("ip=%s port=%d\n", inet_ntoa(localaddr.sin_addr), ntohs(localaddr.sin_port));
        printf("count = %d\n", ++count);

    }

    return 0;
}

啓動select 的服務器端程序，再啓動客戶端測試程序：

從中可以看出對於客戶端，最多隻能開啓1021個連接套接字，因爲總共是1024個，還得除去0，1，2。而服務器端只能accept 返回1020個已連接套接字，因爲除了012之外還有一個監聽套接字，客戶端某一個套接字（不一定是最後一個）雖然已經建立了連接，在已完成連接隊列中，但accept 返回時達到最大描述符限制，返回錯誤，打印提示信息。

也許有人會注意到上面有一行 sleep(4); 當客戶端調用socket準備創建第1022個套接字時，如上所示也會提示錯誤，此時socket函數返回-1出錯，如果沒有睡眠4s後再退出進程會有什麼問題呢？如果直接退出進程，會將客戶端所打開的所有套接字關閉掉，即向服務器端發送了很多FIN段，而此時也許服務器端還一直在accept ，即還在從已連接隊列中返回已連接套接字，此時服務器端除了關心監聽套接字的可讀事件，也開始關心前面已建立連接的套接字的可讀事件，read 返回0，所以會有很多 client close 字段 參雜在條目的輸出中，還有個問題就是，因爲read 返回0，服務器端會將自身的已連接套接字關閉掉，那麼也許剛纔說的客戶端某一個連接會被accept 返回，即測試不出服務器端真正的併發容量。同時可以看到最後接收到的一個連接端口是52234，即不一定是客戶端的最後一個連接。

二、poll 函數應用舉例

 #include <poll.h>
 int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);

參數1：結構體數組指針，struct pollfd {

               int   fd;         /* file descriptor */
               short events;     /* requested events */
               short revents;    /* returned events */
           };

結構體中的fd 即套接字描述符，events 即感興趣的事件，如下圖所示，revents 即返回的事件。

參數2：結構體數組的成員個數，即文件描述符個數。

參數3：即超時時間，若爲-1，表示永不超時。

poll 跟 select 還是很相似的，比較重要的區別在於poll 所能併發的個數跟FD_SETSIZE無關，只跟一個進程所能打開的文件描述符個數有關，可以在select 程序的基礎上修改成poll 程序，在運行服務器端程序之前，使用ulimit -n 2048 將限制改成2048個，注意在運行客戶端進程的終端也需更改，因爲客戶端也會有所限制，這只是臨時性的更改，因爲子進程會繼承這個環境參數，而我們是在bash命令行啓動程序的，故在進程運行期間，文件描述符的限制爲2048個。

服務端程序修改如下所示：

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<netinet/in.h>
#include<string.h>
#include<signal.h>
#include<sys/wait.h>
#include<poll.h>//poll函數

#define ERR_EXIT(m) \
    do { \
        perror(m); \
        exit(EXIT_FAILURE); \
    } while (0)


int main(void)
{
    int count = 0;
    signal(SIGPIPE, SIG_IGN);
    int listenfd; //被動套接字(文件描述符），即只可以accept, 監聽套接字
    if ((listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0)
        ERR_EXIT("socket error");

    struct sockaddr_in servaddr;
    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_port = htons(5188);
    servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    /* servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1"); */
    /* inet_aton("127.0.0.1", &servaddr.sin_addr); */

    int on = 1;
    if (setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &on, sizeof(on)) < 0)
        ERR_EXIT("setsockopt error");

    if (bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0)
        ERR_EXIT("bind error");

    if (listen(listenfd, SOMAXCONN) < 0) //listen應在socket和bind之後，而在accept之前
        ERR_EXIT("listen error");

    struct sockaddr_in peeraddr; //傳出參數
    socklen_t peerlen = sizeof(peeraddr); //傳入傳出參數，必須有初始值

    int conn; // 已連接套接字(變爲主動套接字，即可以主動connect)
    int i;

    struct pollfd client[2048];//pollfd數組
    int maxi = 0; //client[i]最大不空閒位置的下標

    for (i = 0; i < 2048; i++)
        client[i].fd = -1;

    int nready;
    client[0].fd = listenfd;//監聽套接字加入client數組
    client[0].events = POLLIN;//events即感興趣事件，POLLIN表示有數據到來，文件描述符可讀

    while (1)
    {
        /* poll檢測[0, maxi + 1) */
        nready = poll(client, maxi + 1, -1);//poll會檢測所有存在的文件描述符，maxi爲文件描述符所在數組的最大下標
        if (nready == -1)
        {
            if (errno == EINTR)
                continue;
            ERR_EXIT("poll error");
        }

        if (nready == 0)
            continue;

        if (client[0].revents & POLLIN)//client[0]表示的監聽套接字，將POLLIN事件加入返回事件
        {

            conn = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&peeraddr, &peerlen); //accept不再阻塞
            if (conn == -1)
                ERR_EXIT("accept error");

            for (i = 1; i < 2048; i++)
            {
                if (client[i].fd < 0)
                {
                    client[i].fd = conn;//連接套接字加入client數組
                    if (i > maxi)
                        maxi = i;//修改最大下標
                    break;
                }
            }

            if (i == 2048)
            {
                fprintf(stderr, "too many clients\n");
                exit(EXIT_FAILURE);
            }

            printf("count = %d\n", ++count);
            printf("recv connect ip=%s port=%d\n", inet_ntoa(peeraddr.sin_addr),
                   ntohs(peeraddr.sin_port));

            client[i].events = POLLIN;//連接進來的套接字的事件改爲有數據到來即可讀

            if (--nready <= 0)//第一次調用的時候nready爲1
                continue;
        }

        for (i = 1; i <= maxi; i++)//i從1開始表示除去第一個監聽套接字。
        {
            conn = client[i].fd;
            if (conn == -1)
                continue;
            if (client[i].revents & POLLIN)
            {

                char recvbuf[1024] = {0};
                int ret = read(conn, recvbuf, 1024);
                if (ret == -1)
                    ERR_EXIT("read error");
                else if (ret  == 0)   //客戶端關閉
                {
                    printf("client  close \n");
                    client[i].fd = -1;
                    close(conn);
                }

                fputs(recvbuf, stdout);
                write(conn, recvbuf, strlen(recvbuf));

                if (--nready <= 0)
                    break;
            }
        }


    }

    return 0;
}
/* poll 只受一個進程所能打開的最大文件描述符限制，這個可以使用ulimit -n調整 */

來看一下輸出：

服務器端：

客戶端：

可以看到現在最大的連接數已經是2045個了，雖然服務器端有某個連接沒有accept 返回。即poll 比 select 能夠承受更多的併發連接，只受一個進程所能打開的最大文件描述符個數限制。可以通過ulimit -n  修改，但一個系統所能打開的文件描述符個數也是有限的，這跟系統的內存大小有關係，所以說也不是可以無限地並發，可以查看一下本機的容量：

本機是虛擬機，內存大約1G，能夠打開的文件描述符個數大約在10w個左右。