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高效IO——IO多路转接select
目录
一.概念
二.select函数
2.1 函数原型
2.2参数详细介绍
2.2.1 nfd
2.2.2readfds，writefds，errorfds
2.2.3 timeout
2.3. 网络中读/写/异常的就绪条件
2.4 select特点
2.5 select缺点
三.select的使用
一.概念
IO主要有两个动作，等待条件就绪和进行数据拷贝。高效IO就是将等待时间比重减小。
IO多路转接是高效IO的一种。通过调用select，poll，epoll在同一时刻等待多个文件描述符。当至少一个文件描述符准备就绪，再来进行IO操作时，就不需要等待了。
这样一次性等待多个文件描述符，条件就绪的概率增加了，等待的时间也会减少。
下文主要介绍select。
二.select函数
2.1 函数原型
#include <sys/select.h>int select(int nfds, fd_set *restrict readfds,fd_set *restrict writefds,fd_set *restrict errorfds,struct timeval *restrict timeout);作用：select可以监视多个文件描述符的状态，程序会停在select这里等待，直到一个或者多个文件描述符状态发生变化。
参数：
| 参数 | 作用 |
| nfd | 需要监视最大文件描述符值加1 |
| readfds | 类型为fd_set，可读文件文件描述符的集合，输入输出型参数 |
| writefds | 类型为fd_set，可写文件文件描述符的集合，输入输出型参数 |
| errorfds | 类型为fd_set，异常文件文件描述符的集合，输入输出型参数 |
| timeout | 结构为timeval，用来设置select等待时间，输入输出型参数 |
返回值：
- 执行成功返回文件描述符状态改变个数
- 返回0，说明等待时间超过timeout。
- 当有错误发生时返回-1，错误原因存于errno，此时参数readfds，writefds，errorfds和timeout的值变得不可预测。
- 错误码可能是：
- EBADF：文件描述词无效或者该文件已经关闭
- EINTR：此调用被信号中断
- EINVAL：参数n为负值
- ENOMEM：核心内存不足
- 错误码可能是：
2.2参数详细介绍
2.2.1 nfd
nfd：需要监视最大文件描述符值加1。
如果需要监视的文件描述符为1，2，3，4，nfd等于5。如果逍遥监视的文件描述符为1，5，nfd等于6。
2.2.2readfds，writefds，errorfds
readfds，writefds，errorfds是主要和类型fd_set有关。并且它们是类似的。
关于fd_set结构：
typedef struct
{
/*XPG4.2requiresthismembername.Otherwiseavoidthename
fromtheglobalnamespace.*/
#ifdef__USE_XOPEN
__fd_maskfds_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;fd_set是文件描述符集，结构实际是一个位图。
readfds，writefds，errorfds是输入输出参数，输入时是用户想告诉内核需要监视哪些文件描述符，当作为输出时，是内核想告诉用户，那些文件描述符已经就绪。
位图的对应位代表着要监视的文件描述符，比特位的内容，作为输入时，内容代表需要监视的文件，作为输出时，内容代表那些文件条件已经就绪。
比如：readfds：拿8位举例，作为输入时，当输入1001 0101时，是用户想告诉内核，需要监视文件描述符等于0，2，4，7的文件的读事件的状态。作为输出时，输出为1000 0001时，是内核想告诉用户，文件描述符为0，7的文件读事件一ing就绪，可以进行读操作。
内核监视文件的个数是确定的，说明内核监视文件的个数是有限的。内核监视多个文件描述符，采用监视的方法是轮询监视。
由于不同的系统fd_set实现方式可能不同，可能是数组，可能是结构体，所以提供了一组操作fd_set的接口，来对位图进行设置。
void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset); //用来清除fd_set中相关fd的位
int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset); //用来测试fd_set中相关fd的位是否为真
void FD_SET(int fd, fd_set *fdset); //用来设置fd_set中相关fd的位
void FD_ZERO(fd_set *fdset); //用来清除fd_set中的全部位，相当于初始化注意：用户输入了监视那些为你文件描述符，内核输出条件就绪的文件，一定只会是这些文件描述符里的子集。
2.2.3 timeout
timeout，结构是timeval。用来设置select等待时间。
关于timeval结构：
struct timeval
{time_t tv_sec; /* seconds 秒*/suseconds_t tv_usec; /* microseconds 微秒*/
};参数timeout的取值：
- NULL：表示select在没有文件条件就绪时，会阻塞等待。
- 0：非阻塞等待，不管条件就没就绪都会返回，用于检测监视的文件的状态。
- 特定的时间值：等待一段时间，在时间范围内有文件条件就绪，返回，超过时间select返回0。
timeout也是一个输入输出参数。当输入时，用户告诉内核等待时间timeout，当输出时，内核等待完毕，等待时间timeout就为0了。
注意：在编码时，由于readfds，writefds，errorfds和timeout都是输入输出型参数，当select一次后，重新select时，由于输出时已经改变参数的值，所以需要重新设定readfds，writefds，errorfds和timeout的值。
2.3. 网络中读/写/异常的就绪条件
读就绪
- 在socket内核中，接收缓存区的字节数，大于等于低水位标记SO_RCVLOWAT，此时可以无阻塞的读取该文件。
- 监听的socket上有了新的连接请求，socket连接请求也是以读的方式获取的。
- socketTCP通信，对端关闭连接，此时对该socket读返回0.
- socket上有未处理的错误。
写就绪
- socket内核中，发送缓冲区中的空闲位置大小，大于或者等于低水位标记。
- socket使用非阻塞connect连接成功或失败之后。
- socket的写操作被关闭，对于写操作被关闭的socket进行写操作，会触发SIGPIPE信号。
- socket上有为读取的错误。
异常就绪：
- socket收到带外数据。
2.4 select特点
- 内核可监控的文件是有限的，取决于fd_set的位数，即能监控的文件数为sizeof(fd_set)*8。
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>int main(){printf("%lu\n",sizeof(fd_set)*8); return 0;
}
不同系统值不同。
- 将fd加入select监控集中，还需要一个数组array来保存select监控的文件描述符。
- select返回后，需要对数组中保存每一个文件描述符进行判断，是否就绪。FD_ISSET。
- select返回后会改变fd_set文件描述符集，每次重新开始select时，需要重新设定数组中保存的文件描述符到fd_set中。FD_SET。并且需要保存文件描述符的最大值，用于select参数。
这个在下面编码是可以明显观察到。
2.5 select缺点
- 每次调用select，都需要程序员重新设定fd_set集合。
- 每次调用select，都需要把fd集合从用户态拷贝到内核，每次调用select都需要将要监视的文件事件，重新从用户拷贝到内核，这个开销在fd很多会很大。
- 内核在监视所有文件时，都需要不断遍历传进来的所有文件，轮询检测哪个文件事件就绪，这个开销在fd很多时会很大。
- select支持监视的文件数量是有限的。
三.select的使用
用select编写一个单进程echo服务器。
注意点：
- 需要用数组保存所有要监视的文件描述符。该文件描述符包括进行读的套接字文件描述符和连接套接字。
- 当没有连接时，accept会阻塞等待，所以连接也需要select等待。
- 连接是socket返回的套接字做的，有新连接来时，也是读就绪。
- IO读写是accept返回套接字做的，接收缓冲区的字节数大于低水位标记，读就绪。发送缓冲区剩余空间大小，大于低水位标记，写就绪。
- 当获取到连接，不是直接进行读写，而是将accept返回值放到数组中，如果直接读写，如果客户端没有发数据，又会阻塞。
- 注意fd_set位图需要用FD_ZERO初始化
再程序中有一个BUG，一次性读取并不一定将整个request全部读上来了，可能只读了一部分。我需要将整个数据读上来，再返回response给客户端。而我们定义的收集数据的缓冲区是一个局部变量，每次从调用函数都会被重新建立，之前数据不能保存了。
如果定义成全局，其它文件的数据也保存在缓冲区中，就乱了，所以要每一个文件描述符需要一个缓冲区。
我们可以定义一个map，键值key为文件描述符，value为缓冲区，每次将数据保存到对应文件描述符的缓冲区中。当整个数据时，再返回response。
但是在epoll中很好的解决了这个问题。
套接字设定：
#pragma once #include <iostream>
#include <string>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <fcntl.h>#define BLACKLOG 5
using namespace std;class Sock{public:static int Socket(){int sock = 0;sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if(sock < 0){cerr << "socket error"<<endl;exit(1);}return sock;}static void Bind(int sock, int port){struct sockaddr_in local;local.sin_family = AF_INET;local.sin_port = htons(port);local.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);if(bind(sock, (struct sockaddr *)&local, sizeof(local)) < 0){cerr << "bind error" <<endl;exit(3);}}static void Listen(int sock){if(listen(sock, BLACKLOG) < 0){cerr << "listen error"<<endl;exit(4);}}static int Accept(int lsock){struct sockaddr_in peer;socklen_t len = sizeof(peer);return accept(lsock, (struct sockaddr *)&peer, &len);}};
select服务器主体：
#pragma once #include "Sock.hpp"#define NUM sizeof(fd_set)*8//数组大小=最多能监视文件个数
#define DET_FD -1//数组默认文件描述符 class SelectServer{private:int _lsock;//套接字int _port;//端口号int array[NUM];//保存要监视的文件描述符public:SelectServer(int lsock = -1, int port = 8080):_lsock(lsock),_port(port){}void InitServer(){for(size_t i = 0; i < NUM; i++){array[i] = DET_FD;}_lsock = Sock::Socket();//端口复用 int opt = 1; setsockopt(_lsock, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt)); Sock::Bind(_lsock, _port);Sock::Listen(_lsock);array[0] = _lsock;}void AddtoArray(int index){//找到没有数组没有占用的位置size_t i = 0;for(; i < NUM; i++){if(array[i] == DET_FD){break;}}//满了if(i >= NUM){cout<<"select is full, close fd"<<endl;close(index);}else{array[i] = index;}}void Delete(size_t index){if(index >= 0 && index < NUM){array[index] = DET_FD;}}void Handle(int i){//IO条件就绪char buf[10240];ssize_t n = recv(array[i], buf, sizeof(buf), 0);if(n > 0){buf[n] = 0;cout<<buf<<endl;}else if(n == 0){//对端关闭cout<<"client close..."<<endl;close(array[i]);//文件已经关闭，还需要将数组文件描述符删除Delete(i);}else{cerr << "read error"<<endl;close(array[i]);Delete(i);}}void Start(){while(1){int maxfd = DET_FD;//重新设定，需要等待的文件fd_set readfds;//初始化fd_setFD_ZERO(&readfds);//找文件描述符，将要监视的fd_set对应位设置为1for(size_t i =0; i < NUM; i++){if(array[i] == DET_FD){continue;}cout <<array[i];FD_SET(array[i], &readfds);//找文件描述符最大值if(maxfd < array[i]){maxfd = array[i];}}cout<<endl;//struct timeval timeout = {5, 0};//struct timeval timeout = {0, 0};非阻塞等待//调用 select 等待多个文件//阻塞等待int fdn = select(maxfd+1, &readfds, nullptr, nullptr, nullptr);if(fdn > 0){//有文件就绪//找哪个文件就绪for(size_t i =0; i < NUM; i++){if(array[i] != DET_FD && FD_ISSET(array[i] , &readfds)){if(array[i] == _lsock){//有新连接int sock = Sock::Accept(array[i]);if(sock >= 0){cout << "get a link...."<<endl;//加入到数组中AddtoArray(sock);}}else{//进行IO操作Handle(i);}}}}//超时else if(fdn == 0){cerr << "select timeout..."<<endl;}//异常else{cerr <<"fdn:"<<fdn<< "select error"<<endl;}}}~SelectServer(){for(size_t i = 0; i < NUM; i++){if(array[i] != DET_FD){close(array[i]);}}}};
#include"selectServer.hpp"void Notice(string str){cout<<"Notice\n\t"<<"please enter port"<<endl;
}int main(int argc, char *argv[]){if(argc != 2){Notice(argv[0]);exit(1);}SelectServer *sser = new SelectServer(atoi(argv[1]));sser->InitServer();sser->Start();delete sser;return 0;
}
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