【高性能服务器】select模型

我要成为C++领域大神2024-07-05 17:49

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IO多路复用就是复用一个线程，从原先一个客户端需要一个线程去调用recv询问内核数据是否已经就绪，那么多个客户端就需要多个线程，转变成现在多个客户端都用一个线程使用select/poll去统一管理，主动通知用户哪些数据已经就绪（read，write，accept等事件），所以复用了这个线程，减少了系统开销。

在客户端增加时，线程不会呈O(n)增加。

关于recv和accept工作流程

accpet通过服务端文件描述符监听socket事件，当监听到READ_EVENT事件时，说明有其他网络端向此socket发送数据，触发socket读事件（三次握手中客户端会发送数据），建立TCP连接。

recv通过客户端文件描述符监听socket事件，当监听到READ_EVENT事件，处理事件，将数据读取到用户缓冲区buffer

通过IO复用，实现监听到socket事件就绪后，直接调用accpet或recv即可，直接完成TCP连接或者数据读取，两个函数不会阻塞。

可以实现单进程一对多效果，但是没有使用并发技术

处理的业务复杂度不能过高，要在极短的时间内处理若干任务，投入二次监听

IO多路复用第一版select
实现原理

select 实现多路复用的方式是，将已连接的 Socket 都放到一个监听集合 ，然后调用 select 函数将文件描述符集合拷贝 到内核里，让内核来检查是否有网络事件产生，就是通过遍历监听集合的方式进行检查。

当检查到有事件产生后，将此 Socket 标记为可读或可写， 接着再把整个文件描述符集合拷贝 回用户态里，然后用户态还需要再通过遍历的方法找到可读或可写的 Socket，然后再对其处理。

所以，对于 select 这种方式，需要进行 2 次「遍历」文件描述符集合 ，一次是在内核态里，一个次是在用户态里 ，而且还会发生 2 次「拷贝」文件描述符集合，先从用户空间传入内核空间，由内核修改后，再传出到用户空间中。

select 使用固定长度的 BitsMap，表示文监听集合，而且所支持的文件描述符的个数是有限制的，在 Linux 系统中，由内核中的 FD_SETSIZE 限制， 默认最大值为 1024，最多只能监听1021个用户socket，因为0、1、2是标准文件描述符。

监听集合中对应的socket位码是1，表示监听次socket，为0表示不监听

在select这种I/O多路复用机制下，我们需要把想监控的文件描述集合通过函数参数的形式告诉select，然后select会将这些文件描述符集合拷贝到内核中，我们知道数据拷贝是有性能损耗的，因此为了减少这种数据拷贝带来的性能损耗，Linux内核对集合的大小做了限制，并规定用户监控的文件描述集合不能超过1024个，同时当select返回后我们仅仅能知道有些文件描述符可以读写了，但是我们不知道是哪一个，因此必须再遍历一边找到具体是哪个文件描述符可以读写了。

实现流程
核心接口

void FD_ZERO(fd_set *fdset) 初始化监听集合为0

void FD_SET(int fd ,fd_set *fdset) 对set集合中fd对应位码设置为1

void FD_CLR(int fd ,fd_set *fdset) 对set集合中fd对应位码设置为0

int bitcode=void FD_ISSET(int fd ,fd_set *fdset) 查看fd在监听集合中是1还是0，并直接返回

int ready=select(int nfds, fd_set* readset, fd_set* writeset, fd_set* exeptset,struct timeval* timeout);

nfds表示被select管理的描述符个数。值为最大描述符+1.不是描述符最大值

readset、writeset、exeptset可读事件集合、可写事件集合、异常事件集合。这三者都可以填null

timeout超时时间有三种含义: 阻塞(null)、正常超时、非阻塞(0)

使用服务器测试业务：

客户端向标准输入发送小写字符串，服务端响应回复对应大写字符，"abcAS"->"ABCAS"

客户端向服务端发送关键字localtime，服务端响应回复系统时间、

代码实现

MySock.h

cpp 复制代码 
#ifndef _MYSOCK_H_
#define _MYSOCK_H_

#include <arpa/inet.h>
#include <ctype.h>
#include <errno.h>
#include <netinet/in.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/select.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <time.h>
#include <unistd.h>

int SOCKET(int domain, int type, int protocol);
int BIND(int sockfd, struct sockaddr* addr, socklen_t addrlen);
ssize_t RECV(int sockfd, void* buf, size_t len, int flags);
ssize_t SEND(int sockfd, void* buf, size_t len, int flags);
int CONNECT(int sockfd, struct sockaddr* addr, socklen_t addrlen);
int ACCEPT(int sockfd, struct sockaddr* addr, socklen_t* addrlen);
int LISTEN(int sockfd, int backlog);
char* FGETS(char* s, int size, FILE* stream);
int SELECT(int nfds, fd_set* readfds, fd_set* writefds, fd_set* exceptfds,
           struct timeval* timeout);
int socket_init();
int return_response(int clientfd, const char* clientip);
//void strDeal(int *client_fd);

// 全局变量声明
char recv_buf[1024];
char time_buf[64];
int serverFd, clientFd;
struct sockaddr_in clientAddr;
fd_set set, oset;
int client_array[1020];
int maxfd, ready;
socklen_t addrlen;
char clientip[16];
time_t tp;
ssize_t recvlen;
int toupper_flag;
#define SHUTDOWN 1
#endif

MySock.c

cpp 复制代码 
#include "MySock.h"

int SOCKET(int domain, int type, int protocol) {
    int reval = socket(domain, type, protocol);
    if (reval == -1) {
        perror("socket call failed");
        exit(0);
    }
    return reval;
}

int BIND(int sockfd, struct sockaddr* addr, socklen_t addrlen) {
    int reval = bind(sockfd, addr, addrlen);
    if (reval == -1) {
        perror("bind call failed");
        exit(0);
    }
    return reval;
}

ssize_t RECV(int sockfd, void* buf, size_t len, int flags) {
    ssize_t reval;
    reval = recv(sockfd, buf, len, flags);
    return reval;
}

ssize_t SEND(int sockfd, void* buf, size_t len, int flags) {
    ssize_t reval;
    reval = send(sockfd, buf, len, flags);
    if (reval == -1)
        perror("send call failed");
    return reval;
}

int CONNECT(int sockfd, struct sockaddr* addr, socklen_t addrlen) {
    int reval = connect(sockfd, addr, addrlen);
    if (reval == -1) {
        perror("connect call failed");
        exit(0);
    }
    return reval;
}

int ACCEPT(int sockfd, struct sockaddr* addr, socklen_t* addrlen) {
    int reval = accept(sockfd, addr, addrlen);
    if (reval == -1) {
        perror("accept call failed");
        exit(0);
    }
    return reval;
}

int LISTEN(int sockfd, int backlog) {
    int reval = listen(sockfd, backlog);
    if (reval == -1) {
        perror("listen call failed");
        exit(0);
    }
    return reval;
}

char* FGETS(char* s, int size, FILE* stream) {
    char* str;
    if ((str = fgets(s, size, stream)) != NULL) {
        return str;
    } else {
        perror("fgets call failed");
        exit(0);
    }
}

int SELECT(int nfds, fd_set* readfds, fd_set* writefds, fd_set* exceptfds,
           struct timeval* timeout) {
    int reval = select(nfds, readfds, writefds, exceptfds, timeout);
    if (reval == -1) {
        perror("select call failed");
        exit(0);
    }
    return reval;
}

int socket_init() {
    struct sockaddr_in sockAddr;
    sockAddr.sin_family = AF_INET;
    sockAddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    sockAddr.sin_port = htons(8080);
    int sock_fd = SOCKET(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    BIND(sock_fd, (struct sockaddr*)&sockAddr, sizeof(sockAddr));
    LISTEN(sock_fd, 5);
    return sock_fd;
}

int return_response(int clientfd, const char* clientip) {
    char response[1024];
    bzero(response, sizeof(response));
    sprintf(response, "Hi [%s],This is TCP Server Working...\n", clientip);
    SEND(clientfd, response, sizeof(response), 0);
}

SelectServer.c

cpp 复制代码 
#include "MySock.h"

int main() {
    bzero(recv_buf, sizeof(recv_buf));
    bzero(time_buf, sizeof(time_buf));
    bzero(clientip,sizeof(clientip));
    serverFd = socket_init();
    FD_SET(serverFd, &set); // 设置监听
    int i;
    for (i = 0; i < 1020; ++i) {
        client_array[i] = -1;
    }

    maxfd = serverFd;

    printf("Test Select Server is Running...\n");

    while (SHUTDOWN) {
        oset = set;
        ready = SELECT(maxfd+1, &oset, NULL, NULL, NULL);
        while (ready) { // 辨别就绪
            if (FD_ISSET(serverFd, &oset)) {
                addrlen = sizeof(clientAddr);
                clientFd =ACCEPT(serverFd, (struct sockaddr*)&clientAddr, &addrlen);
                inet_ntop(AF_INET, &clientAddr.sin_addr.s_addr, clientip, 16);
                printf("Listen Server Socket Successfully Call Accept, Client IP [%s], PORT[%d]\n",clientip, ntohs(clientAddr.sin_port));
                return_response(clientFd, clientip);
                if (maxfd < clientFd)
                    maxfd = clientFd;
                for (i = 0; i < 1020; ++i)
                    if (client_array[i] == -1) {
                        client_array[i] = clientFd;
                        break;
                    }
                FD_SET(clientFd, &set);//新socket设置监听
                FD_CLR(serverFd,&oset);//处理完毕，清理就绪集合
            } else {
                // 仅处理一次客户端请求，单进程不允许客户端持续占用
                for (i = 0; i < 1020; ++i)
                    {if (client_array[i] != -1)
                        if (FD_ISSET(client_array[i], &oset))
                        {
                            if ((recvlen = RECV(client_array[i], recv_buf, sizeof(recv_buf), 0)) >0) 
                             { // 处理客户端业务
                                    printf("Client Say:%s\n", recv_buf);
                                    if (strcmp(recv_buf, "localtime") == 0) {
                                        tp = time(NULL); // 获取时间种子
                                        ctime_r(&tp, time_buf);
                                        time_buf[strcspn(time_buf, "\n")] = '\0';
                                        printf("[%s]Response SysTime Successfully!\n", clientip);
                                        SEND(client_array[i], time_buf, strlen(time_buf) + 1, 0);
                                        bzero(time_buf, sizeof(time_buf));
                                    } else {
                                        toupper_flag = 0;
                                        while (recvlen > toupper_flag) {
                                            recv_buf[toupper_flag] = toupper(recv_buf[toupper_flag]);
                                            ++toupper_flag;
                                        }
                                        printf("[%s]Response Toupper Successfully!\n", clientip);
                                        SEND(client_array[i], recv_buf, recvlen, 0);
                                        bzero(recv_buf, sizeof(recv_buf));
                                    }
                                } else if (recvlen == 0) {
                                    FD_CLR(client_array[i], &set); // 删除监听
                                    close(client_array[i]);
                                    client_array[i] = -1;
                                    printf("Client is Exiting, Delete Listen Item.\n");
                                }
                                FD_CLR(client_array[i],&oset);//处理完毕，清理就绪集合
                                break;
                            }
                    }
            }
            ready--;
        }
    }

    printf("Server is Over\n");
    close(serverFd);
    return 0;
}

Client.c

cpp 复制代码 
#include "MySock.c"


//客户端源码编写，连接服务器成功，服务器反馈信息

#define _IP "xxx.xxx.xxx.xxx"
#define _PORT 8080
int main()
{
    struct sockaddr_in ServerAddr;
    bzero(&ServerAddr,sizeof(ServerAddr));
    ServerAddr.sin_family=AF_INET;
	ServerAddr.sin_port=htons(_PORT);
    inet_pton(AF_INET,_IP,&ServerAddr.sin_addr.s_addr);
    
    int Myfd=SOCKET(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    //看需求决定是否要绑定
    char Response[1024];//存放服务端反馈信息
    ssize_t recvlen;
    bzero(Response,sizeof(Response));
    char sendbuf[1024];
    
    if((CONNECT(Myfd,(struct sockaddr *)&ServerAddr,sizeof(ServerAddr)))==0)
    {
    while(1)
    {    
     if((recvlen=RECV(Myfd,Response,sizeof(Response),0))>0)
     {
         printf("%s\n",Response);
     }
    
    printf("Please Type Some text:");//读取标准输入发送给服务端
    FGETS(sendbuf,sizeof(sendbuf),stdin);    
    sendbuf[strcspn(sendbuf,"\n")]='\0';
    SEND(Myfd,sendbuf,sizeof(sendbuf),0);
    }
    }
    close(Myfd);
    printf("Client is Over\n");
    return 0;
}
运行结果

IO多路复用实现使用一个进程实现多个客户端的统一管理

select模式优缺点

优点

1.可以通过简单的代码实现一对多效果， 比较轻量

2.select模型拥有较强的兼容性，各个平台和语言都有实现

3.支持微秒级别的定时阻塞监听，如果对时间精度有需求，select可以满足

4.较为适合监听数量较小(局域网)等场景

缺点：

1.监听数量较小，最大只能监听1024,无法满足 高并发需求

2.轮询问题， 随着轮询数量的增长，IO处理性能呈线性下降

3.用户需要对传出传出监听集合进行分离设置

4.select只返回就绪的数量，没有反馈就绪的socket，需要用户自行遍历查找，开销较大

5.select可以监听的事件数量较少，select设置监听是批处理以集合为单位的无法对不同的socket 设置不同的事件监听

6.select多轮使用会出现大量重复的拷贝开销和挂载监听开销

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