碌碌无为，则余生太长；
欲有所为，则人生苦短。
--- 中岛敦 《山月记》---
从零开始认识五种IO模型
- [1 前言](#1 前言)
- [2 认识多路转接select](#2 认识多路转接select)
- [3 多路转接select等待连接](#3 多路转接select等待连接)
- [4 完善代码](#4 完善代码)
- [5 总结](#5 总结)
1 前言
上一篇文章我们讲解了五种IO模型的基本概念，并通过系统调用使用了非阻塞IO。
一般的服务器不会使用非阻塞IO，因为非阻塞IO非常耗费CPU资源，导致CPU发热效率下降！非阻塞IO只有在特定情况下才比较好用！
今天我们来学习多路转接 select。
我们知道IO = 等 + 拷贝。拷贝的前提是底层有数据，没有数据的时候就需要进行等待。为了提高效率可以等待多个文件描述符。多路转接就是等待文件描述符上的新事件，等到就可以通知程序员事件已经就绪，可以进行拷贝！
这个事件可以是：
- 读事件就绪：OS底层有数据了
- 写事件就绪：OS底层有空间了
今天我们要学习的就是多路转接select
2 认识多路转接select
我们先来看其作用与定位：
- select的定位是：只在IO中只负责等待，不进行拷贝！ 并且select可以等待多个文件描述符，有新事件就进行通知。
来看select系统调用：
c
SELECT(2) Linux Programmer's Manual SELECT(2)
NAME
select, pselect, FD_CLR, FD_ISSET, FD_SET, FD_ZERO - synchronous I/O multiplexing
SYNOPSIS
#include <sys/select.h>
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,
fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
void FD_CLR(int fd, fd_set *set);
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set);
void FD_SET(int fd, fd_set *set);
void FD_ZERO(fd_set *set);
int pselect(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,
fd_set *exceptfds, const struct timespec *timeout,
const sigset_t *sigmask);
Feature Test Macro Requirements for glibc (see feature_test_macros(7)):
pselect(): _POSIX_C_SOURCE >= 200112Lselect函数中有5个参数，都是用来干什么的呢？
int nfds：输入性参数 ，表示等待的多个文件描述符最大值 加 1 。比如等待1 2 5 6 99这几个文件描述符，那么就要传入100。注意不是文件描述符的个数！struct timeval *timeout：输入输出性参数 ，这是一个结构体表示微秒级别的时间戳 ，其中有两个参数分别表示秒和微秒。这个参数告诉select在这个时间戳内进行阻塞式select，超出时间就进行一次返回。如果时间以内等到了新事件，就返回，并把剩余时间返回。传入{0，0}就是非阻塞轮询了。传入nullptr表示一直阻塞等待事件 。
那么现在我们知道了两个参数，我们探索一下返回值：
- 大于0：有几个就绪了
- 等于0：超时返回了
- 小于0：select出错了
那么其他三个参数呢？首先fd_set代表文件描述符集，是用位图进行维护的！位图下标表示文件描述符，该比特位的内容表示对应信息！一共1024比特位，可以表示1024个文件描述符，下面我们就来了解一下这三个参数：
这三个参数都是fd_set，是输入输出参数，分别对应读事件，写事件，异常事件。通过这三个位图的设置，我们就可以对一个文件描述符的操作指明清楚。今天我们以读事件为例进行讲解：
- 输入时：传入一个读事件文件描述符，就是告诉OS要帮我们关心fd_set集合中的所有fd的读事件。这里比特位的位置表示文件描述符的编号，比特位的内容表示是否关心fd的读事件!
- 输出时：OS会返回一个读事件文件描述符，表示你让我关心的文件描述符集中哪些已经就绪了！这里比特位的位置表示文件描述符的编号，比特位的内容表示事件是否发生！
OK，现在我们了解了select的基本参数，下面我们就开始使用select进行编程
3 多路转接select等待连接
我们首先把之前的套接字基础的类拷贝过来：
class Socket:实现套接字的创建工作，并进入监听模式。class InetAddr:网络套接字基本信息类，用于进行网络套接字传参工作。class Log:进行日志信息的打印，便于调试
然后我们就来设计Selectsever类：
- 成员变量需要端口号，TcpSocket套接字类
- 构造函数中进行端口号的初始化，并创建套接字，设置为监听模式
- 循环函数中不能直接进行accept获取连接，因为底层不一定有数据，直接进行会阻塞式等待。所以我们可以把accept看做IO函数，将等的任务交给select函数。
- select函数需要对监听套接字进行等待
cpp
#pragma once
#include "Socket.hpp"
#include <sys/select.h>
#include "Log.hpp"
using namespace socket_ns;
using namespace log_ns;
class SelectServer
{
public:
SelectServer(uint16_t port) : _port(port),_listensock(std::make_unique<TcpSocket>())
{
// 建立监听套接字
_listensock->BuildListenSocket(_port);
}
~SelectServer()
{};
void Initserver()
{
}
void Loop()
{
//进入服务
while(true)
{
//不能直接进行accept 因为底层不一定建立了连接,所以需要等待底层就绪
//等待过程交给select
//_listensock->Accepter();
//创建fd_set
fd_set rfds ;
FD_ZERO(&rfds);
//加入监听套接字文件描述符
FD_SET( _listensock->GetSockfd() , &rfds);
//创建timeout
struct timeval timeout = {3 , 0};
//进行select
int n = ::select(_listensock->GetSockfd() + 1 , &rfds , nullptr , nullptr , &timeout);
switch (n)
{
case 0:
//超时
LOG(DEBUG , "timeout : %d.%d\n" , timeout.tv_sec , timeout.tv_usec);
break;
case -1:
//出错了
LOG(ERROR, "select error\n");
break;
default:
//正常
LOG(INFO, "have event ready: n = %d\n" , n);
//执行任务
HandlerEvent(rfds);
break;
}
}
}
private:
uint16_t _port;
std::unique_ptr<Socket> _listensock;
};我们运行程序来看等待效果：
可以正常的进行等待，当我们进行连接时：
select函数就能告诉我们有哪些文件描述符就绪，可以进行拷贝。这里可以得到一个现象：
- 如果事件就绪，但是不处理，select就会一直通知我们，直到我们处理这个事件。
当我们知道底层就绪时，我们就可以进行"拷贝"了：
cpp
void HandlerEvent(fd_set& rfds)
{
//判断是否是套接字就绪
if(FD_ISSET(_listensock->GetSockfd() , &rfds))
{
//连接事件就绪
//那么这里我们可以进行accept吗？
InetAddr addr;
int sockfd = _listensock->Accepter(&addr);//已经就绪 ,不会阻塞
//这时会得到一个新连接
if(sockfd > 0)
{
LOG(DEBUG ,"get a new link , client info %s:%d\n" , addr.Ip().c_str() ,addr.Port());
//TODO
}
else
{
return ;
}
}
}但是有几个问题：
- 在上面的handler函数中，我们已经获取到了连接，那么下面敢不敢直接进行读取呢？
当然不能，因为建立连接并不代表会有请求传过来！所以还需要等待请求！ - 那么怎么知道底层有没有就绪呢？
还是通过select进行等待，想办法将新的fd添加给select，进行统一管理！ - 那么这样select等待的fd不就越来越多，这要怎么进行维护呢？
通过辅助数据结构进行维护！由于select接口的参数是输入输出性，无法保存文件描述符，所以必然需要额外的数据结构进行维护文件描述符！
4 完善代码
针对上面的三个问题，我们首先要做的就是想办法通过一个数据结构维护需要进行select的文件描述符。每次进入循环进行select时，就要通过这个数据结构初始化rfds！然后在通过对返回值的rfds与辅助数据结构中的文件描述符进行比对，对有新事件的文件描述符进行处理！
对于这个数据结构我们选择最简单的一维C风格数组即可！进行初始化时都设置为默认值-1
cpp
const static int gnum = sizeof(fd_set) * 8;
const static int gdefault = -1;
//...
void Initserver()
{
// 对数组进行初始化
for (int i = 0; i < gnum; i++)
{
fd_array[i] = gdefault;
}
// 加入监听套接字
fd_array[0] = _listensock->GetSockfd();
}
//...
// 辅助数组
int fd_array[gnum];通过这个数组，当我们进行循环时，每次就都需要通过这个数组进行初始化rfds。
cpp
void Loop()
{
// 进入服务
while (true)
{
// 创建fd_set
fd_set rfds;
FD_ZERO(&rfds);
int max_fd = 0;
// 首先根据fd_array将合法fd加入到rfds
for (int i = 0; i < gnum; i++)
{
if (fd_array[i] == gdefault)
continue;
// 加入合法的文件描述符
FD_SET(fd_array[i], &rfds);
// 维护一个文件描述符最大值
if (fd_array[i] > max_fd)
max_fd = fd_array[i];
}
// 创建timeout
struct timeval timeout = {30, 0};
// 进行select
int n = ::select(max_fd + 1, &rfds, nullptr, nullptr, &timeout);
switch (n)
{
case 0:
// 超时
LOG(DEBUG, "timeout : %d.%d\n", timeout.tv_sec, timeout.tv_usec);
break;
case -1:
// 出错了
LOG(ERROR, "select error\n");
break;
default:
// 正常
LOG(INFO, "have event ready: n = %d\n", n);
// 处理事件
HandlerEvent(rfds);
PrintDebug();
break;
}
}
}接下来我们来看handlerevent函数，进行select之后，如果有事件就绪，程序就会进入handlerevent函数。那么我们要如何判断是哪一个文件操作符的事件就绪了呢？
- 直接遍历数组，进行
FD_ISSET，通过对每一个合法fd进行判断，我们就能够知道是哪一个文件操作符有事件就绪！ - 如果是listenfd就绪，说明有新连接，需要进行accepter获取新连接的fd，将其存入到文件描述符数组中！
- 如果是普通fd就绪，我们进行读写操作即可，如果有连接退出了，要及时更新数组。
cpp
void Accepter()
{
// 连接事件就绪
InetAddr addr;
int sockfd = _listensock->Accepter(&addr); // 已经就绪 ,不会阻塞
// 这时会得到一个新连接
if (sockfd > 0)
{
LOG(DEBUG, "get a new link , client info %s:%d\n", addr.Ip().c_str(), addr.Port());
// 将新获取的fd加入到数组中
LOG(INFO, "get new fd :%d\n", sockfd);
bool flag = false;
for (int i = 0; i < gnum; i++)
{
if (fd_array[i] == gdefault)
{
flag = true;
fd_array[i] = sockfd;
break;
}
else
continue;
}
if (flag == false)
{
LOG(WARNING, "fd_array have fill!\n");
}
}
}
void HandlerIO(int &fd)
{
char buffer[1024];
int n = ::recv(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0);
if (n > 0)
{
// 读取到了数据
buffer[n] = 0;
std::string echo_str = "[client say]#";
echo_str += buffer;
std::cout << echo_str << std::endl;
// 返回一个报文
std::string content = "<html><body><h1>hello bite</h1></body></html>";
std::string ret_str = "HTTP/1.0 200 OK\r\n";
ret_str += "Content-Type: text/html\r\n";
ret_str += "Content-Length: " + std::to_string(content.size()) + "\r\n\r\n";
ret_str += content;
// echo_str += buffer;
::send(fd, ret_str.c_str(), ret_str.size(), 0); // 临时方案
}
else if (n == 0)
{
// 此时fd退出了
LOG(INFO, "fd:%d quit!\n", fd);
::close(fd);
fd = gdefault;
}
else
{
LOG(ERROR, "recv error! errno:%d\n", errno);
::close(fd);
fd = gdefault;
}
}
void HandlerEvent(fd_set &rfds)
{
// 遍历fd_array判断是否有就绪的新事件
for (int i = 0; i < gnum; i++)
{
if (fd_array[i] == gdefault)
continue;
// 如果有新事件
if (FD_ISSET(fd_array[i], &rfds))
{
// 进行判断是scokfd 还是普通fd
if (fd_array[i] == _listensock->GetSockfd())
{
Accepter();
}
// 普通fd 进行正常读写
else
{
HandlerIO(fd_array[i]);
}
}
}
}这样就使用select完成了对连接的获取读取工作！来看效果：
可以看到，我们的数组中的有效fd随着客户端连接与中断会动态变化！
5 总结
根据上面的代码，我们可以总结出select的一些优缺点：
- 每次调用 select，都需要手动设置 fd 集合， 从接口使用角度来说也非常不便.
- 每次调用 select， 都需要把 fd 集合从用户态拷贝到内核态， 这个开销在 fd 很多时会很大。这个是多路转接IO无法避免的问题！
- 同时每次调用 select 都需要在内核遍历传递进来的所有 fd，这个开销在 fd 很多时很大。
- select 支持的文件描述符数量太小！虽然操作系统中文件描述符也有限制，但是这是操作系统的缺陷。同样select也是缺点
这里不断的要进行循环遍历数组，造成的性能开销是比较大的！所以就有了其他两种多路转接方案：poll与epoll