计算机网络之多路转接select

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计算机网络之多路转接select

收录于专栏【计算机网络】
本专栏旨在分享学习计算机网络的一点学习笔记，欢迎大家在评论区交流讨论💌

[初始 select](#初始 select)

[select 函数原型](#select 函数原型)

[理解 select 执行过程](#理解 select 执行过程)

[socket 就绪条件](#socket 就绪条件)

[select 的特点](#select 的特点)

[select 缺点](#select 缺点)

[select 使用示例：检测标准输入输出](#select 使用示例：检测标准输入输出)

初始 select

系统提供 select 函数来实现多路复用输入/输出模型。

select 系统调用是让我们的程序监视多个文件描述符的状态变化的

程序会停在 select 这里等待，知道被监视的文件描述符有一个或多个发生了状态变化；

select 函数原型

select 的函数原型如下：

cpp 复制代码

#include <sys/select.h>
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set
*exceptfds, struct timeval *timeout);

参数解释：

参数 nfds 是需要监视的最大的文件描述符 +1；

rdset，wrset，exset 分别对应于需要检测的可读文件描述符的集合，可写文件描述符的集合及异常文件描述符的集合；

参数 timeout 为结构 timeval，用来设置 select（）的等待时间；

参数 timeout 取值：

NULL ：则表示 select() 没有 timeout，select 将一直被阻塞，直到某个文件描述符上发生了事件；

0：仅检测描述符集合的状态，然后立即返回，并不等待外部事件的发生。

特定的时间值：如果在指定的时间段里没有事件发生，select 将超时返回。

关于 fd_set 的结构

其实这个结构就是一个整数数组，更严格的说，是一个 "位图"。使用位图中对应的位来表示要监视的文件描述符。

提供了一组操作 fd_set 的接口，来比较方便的操作位图。

cpp 复制代码

void FD_CLR(int fd, fd_set *set); // 用来清除描述词组set 中相关fd 的位
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set); // 用来测试描述词组set 中相关fd 的位是否为真
void FD_SET(int fd, fd_set *set); // 用来设置描述词组set 中相关fd 的位
void FD_ZERO(fd_set *set); // 用来清除描述词组set 的全部位

关于 timeval 结构

timeval 结构用于描述一段时间长度，如果在这个时间内，需要监视的描述符没有事件发生则函数返回，返回值为0.

cpp 复制代码

struct timeval
{
    __time_t tv_sec;
    __suseconds_t tv_usec;
};

函数返回值：

执行成功则返回文件描述词状态改变的个数

如果返回0代表在描述词状态改变前已超过 timeout 时间，没有返回

当有错误发生时则返回-1，错误原因存于 errno，此时参数 readfds，writefds，exceptfds 和 timeout 的值变成不可预测。

错误值可能为：

EBADF 文件描述词为无效的或文件已关闭

EINTR 此调用被信号所中断

EINVAL 参数 n 为负值

ENOMEM 核心内存不足

常见的程序片段如下：

cpp 复制代码

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

理解 select 执行过程

理解 select 模型的关键在于理解 fd_set，为说明方便，取 fd_set 长度为 1 字节，fd_set 中每一 bit可以对应一个文件描述符 fd。则 1 字节长的 fd_set 最大可以对应 8 个 fd。

（1）执行 fd_set set；FD_ZERO(&set)；则 set 用位表示是 0000，0000。

（2）若 fd = 5，执行 FD_SET(fd,&set)；后 set 变为 0001，0000（第 5 位置为 1）

（3）若再加入 fd = 2，fd = 1，则 set 变为 0001，0011

（4）执行 select（6, &set, 0, 0, 0) 阻塞等待

（5）若 fd = 1，fd = 2 上都发生可读事件，则 select 返回，此时 set 变为 0000，0011。注意：没有事件发生的 fd = 5 被清空。

socket 就绪条件

读就绪

socket 内核中，接收缓冲区中的字节数，大于等于低水位标记 SO_RCVLOWAT。此时可以无阻塞的读该文件描述符，并且返回值大于0；

socket TCP 通信中，对端关闭连接，此时对该 socket 读，则返回 0；

监听的 socket 上有新的连接请求；

socket 上有未处理的错误；

写就绪

socket 内核中，发送缓冲区中的可用字节数（发送缓冲区的空闲位置大小），大于等于低水位标记 SO_SNDLOWAT，此时可以无阻塞的写，并且返回值大于0；

socket 的写操作被关闭（close 或者 shutdown）。对一个写操作被关闭的 socket 进行写操作，会触发 SIGPIPE 信号；

socket 使用非阻塞 connect 连接成功或失败之后；

socket 上有未读取的错误；

异常就绪

socket 上收到带外数据。关于带外数据，和 TCP 紧急模式相关（回忆 TCP 协议头中，有一个紧急指针的字段）

select 的特点

可监控的文件描述符个数取决于 sizeof(fd_set) 的值。我这边服务器上 sizeof(fd_set) = 512，每 bit 表示一个文件描述符，则我服务器上支持的最大文件描述符是 512*8 = 4096 。

将 fd 加入 select 监控集的同时，还要再使用一个数据结构 array 保存放到 select 监控集中的 fd：

一使用于再 select 返回后，array 作为源数据和 fd_set 进行 FD_ISSET 判断。

二是 select 返回后会把以前加入的但并无事件发生的 fd 清空，则每次开始 select 前都要重新从 array 取得 fd 逐一加入（FD_ZERO最先），扫描 array 的同时取得 fd 最大值 maxfd，用于 select 的第一个参数。

fd_set 的大小可以调整，可能涉及到重新编译内核。

select 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 很多时候会很大

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 很多时候会很大

select 支持的文件描述符数量太小。

select 使用示例：检测标准输入输出

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/select.h>
int main()
{
    fd_set read_fds;
    FD_ZERO(&read_fds);
    FD_SET(0, &read_fds);
    for (;;)
    {
        printf("> ");
        fflush(stdout);
        int ret = select(1, &read_fds, NULL, NULL, NULL);
        if (ret < 0)
        {
            perror("select");
            continue;
        }
        if (FD_ISSET(0, &read_fds))
        {
            char buf[1024] = {0};
            read(0, buf, sizeof(buf) - 1);
            printf("input: %s", buf);
        }
        else
        {
            printf("error! invaild fd\n");
            continue;
        }
        FD_ZERO(&read_fds);
        FD_SET(0, &read_fds);
    }
    return 0;
}

当只有文件描述符 0 （标准输入）时，因为输入条件只有在你输入信息的时候，才成立，所有如果一直不输入，就会产生超时信息。

int ret = select(1, &read_fds, NULL, NULL, NULL);

select 函数会阻塞直到某些文件描述符准备好进行读写操作。在这里：

1 表示最多监视一个文件描述符。

&read_fds 是一个指向 fd_set 结构的指针，表示监视哪些文件描述符的读事件。

NULL 表示不关心写事件。

NULL 表示不关心异常事件。

最后一个 NULL 参数表示 select 函数将永远阻塞，直到文件描述符就绪。

select 返回值表示就绪的文件描述符数量，若返回值小于 0，则说明出现了错误。

**FD_ISSET(0, &read_fds)**用来检查文件描述符 0（标准输入）是否有数据可读。如果标准输入有数据，则执行读取操作：

**read(0, buf, sizeof(buf) - 1)**从标准输入读取数据存储到 buf 中，最多读取 1023 个字节（因为最后留了一个位置给 \0）。

然后打印出用户输入的内容。