【C++高并发服务器WebServer】-14：Select详解及实现

本文目录

• 一、BIO模型
• 二、非阻塞NIO+忙轮询
• 三、IO多路复用
• 四、Select()多路复用实现

明确一下IO多路复用的概念：IO多路复用能够使得程序同时监听多个文件描述符（文件描述符fd对应的是内核读写缓冲区），能够提升程序的性能。

Linux下实现的I/O多路复用的系统调用主要有select、poll、epoll。

一、BIO模型

多进程服务器的缺点就是，线程或者进程会消耗资源（创建一个子进程会复制虚拟地址空间，占用的资源也就多了。线程来说相对来说比较好，因为共享了虚拟地址空间），然后线程或者进程调度消耗CPU资源。

没有引入多线程/多进程的时候，多个客户端来了，会在accept或者read/recv部分阻塞，导致其他的客户端不能进来。所以通过多线程/进程进行改进，在accept地方加入while循环，然后创建对应的线程，这样可以在线程内部进行读写。不会造成阻塞。

究其根本就是因为accept、read/recv是阻塞的，所以导致了要引入多线程进程解决阻塞的问题。并且在线程或者进程当中，read和recv也会阻塞。

二、非阻塞NIO+忙轮询

非阻塞+忙轮询的 这个模型就是设置accept/read不阻塞，但是需要一直轮询。缺点就是需要占用更多的CPU和系统资源。

非阻塞的模型如下图所示，所以需要某些数据结构来存储现有的client，那么每次进行read或者recv的时候就都得遍历，每次循环都得调用很多次的系统调用，那就是O（n）的复杂度。

为了解决这个问题，所以需要使用IO多路复用技术：select/poll/epoll.

三、IO多路复用

下图是select、poll的模式，就是设置一个代理来帮我们进行管理。委托内核来帮我们管理，检测对应的数据。就是假设有100个fd，那么需要内核需要帮我们管理这100个fd，内核其实检测fd中的读缓冲区是否有数据。有数据，就说明我们需要获取数据了。（底层是用二进制位的形式来检查，就是设置标志位是否为1）

缺点就是只会通知有多少个fd有动静，但是具体是哪个fd，需要我们挨个遍历一遍。

epoll相对于上面的优点就是能够通知有多少个fd有动静，然后还会说明具体是哪些fd。

四、Select()多路复用实现

select的主要思想就是：

首先需要构造一个包含文件描述符的列表，并将需要监听的文件描述符加入其中。

接着调用一个系统函数，该函数会阻塞地监听列表中的文件描述符。这个监听过程是由内核完成的，只有当列表中的一个或多个文件描述符准备好进行I操作/O时，函数才会返回。

当函数返回时，它会告知进程有多少个以及是哪些文件描述符已经准备好进行I/O操作。

相关的头文件如下。

#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/select.h>

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,
fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

参数说明如下：

nfds：委托内核检测的最大文件描述符的值+1。

readfds：要检测的文件描述符中的读的集合，委托内核检测哪些文件描述符的读属性（读缓冲区是否有数据）。一般只检测读操作，读是被动的接收数据，检测的就是读缓冲区。只有当对方发送来数据，才能检测到。fd_set数据类型是整数，如果对其进行sizeof，那么会获得一个整数。比如sizeof(fd_set)=128，也就是128个字节，对应1024位，可以保存1024的标志位，每个位对应一个文件描述符，这是一个传入传出参数。（就是我们先置为哪些为1，然后把这个作为参数传给内核，内核只会对这个1进行检测。）

writefds：是要检测的文件描述符的写的集合，委托内核检测哪些文件描述符有写的属性。委托内核检测缓冲区是不是还可以写数据（不满的就可以写）。

exceptfds：检测发生异常的文件描述符的集合。

timeout：设置的超时时间。timeval是一个结构体，有long tv_sec和long tv_usec两个属性，一个对应秒，一个对应微秒，设置超时时间。设置NULL，是永久阻塞，直到检测到了对应的文件描述符有变化。tv_sec = 0 ,tv_usec = 0表示不阻塞。tv_sec > 0 ,tv_usec > 0表示阻塞对应的时间。

select函数返回-1表示失败，返回n表示集合中检测到了有n个文件描述发生了变化。

// 将参数文件描述符fd对应的标志位设置为0
void FD_CLR(int fd, fd_set *set);

// 判断fd对应的标志位是0还是1， 返回值 ： fd对应的标志位的值，0，返回0， 1，返回1
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set);

// 将参数文件描述符fd 对应的标志位，设置为1
void FD_SET(int fd, fd_set *set);

// fd_set一共有1024 bit, 全部初始化为0
void FD_ZERO(fd_set *set);

通过下面的示意图我们能够很清晰的看到select的一个作用过程。

fd_set是一个结构体，用于 select 和 pselect 函数的数据结构，用于表示一组文件描述符（file descriptors）。它的实现基于位掩码（bitmask），通过将文件描述符的编号映射到位掩码中的特定位 来管理文件描述符集合。

long int表示8个字节。typedef long int __fd_mask; 定义了 __fd_mask 为 long int 类型，用于表示位掩码。每个 __fd_mask 可以存储多个文件描述符的状态。

__FD_SETSIZE 和 __NFDBITS：__FD_SETSIZE 是 fd_set 能够管理的最大文件描述符数量，默认值通常是 1024。
__NFDBITS 是每个 __fd_mask 可以表示的文件描述符数量。由于 __fd_mask 是 long int 类型，通常为 64 位（在 64 位系统上），因此 __NFDBITS 通常是 64。

fds_bits 或 __fds_bits：fd_set 结构体中包含一个数组，数组的类型是 __fd_mask，数组的大小是 __FD_SETSIZE / __NFDBITS。这个数组用于存储文件描述符的状态。每个 __fd_mask 元素可以表示 __NFDBITS 个文件描述符。

这个数组的大小是 __FD_SETSIZE / __NFDBITS，例如：如果 __FD_SETSIZE = 1024，__NFDBITS = 64，则数组大小为 1024 / 64 = 16。每个 __fd_mask 元素可以表示 64 个文件描述符，因此整个数组可以表示 1024 个文件描述符。

我们来看一个简单的select的服务端代码。

#include <stdio.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/select.h>

int main() {

    // 创建socket
    int lfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    struct sockaddr_in saddr;
    saddr.sin_port = htons(9999);
    saddr.sin_family = AF_INET;
    saddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

    // 绑定
    bind(lfd, (struct sockaddr *)&saddr, sizeof(saddr));

    // 监听
    listen(lfd, 8);

    // 创建一个fd_set的集合，存放的是需要检测的文件描述符
    fd_set rdset, tmp;
    FD_ZERO(&rdset);
    FD_SET(lfd, &rdset);
    int maxfd = lfd;

    while(1) {

        tmp = rdset;

        // 调用select系统函数，让内核帮检测哪些文件描述符有数据
        int ret = select(maxfd + 1, &tmp, NULL, NULL, NULL);
        if(ret == -1) {
            perror("select");
            exit(-1);
        } else if(ret == 0) {
            continue;
        } else if(ret > 0) {
            // 说明检测到了有文件描述符的对应的缓冲区的数据发生了改变
            if(FD_ISSET(lfd, &tmp)) {
                // 表示有新的客户端连接进来了
                struct sockaddr_in cliaddr;
                int len = sizeof(cliaddr);
                int cfd = accept(lfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &len);

                // 将新的文件描述符加入到集合中
                FD_SET(cfd, &rdset);

                // 更新最大的文件描述符
                maxfd = maxfd > cfd ? maxfd : cfd;
            }

            for(int i = lfd + 1; i <= maxfd; i++) {
                if(FD_ISSET(i, &tmp)) {
                    // 说明这个文件描述符对应的客户端发来了数据
                    char buf[1024] = {0};
                    int len = read(i, buf, sizeof(buf));
                    if(len == -1) {
                        perror("read");
                        exit(-1);
                    } else if(len == 0) {
                        printf("client closed...\n");
                        close(i);
                        FD_CLR(i, &rdset);
                    } else if(len > 0) {
                        printf("read buf = %s\n", buf);
                        write(i, buf, strlen(buf) + 1);
                    }
                }
            }

        }

    }
    close(lfd);
    return 0;
}

client端对应代码如下。

#include <stdio.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

int main() {

    // 创建socket
    int fd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(fd == -1) {
        perror("socket");
        return -1;
    }

    struct sockaddr_in seraddr;
    inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &seraddr.sin_addr.s_addr);
    seraddr.sin_family = AF_INET;
    seraddr.sin_port = htons(9999);

    // 连接服务器
    int ret = connect(fd, (struct sockaddr *)&seraddr, sizeof(seraddr));

    if(ret == -1){
        perror("connect");
        return -1;
    }

    int num = 0;
    while(1) {
        char sendBuf[1024] = {0};
        sprintf(sendBuf, "send data %d", num++);
        write(fd, sendBuf, strlen(sendBuf) + 1);

        // 接收
        int len = read(fd, sendBuf, sizeof(sendBuf));
        if(len == -1) {
            perror("read");
            return -1;
        }else if(len > 0) {
            printf("read buf = %s\n", sendBuf);
        } else {
            printf("服务器已经断开连接...\n");
            break;
        }
        // sleep(1);
        usleep(1000);
    }

    close(fd);

    return 0;
}