Select 服务器实战教学：从 Socket 封装到多客户端并发

无聊的小坏坏2025-11-08 11:50

文章目录

  • 引言
  • 一、框架设计思路​
  • 二、核心代码解析
    • [1. Socket 虚基类（Socket.hpp）​](#1. Socket 虚基类（Socket.hpp）)
    • [2. TcpSocket 派生类（Socket.hpp）​](#2. TcpSocket 派生类（Socket.hpp）)
    • [3. SelectServer 封装（SelectServer.hpp）​](#3. SelectServer 封装（SelectServer.hpp）)
      • [3.1 初始化流程](#3.1 初始化流程)
      • [3.2 事件循环核心](#3.2 事件循环核心)
      • [3.3 客户端事件处理](#3.3 客户端事件处理)
    • [4. 客户端实现（TcpClient.hpp）​](#4. 客户端实现（TcpClient.hpp）)
  • [三、Select 使用核心注意事项​](#三、Select 使用核心注意事项)
  • 四、测试效果展示
    • [1. Makefile](#1. Makefile)
    • [2. 启动服务器](#2. 启动服务器)
    • [3. 客户端连接测试（多客户端并发）​](#3. 客户端连接测试（多客户端并发）)
    • [4. 服务器日志输出](#4. 服务器日志输出)
    • [5. 异常测试​](#5. 异常测试)
  • 总结与扩展

引言

Select 是 Linux 系统中经典的 I/O 多路复用模型，通过单个进程 / 线程管理多个文件描述符（FD），实现并发处理多个客户端连接。本文将基于 "虚基类抽象 + 派生类实现" 的设计思想，封装 Socket 接口并完成 SelectServer 开发，同时详解 select 使用的坑点与解决方案。

一、框架设计思路​

核心设计理念​

采用 "接口抽象 + 具体实现" 的分层架构，优势如下：​

  • 解耦性 ：Socket 虚基类定义统一接口，派生类（如 TcpSocket）负责具体协议实现；
  • 扩展性 ：后续可快速添加 UdpSocket 等派生类，无需修改服务器核心逻辑；
  • 可维护性 ：业务逻辑与网络操作分离，SelectServer 专注于事件管理。

架构分层

复制代码 
┌─────────────────┐
│   SelectServer  │  服务器核心：事件循环、连接管理、回调分发
└────────┬────────┘
         │
┌────────▼────────┐
│    TcpSocket    │  派生类：TCP协议的Socket实现
└────────┬────────┘
         │
┌────────▼────────┐
│     Socket      │  虚基类：定义Socket统一接口
└─────────────────┘

二、核心代码解析

1. Socket 虚基类（Socket.hpp）​

定义 Socket 操作的统一接口，所有派生类需实现纯虚函数：

cpp 复制代码 
class Socket {
public:
    virtual ~Socket() {}
    virtual void SocketOrDie() = 0;    // 创建套接字（失败则退出）
    virtual void BindOrDie(uint16_t port) = 0; // 绑定端口
    virtual void ListenOrDie(int backlog) = 0; // 监听连接
    virtual int Accept() = 0;          // 接受新连接
    virtual void Close() = 0;          // 关闭套接字
    virtual int Recv(std::string *out) = 0; // 接收数据
    virtual int Send(const std::string& message) = 0; // 发送数据
    virtual int Connect(const std::string &server_ip, uint16_t port) = 0; // 客户端连接
    virtual int Fd() = 0;              // 获取文件描述符
};

2. TcpSocket 派生类（Socket.hpp）​

实现 TCP 协议的 Socket 操作，重点处理错误场景：​

  • 关键细节：
    • SocketOrDie()：创建套接字失败直接退出，保证后续操作的有效性；
    • Accept()：非致命错误（如信号中断）仅打印日志，不退出进程；
    • Recv/Send：使用 MSG_NOSIGNAL 标志，避免客户端断开时触发 SIGPIPE 信号导致服务器崩溃；
    • 所有系统调用（如bind、listen）均做错误校验，确保稳定性。

3. SelectServer 封装（SelectServer.hpp）​

核心职责：管理监听套接字与客户端连接，通过 select 实现事件驱动。

3.1 初始化流程

cpp 复制代码 
bool Init() {
    signal(SIGPIPE, SIG_IGN); // 忽略SIGPIPE信号（关键！）
    _listen_socket = std::make_unique<TcpSocket>();
    _listen_socket->SocketOrDie();
    _listen_socket->BindOrDie(_port);
    _listen_socket->ListenOrDie(_backlog);
    _max_fd = _listen_socket->Fd(); // 初始化最大FD
    _is_running = true;
    return true;
}

3.2 事件循环核心

cpp 复制代码 
void Start() {
    fd_set read_fds;
    while (_is_running) {
        FD_ZERO(&read_fds); // 重置FD集合（select会修改集合，必须每次重置）
        FD_SET(_listen_socket->Fd(), &read_fds);
        
        // 添加所有客户端FD到集合，并更新最大FD
        for (const auto& [fd, client] : _clients) {
            FD_SET(fd, &read_fds);
            _max_fd = std::max(_max_fd, fd);
        }

        // 阻塞等待事件（无超时）
        int ready = select(_max_fd + 1, &read_fds, nullptr, nullptr, nullptr);
        if (ready == -1) {
            std::cerr << "select失败（非致命）" << std::endl;
            continue;
        }

        // 处理新连接和客户端数据
        if (FD_ISSET(_listen_socket->Fd(), &read_fds)) HandleNewConnection();
        HandleClientEvent(read_fds);
    }
}

3.3 客户端事件处理

cpp 复制代码 
void HandleClientEvent(fd_set& read_fds) {
    for (auto it = _clients.begin(); it != _clients.end();) {
        int client_fd = it->first;
        Socket* client = it->second.get();

        if (FD_ISSET(client_fd, &read_fds)) {
            std::string data;
            int n = client->Recv(&data);
            if (n <= 0) { // n=0：客户端正常断开；n<0：接收错误
                client->Close();
                _client_ips.erase(client_fd);
                it = _clients.erase(it); // 安全删除，避免迭代器失效
                continue;
            }
            _handler(client, _client_ips[client_fd], data); // 回调业务逻辑
        }
        ++it;
    }
}

4. 客户端实现（TcpClient.hpp）​

提供简单的 TCP 客户端，用于测试服务器功能：​

  • 支持连接服务器、发送数据、接收回显；
  • 捕获 SIGINT 信号（Ctrl+C），优雅断开连接。

三、Select 使用核心注意事项​

  1. 必须重置 FD 集合（关键坑点！）
    • 原因 ：select 会修改传入的 fd_set，将未就绪的 FD 从集合中清除；
    • 解决方案 ：每次循环调用 FD_ZERO 重置集合，重新添加所有需要监听的 FD（监听 FD + 客户端 FD）。
  2. 正确维护max_fd
    • 原因 ：select 的第一个参数是「最大 FD+1」，若值过小会导致高 FD 的事件漏检；若值过大则浪费资源；
    • 解决方案 ：每次添加客户端 FD 时更新 _max_fd，确保其始终是当前最大的 FD。
  3. 忽略SIGPIPE信号
    • 场景 ：客户端断开连接后，服务器继续调用 send 会触发 SIGPIPE 信号，导致服务器崩溃；
    • 解决方案 ：初始化时调用 signal(SIGPIPE, SIG_IGN) 忽略该信号。
  4. 处理accept的非致命错误
    • 场景 ：accept 可能被信号中断（如 SIGINT），属于非致命错误；
    • 解决方案：仅打印日志，不退出进程，继续循环等待下一次连接。
  5. 客户端 FD 的安全删除
    • 问题：遍历客户端集合时删除 FD，会导致迭代器失效；
    • 解决方案 ：使用 for 循环 + 迭代器，删除后通过 it = _clients.erase(it) 更新迭代器。
  6. 正确处理 recv 的返回值
    • n > 0：正常接收数据，触发业务逻辑；
    • n == 0：客户端正常断开连接，关闭 FD 并删除；
    • n < 0：接收错误，关闭 FD 并删除。
  7. send 添加 MSG_NOSIGNAL 标志
    • 作用 ：与忽略 SIGPIPE 配合，避免客户端断开时 send 触发信号。

四、测试效果展示

1. Makefile

因为代码中涉及到了结构化绑定 的语法：for (const auto& [fd, client] : _clients)，这是C++17 的特性，所以需要指定 -std=c++17

bash 复制代码 
.PHONY:all
all:select_server tcpclient

select_server:SelectServer.cc
	g++ -o $@ $^ -std=c++17 # -lpthread 
tcpclient:TcpClient.cc
	g++ -o $@ $^ -std=c++17

.PHONY:clean
clean:
	rm -f select_server tcpclient

2. 启动服务器

bash 复制代码 
./SelectServer 8888
# 输出：
# SelectServer 初始化成功，监听端口：8888，listen_fd：3
# 服务器启动成功，监听端口 8888 ...

3. 客户端连接测试（多客户端并发）​

客户端 1：

bash 复制代码 
./TcpClient 127.0.0.1 8888
# 输出：
# 成功连接到服务器[127.0.0.1:8888]，客户端fd：4
# 请输入要发送的数据（输入exit退出）：Hello Select!
# 已发送：Hello Select!（字节数：13）
# 收到服务器回显：Server Echo: Hello Select!（字节数：24）

客户端 2：

bash 复制代码 
./TcpClient 127.0.0.1 8888
# 输出：
# 成功连接到服务器[127.0.0.1:8888]，客户端fd：5
# 请输入要发送的数据（输入exit退出）：多客户端测试
# 已发送：多客户端测试（字节数：8）
# 收到服务器回显：Server Echo: 多客户端测试（字节数：19）

4. 服务器日志输出

bash 复制代码 
新客户端连接，fd：4，地址：[127.0.0.1:43210]
新客户端连接，fd：5，地址：[127.0.0.1:43211]
[127.0.0.1] 发送数据: Hello Select!
[127.0.0.1] 发送数据: 多客户端测试

5. 异常测试​

  • 客户端断开：关闭客户端 1，服务器日志：

    bash 复制代码 
    连接已关闭（fd=4）
客户端[127.0.0.1]断开连接，fd: 4

  • 服务器优雅停止 ：Ctrl+C 触发 SIGINT，服务器日志：

    bash 复制代码 
    收到中断信号，正在断开连接...
关闭客户端连接，fd：5
关闭监听Socket，fd：3
SelectServer 已停止

总结与扩展

  1. Select 模型优缺点
    • 优点：跨平台（支持 Linux/Windows）、实现简单、无需多线程；
    • 缺点：FD 数量上限（默认 1024）、轮询效率低（遍历所有 FD）。
  2. 后续优化方向
    1. 增加超时机制：select的第 5 个参数设置超时时间，避免永久阻塞；
    2. 支持 FD 扩容：修改系统参数 /proc/sys/fs/file-max 提升 FD 上限；
    3. 业务逻辑异步化：将耗时操作（如数据库查询）放入线程池，避免阻塞事件循环；
    4. 升级到 epoll：高并发场景下替换为 epoll 模型，解决 select 的性能瓶颈。
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