多路IO复用

1，TCP通信原理

如上图所示，

左侧有两大块内存，一个是负责监听客户端连接的部分，另一个是负责和客户端通信的部分。

右侧的内存是客户端的部分，用于连接服务端，以及和服务端进行通信。

服务端需要用两个文件描述符去操作这两块内存。一个是用于监听的文件描述符，一个是用于通信的文件描述符。

在服务端调用 accept() 函数其实就是监听客户端有没有对服务端进行连接。如果没有连接就会一直阻塞。

2，select 函数

select函数的作用在于去检测一个线性表中所存储的所有文件描述符的状态。用于处理服务端与多个客户端通信时使用。

复制代码

#include<sys/select.h>
struct  timeval{
   time_t    tv_sec;        //seconds 秒
   suseconds_t  tv_usec;    //microseconds 微秒 
};

int  select(int nfds , fd_set* readfds , fd_set* writefds , fd_set* exceptfds , 
               struct timeval* timeout );
 
//函数返回值
           检测的符合条件的文件描述符的个数。               
//函数参数：
nfds: 委托内核检测的这三个集合中最大的文件描述符 + 1。
         内核需要线性便利这些集合中的文件描述符，这个值是循环结束的条件
         在windows中这个参数是无效的，指定为  -1  即可。
readfds:  文件描述符的读集合，
               内核只检测这个集合中文件描述符对应的读缓冲区
               传入传出参数，读集合一般情况下都是需要检测的，这样才知道通过哪个文件描述符接收数据
writefds: 文件描述符的写集合，
              内核只检测这个集合中文件描述符对应的写缓冲区
              传入传出参数，如果不需要这个参数可以指定为NULL。
exceptfds： 异常集合，用于查看用于检测的这些读写文件描述符的集合有无异常。
timeout： 检测时长，超过检测时长，就会返回。操作时长就是秒加上微妙。

第一章我们了解了TCP服务端通信需要两种文件描述符，实际在通信的过程当中一个服务端可能需要与多个客户端通信，所以需要 N 个用于通信的文件描述符和 1 个用于监听的文件描述符。

所以 select 函数需要检测 N + 1 个文件描述符。

但实际上这个被用于检测的线性表能装的文件描述符的最大数量是 1024 个 。

如下图所示为一个文件描述符表，此表为内核中的表。

我们通过select函数，将一系列的文件描述符集合传递拷贝到内核中，然后内核会生成一个线性表用于存储，然后我们去循环遍历这个线性表，当检测到有文件描述符状态发生变化，就会传出对应的三个集合。

2.1，select 函数 fd_set集合

占内存 1024 个标志位。一个标志位对应一个文件描述符。占用128个字节。

系统提供了一些操作函数，让我们把文件描述符放入 fd_set 集合中，除此之外还支持其他操作。

如下：

复制代码

//1，将文件描述符 fd 从set集合中删除  ==  将fd对应的标志位设置为0
void  FD_CLR(int  fd,fd_set* set);

//2，判断文件描述符 fd 是否在 set 集合中 == 读一下fd对应的标志位到底是 0 还是 1
int  FD_ISSET(int fd,fd_set* set);

//3，将文件描述符fd添加到 set 集合中 == 将fd对应的标志位设置为1
void  FD_SET(int fd,fd_set* set);

//4，将set集合中，所有文件描述符对应的标志位设置为0，集合中没有添加任何文件描述符
void  FD_ZERO(fd_set* set);

2.2，使用select来处理并发

select函数实现TCP并发处理

javascript 复制代码

#include <iostream>
#include <vector>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
#include <cstring>

#define PORT 8080
#define MAX_CLIENTS 10
#define BUFFER_SIZE 1024

int main() 
{

    //1,获取监听文件描述符
    int serverSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (serverSocket < 0) {
        std::cerr << "Socket creation failed" << std::endl;
        return -1;
    }

    //2,绑定IP和端口
    sockaddr_in serverAddr;
    serverAddr.sin_family = AF_INET;
    serverAddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    serverAddr.sin_port = htons(PORT);
    if (bind(serverSocket, reinterpret_cast<sockaddr*>(&serverAddr), sizeof(serverAddr)) < 0) {
        std::cerr << "Bind failed" << std::endl;
        close(serverSocket);
        return -1;
    }
    if (listen(serverSocket, MAX_CLIENTS) < 0) {
        std::cerr << "Listen failed" << std::endl;
        close(serverSocket);
        return -1;
    }

    //3,将监听的文件描述符添加到 fd_set 集合中
    std::vector<int> clientSockets(MAX_CLIENTS, -1);
    fd_set readFds;
    fd_set tmpFds;
    FD_ZERO(&readFds);
    FD_SET(serverSocket, &readFds);

    //4,用select进行检测
    while (true) {
        tmpFds = readFds;
        int activity = select(serverSocket + 1, &tmpFds, nullptr, nullptr, nullptr);
        if (activity < 0) 
        {
            std::cerr << "Select error" << std::endl;
            break;
        } 
        else if (activity > 0) 
        {   
            //4.1 通过 accept() 获取客户端文件描述符，并将客户端文件描述符添加到 clientSockets 数组中。
            if (FD_ISSET(serverSocket, &tmpFds)) 
            {   
                sockaddr_in clientAddr;
                socklen_t clientAddrLen = sizeof(clientAddr);
                int newSocket = accept(serverSocket, reinterpret_cast<sockaddr*>(&clientAddr), &clientAddrLen);
                if (newSocket < 0) 
                {
                    std::cerr << "Accept failed" << std::endl;
                    continue;
                }
                
                for (size_t i = 0; i < clientSockets.size(); ++i) 
                {
                    if (clientSockets[i] == -1) 
                    {
                        clientSockets[i] = newSocket;
                        FD_SET(newSocket, &readFds);
                        break;
                    }
                }
            }
            
            //4.2  遍历 clientSockets 数组，查看所有通信的文件描述符的状态，并进行通信处理。
            for (size_t i = 0; i < clientSockets.size(); ++i) 
            {
                if (clientSockets[i] != -1 && FD_ISSET(clientSockets[i], &tmpFds)) 
                {
                    char buffer[BUFFER_SIZE];
                    int valread = read(clientSockets[i], buffer, BUFFER_SIZE);
                    if (valread <= 0) 
                    {
                        close(clientSockets[i]);
                        FD_CLR(clientSockets[i], &readFds);
                        clientSockets[i] = -1;
                    } else 
                    {
                        buffer[valread] = '\0';
                        std::cout << "Received from client " << i << ": " << buffer << std::endl;
                    }
                }
            }
        }
    }

    close(serverSocket);
    for (int sock : clientSockets) 
    {
        if (sock != -1) 
        {
            close(sock);
        }
    }

    return 0;
}

目录

1，TCP通信原理

2，select 函数

2.1，select 函数 fd_set集合

2.2，使用select来处理并发