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[I/O 多路转接之 select](#I/O 多路转接之 select)
[初识 select](#初识 select)
[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)
[select 使用示例](#select 使用示例)
I/O 多路转接之 select
初识 select
系统提供 select 函数来实现多路复用输入/输出模型.
• select 系统调用是用来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，直到被监视的文件描述符有一个或多个发生了状 态改变;
select 函数原型
cpp
#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值+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 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
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
函数返回值：
• 执行成功则返回文件描述词状态已改变的个数
• 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该文件已关闭
• 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
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 中的每一 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
此时调用 read / recv / accept 等读操作，不会阻塞，会立即返回数据或结果。
• 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，accept 可以立即返回。
• socket 上有未处理的错误，read 会返回 -1。
写就绪
此时调用 write / send 等写操作，不会阻塞，可以立即写入数据。
• 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
在 I/O 多路复用（select/poll/epoll）中，除了关注文件描述符是否可读 或可写 ，还可以关注是否发生异常事件。当出现这类特殊事件时，多路复用接口会标记该 fd 为"异常就绪"。
-
收到带外数据（Out‑of‑Band Data, OOB）
TCP 支持紧急数据（例如 Telnet 的
Ctrl+C），接收端可通过MSG_OOB标志读取。当有 OOB 数据到达时，select的exceptfds、poll的POLLPRI、epoll的EPOLLPRI会被触发。 -
某些错误条件（取决于实现）
例如 socket 上发生了未处理的错误（如连接异常），部分系统也可能通过异常就绪通知。
| 接口 | 异常就绪对应字段/事件 |
|---|---|
select |
exceptfds 集合 |
poll |
revents 中的 POLLPRI |
epoll |
events 中的 EPOLLPRI |
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，
￮ 一是用于再 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。
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多时也很大
• 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
只检测标准输入:
使用 select 系统调用仅监视标准输入 （文件描述符 0）。当用户在终端输入数据（按回车）时，select 会返回，主程序再调用 read 读取并打印。
cpp
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/select.h>
int main() {
fd_set read_fds; // 读文件描述符集合
FD_ZERO(&read_fds); // 清空集合
FD_SET(0, &read_fds); // 将标准输入（fd=0）加入集合
for (;;) {
printf("> "); // 打印提示符
fflush(stdout); // 确保提示符立即显示
// 第一个参数：最大fd+1 = 0+1 = 1
// 第二个参数：读集合（监视可读）
// 第三、四参数：写集合和异常集合（NULL表示不关心）
// 第五参数：超时时间（NULL表示无限等待）
int ret = select(1, &read_fds, NULL, NULL, NULL);
if (ret < 0) {
perror("select");
continue; // 出错后继续循环
}
// 检查标准输入是否在集合中且就绪
if (FD_ISSET(0, &read_fds)) {
char buf[1024] = {0};
// 注意：演示代码未检查read返回值，实际应处理返回值<=0的情况
read(0, buf, sizeof(buf) - 1);
printf("input: %s", buf);
} else {
printf("error! invalid fd\n");
continue;
}
// 重要：select会修改read_fds（只保留就绪的fd）
// 所以下一次循环前必须重新初始化集合
FD_ZERO(&read_fds);
FD_SET(0, &read_fds);
}
return 0;
}说明： • 当只检测文件描述符 0（标准输入）时，因为输入条件只有在你有输入信息的时候，才成立，所以如果一直不输入，就会产生超时信息。
select 使用示例
使用 select 实现了一个字典服务器 （即通过 TCP 查询单词含义）。用 Selector 类封装 select，管理多个客户端连接，TcpSelectServer 负责监听并派发请求。
-
监听 socket 被加入
Selector，监视其读就绪（有客户端连接）。 -
Selector::Wait()调用select，返回所有读就绪的 socket。 -
遍历就绪列表：
-
如果是监听 socket ，调用
Accept接收新连接，并将新客户端 socket 加入Selector。 -
如果是客户端 socket ，调用
Recv读取请求，通过Handler业务函数生成响应，用Send返回结果。如果读取失败（客户端关闭），从Selector中删除并关闭 socket。
-
tcp_select_server.hpp
cpp
#pragma once
#include <vector>
#include <unordered_map>
#include <functional>
#include <sys/select.h>
#include "tcp_socket.hpp" // 假设已经封装了 TcpSocket 类（Socket/Bind/Listen/Accept/Recv/Send/Close等）
// 辅助函数：打印 fd_set 中哪些 fd 被设置（调试用）
inline void PrintFdSet(fd_set* fds, int max_fd) {
printf("select fds: ");
for (int i = 0; i <= max_fd; ++i) { // 遍历 0～max_fd
if (!FD_ISSET(i, fds)) continue;
printf("%d ", i);
}
printf("\n");
}
// 业务处理函数的类型：接收请求字符串，填充响应字符串
typedef std::function<void(const std::string& req, std::string* resp)> Handler;
// Selector 类：封装 select 的操作，管理多个 TcpSocket 的读事件
// 注意：它存储 TcpSocket 对象的拷贝（需要 TcpSocket 可拷贝，通常用 shared_ptr 更好
class Selector {
public:
Selector() {
max_fd_ = 0; // 当前最大文件描述符值
FD_ZERO(&read_fds_); // 清空读集合
}
// 添加一个 socket 到监视集合中
bool Add(const TcpSocket& sock) {
int fd = sock.GetFd();
printf("[Selector::Add] %d\n", fd);
if (fd_map_.find(fd) != fd_map_.end()) {
printf("Add failed! fd has in Selector!\n");
return false;
}
fd_map_[fd] = sock; // 保存 fd -> TcpSocket 的映射
FD_SET(fd, &read_fds_); // 加入读集合
if (fd > max_fd_) {
max_fd_ = fd; // 更新最大 fd
}
return true;
}
// 从监视集合中删除一个 socket
bool Del(const TcpSocket& sock) {
int fd = sock.GetFd();
printf("[Selector::Del] %d\n", fd);
if (fd_map_.find(fd) == fd_map_.end()) {
printf("Del failed! fd has not in Selector!\n");
return false;
}
fd_map_.erase(fd); // 删除映射
FD_CLR(fd, &read_fds_); // 从读集合中清除
// 重新计算最大 fd（因为被删除的 fd 可能是原来的 max_fd_）
for (int i = max_fd_; i >= 0; --i) {
if (FD_ISSET(i, &read_fds_)) {
max_fd_ = i;
break;
}
}
return true;
}
// 等待事件发生，返回读就绪的 socket 列表
bool Wait(std::vector<TcpSocket>* output) {
output->clear();
// 重要：select 会修改传入的 fd_set，所以必须传一个副本
fd_set tmp = read_fds_;
PrintFdSet(&tmp, max_fd_); // 调试输出
// 第一个参数：最大 fd + 1
// 第二个参数：读集合（我们只关心可读）
// 第三、四：写集合和异常集合（NULL）
// 第五：超时时间（NULL 表示无限等待）
int nfds = select(max_fd_ + 1, &tmp, NULL, NULL, NULL);
if (nfds < 0) {
perror("select");
return false;
}
// 遍历所有可能的 fd（0 到 max_fd_），找出就绪的
for (int i = 0; i <= max_fd_; ++i) {
if (!FD_ISSET(i, &tmp)) continue;
// 从映射表中取出对应的 TcpSocket 对象，加入输出列表
output->push_back(fd_map_[i]);
}
return true;
}
private:
fd_set read_fds_; // 读文件描述符集合（主副本）
int max_fd_; // 当前监视的最大 fd
std::unordered_map<int, TcpSocket> fd_map_; // fd -> TcpSocket 映射
};
// TcpSelectServer 类：使用 Selector 实现 TCP 服务器
class TcpSelectServer {
public:
TcpSelectServer(const std::string& ip, uint16_t port) : ip_(ip), port_(port) {}
// 启动服务器，传入业务处理函数 handler
bool Start(Handler handler) const {
// 1. 创建监听 socket
TcpSocket listen_sock;
if (!listen_sock.Socket()) return false;
// 2. 绑定地址和端口
if (!listen_sock.Bind(ip_, port_)) return false;
// 3. 开始监听（backlog = 5）
if (!listen_sock.Listen(5)) return false;
// 4. 创建 Selector 对象，并把监听 socket 加入监视
Selector selector;
selector.Add(listen_sock);
// 5. 主事件循环
for (;;) {
std::vector<TcpSocket> ready_list;
if (!selector.Wait(&ready_list)) {
continue; // select 失败，重试
}
// 6. 处理就绪的 socket
for (size_t i = 0; i < ready_list.size(); ++i) {
int fd = ready_list[i].GetFd();
// 情况1：就绪的是监听 socket → 有新连接到来
if (fd == listen_sock.GetFd()) {
TcpSocket new_sock;
// Accept 不会阻塞（因为 select 已告知可读）
if (!listen_sock.Accept(&new_sock, NULL, NULL)) {
continue;
}
// 将新客户端 socket 加入 Selector 监视
selector.Add(new_sock);
}
// 情况2：就绪的是客户端 socket → 有数据可读
else {
std::string req, resp;
// 接收请求（注意：这里假设 Recv 能完整读取一次请求，实际要处理粘包）
bool ret = ready_list[i].Recv(&req);
if (!ret) {
// 对端关闭或出错，删除并关闭 socket
selector.Del(ready_list[i]);
ready_list[i].Close();
continue;
}
// 调用业务处理函数（例如查字典，生成响应）
handler(req, &resp);
// 发送响应给客户端
ready_list[i].Send(resp);
}
}
}
return true;
}
private:
std::string ip_;
uint16_t port_;
};dict_server.cc
cpp
#include "tcp_select_server.hpp"
#include <iostream>
// 示例业务处理：单词->简单翻译
void DictHandler(const std::string& req, std::string* resp) {
if (req == "hello") *resp = "你好";
else if (req == "world") *resp = "世界";
else *resp = "未知单词";
}
int main() {
TcpSelectServer server("0.0.0.0", 9090);
server.Start(DictHandler);
return 0;
}注意：
-
select的 fd_set 会被修改 ，所以Wait中必须拷贝一份传给内核。 -
最大 fd 值 需要动态维护（
max_fd_），select的第一个参数是max_fd_ + 1。 -
两种 socket 类型 ：监听 socket（只负责
accept）和客户端 socket（负责读写数据）。 -
事件驱动 ：
select告诉你有事件，你再根据 fd 区分是连接还是数据。 -
限制 ：
fd_set默认最大 fd 为FD_SETSIZE（通常 1024），不适合高并发。实际更常用
poll/epoll，但select的思想是基础。