【Linux C | I/O模型】IO复用 | select、pselect函数详解(看完就会用了)

news2024/11/27 2:45:41

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⏰发布时间⏰：2024-02-01 17:19:49

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目录

  • 🎄一、概述
  • 🎄二、select 函数介绍
  • 🎄三、select 函数使用步骤
  • 🎄四、select 函数使用例子
  • 🎄五、pselect 函数及例子
  • 🎄六、总结

在这里插入图片描述

🎄一、概述

在Unix / Linux系统中，有五种IO模型：阻塞I/O模型、非阻塞I/O模型、复用式I/O模型、信号驱动式I/O模型、异步I/O模型。其中，复用式I/O模型的实现方式之一就是使用select函数来阻塞等待内核准备好数据，等数据准备好了之后，再通知应用层的进程调用IO操作函数来获取数据。

在这里插入图片描述
下面将介绍select函数以及select函数的使用方法。

在这里插入图片描述

🎄二、select 函数介绍

select 函数原型：

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

select允许调用进程监视多个文件描述符，等待一个或多个文件描述符的I/O操作(读、写、异常)准备就绪。准备就绪是指该描述符执行相应的I/O操作(读、写、异常)不会等待(阻塞)了，可以直接返回。

参数说明：

  • nfds：填一个描述符数值，该数值等于三个集合(readfds、writefds、exceptfds)中最大文件描述符加1。
    例如：readfds、writefds、exceptfds中最大的描述符是58，则nfsd就填59。
  • readfds：传入传出参数，要监视的进行读取操作的描述符集合；
  • writefds：传入传出参数，要监视的进行写取操作的描述符集合；
  • exceptfds：传入传出参数，要监视的可能出现异常的描述符集合；
  • timeout：该参数指定select函数应阻止等待文件描述符准备就绪的时间间隔。这个参数有三种可能：
    • 1、timeout设置为NULL：一直阻塞等待，直到有描述符准备就绪；
    • 2、timeout设置一定的时间：阻塞等待timeout设置的时间，期间有描述符准备就绪就返回，没有就等到时间结束返回。
    • 3、timeout设置的时间为0：不等待，检查描述符后直接返回。

返回值：成功返回已准备就绪的描述符数，且对应的描述符集会返回已准备就绪的描述符；超时返回0；失败返回-1。

在这里插入图片描述

🎄三、select 函数使用步骤

select函数的使用步骤主要分成4步，前3步是为了调用函数，第4步是检查我们刚兴趣的描述符是否准备就绪：

  • 1、添加感兴趣的描述符到对应的描述符集；
    这个主要针对select函数中间的三个参数，它们都是fd_set类型的，可以使用下面4个宏来操作该类型：

    void FD_CLR(int fd, fd_set *set);	// 从描述符集删除 fd
int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set);	// 检查描述符集是否包含了 fd
void FD_SET(int fd, fd_set *set);	// 设置 fd 到描述符集
void FD_ZERO(fd_set *set);			// 清空描述符集

  • 2、计算出所添加的所有描述符中最大的描述符，把该描述符加1，设置到select函数的第一个参数；

  • 3、根据需求设置等待时长。

    struct timeval {
   time_t      tv_sec;     // seconds
   suseconds_t tv_usec;    // microseconds-微秒
};

  • 4、函数成功返回后，如果有准备就像的描述符，会从设置的描述符集中返回。可以调用宏FD_ISSET来检查哪个描述符准备就像。

在这里插入图片描述

🎄四、select 函数使用例子

下面使用TCP套接字来演示select的使用例子，如果要执行的话，分别保存服务端、客户端代码为select_tcpSer.c、select_tcpCli.c，然后执行下面代码编译：

gcc select_tcpSer.c -o ser 
gcc select_tcpCli.c -o cli

然后先在一个命令行窗口运行服务端./ser，再重新打开一个命令行窗口运行客户端./cli。下面是服务端的运行结果：
在这里插入图片描述

TCP服务端代码如下：使用select阻塞等待可读描述符返回。


#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>

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

int select_wait(int listenFd, int connFd[10], int connNum)
{
	// 1、添加感兴趣的描述符到可读描述符集
	fd_set read_set;
	FD_ZERO(&read_set);
	FD_SET(listenFd, &read_set);
	int i = 0;
	for(i=0; i<connNum; i++)
	{
		FD_SET(connFd[i], &read_set);
	}
	
	// 2、计算出最大描述符
	int maxFd = listenFd;
	for(i=0; i<connNum; i++)
	{
		if(connFd[i]>maxFd)
			maxFd = connFd[i];
	}
	maxFd++;
	
	// 3、设置等待时长2分钟
	struct timeval timeout;
	timeout.tv_sec = 2*60;
	timeout.tv_usec= 0;
	
	int ret = select(maxFd, &read_set, NULL, NULL, &timeout);// 阻塞等待
	if(ret > 0)// 即使有多个fd可读，我们也只返回一个描述符，其他的下次处理
	{
		printf("success, Number of descriptors returned is %d\n", ret);
		if(FD_ISSET(listenFd, &read_set))
		{
			return listenFd;
		}
		
		for(i=0; i<connNum; i++)
		{
			if(FD_ISSET(connFd[i], &read_set))
			{
				return connFd[i];
			}
		}
	}
	else if(ret == 0)
	{
		printf("select timeout\n");
	}
	return -1;
}

int del_connfd(int connFds[10], int connNum, int delFd) // 从connFds数组中删除delFd
{
	int tmpFds[10]={0,};
	int i = 0, index = 0;;
	memcpy(tmpFds, connFds, connNum*sizeof(connFds[0]));
	for(i=0; i<connNum; i++)
	{
		if(tmpFds[i] != delFd)
		{
			connFds[index++] = tmpFds[i];
		}
	}
	return index;
}

int main()
{
	// 1、创建TCP套接字socket
	int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	if(sockfd<0)
	{
		perror("socket error" );
		return -1;
	}
	
	// 2、准备服务端ip和端口
	struct sockaddr_in servaddr;
	bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
	servaddr.sin_family = AF_INET;
	servaddr.sin_port = htons (10086);
	servaddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 指定ip地址为 INADDR_ANY，这样要是服务器主机有多个网络接口，服务器进程就可以在任一网络接口上接受客户端的连接
	
	// 3、绑定 bind
	if (bind(sockfd,(struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0)
	{
		perror("bind error" );
		return -1;
	}
	
	// 4、监听 listen
	if(listen(sockfd, 10) != 0)
	{
		perror("listen error");
		return -1;
	}
	
	printf("TcpSer sockfd=%d, start listening\n",sockfd);
	char recvline[256];
	int connFds[10];
	int connNum = 0;
	while(1)
	{
		int readableFd = select_wait(sockfd, connFds, connNum);
		
		if(readableFd == sockfd)// 监听描述符可读，使用accept获取客户端套接字
		{
			printf("listenFd %d is alread to read, calling accept\n", sockfd);
			int connfd = accept(sockfd, NULL, NULL);
			if(connfd < 0)
			{
				perror("accept error" );
				return -1;
			}
			connFds[connNum] = connfd;
			connNum++;
		}
		else // 客户端发数据过来，读取打印
		{
			int connfd = readableFd;
			printf("connfd %d is alread to read\n", connfd);
			int n = read(connfd, recvline, sizeof(recvline));
			if(n>0)
			{
				recvline[n] = 0 ;/*null terminate */
				printf("recv connfd=%d [%s]\n",connfd,recvline);
				write(connfd, "Hello,I am tcp server", strlen("Hello,I am tcp server"));
			}
			printf("close connfd=%d\n",connfd);
			close(connfd);
			connNum = del_connfd(connFds, connNum, connfd);
		}
	}
	
	// 7、关闭
	close(sockfd);

	return 0;
}

TCP客户端代码如下，连接服务端后发送数据、读取数据：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>

int main()
{
	// 1、创建TCP套接字socket
	int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	if(sockfd<0)
	{
		perror("socket error" );
		return -1;
	}
	
	// 2、准备服务端ip和端口
	struct sockaddr_in servaddr;
	bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
	servaddr.sin_family = AF_INET;
	servaddr.sin_port = htons (10086);
	if (inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &servaddr.sin_addr) <= 0) // 设置本机IP为服务端IP
		perror("inet_pton error");
	
	// 3、连接 connect
	if (connect(sockfd,(struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0)
	{
		perror("connect error");
		return -1;
	}
	
	// 4、交换数据
	printf("TcpCli sockfd=%d, send msg\n",sockfd);
	write(sockfd, "Hello,I am tcp client", strlen("Hello,I am tcp client"));
	
	char recvline[256];
	int n = 0;
	while ( (n = read (sockfd, recvline, sizeof(recvline))) > 0)
	{
		recvline[n] = 0 ;/*null terminate */
		printf("recv[%s]\n",recvline);
	}
	
	if (n < 0)
		perror("read error" );
	
	// 5、关闭
	printf("close fd %d\n",sockfd);
	close(sockfd);

	return 0;
}

在这里插入图片描述

🎄五、pselect 函数及例子

在Linux系统中还有个pselect函数，其函数原型如下：

#include <sys/select.h>
int pselect(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,
            fd_set *exceptfds, const struct timespec *timeout,
            const sigset_t *sigmask);

可以看到，和select基本差不多，但有下面三个区别：

  • 1、select函数使用的timeout参数是struct timeval(以秒和微秒表示)类型的，而pselect函数使用struct timespec(以秒或纳秒表示)。
  • 2、select可以更新timeout参数以指示剩余的时间。pselect的timeout参数声明为const确保其不会更改此参数。
  • 3、pselect可以选择使用的信号屏蔽字。若sigmask为空，那么在与信号有关的方面，pselect的运行状况和select相同。否则，sigmask指向一信号屏蔽字，在调用pselect时，以原子操作的方式安装该信号屏蔽字。在返回时恢复以前的信号屏蔽字。

下面将select函数例子的服务端修改为pselect函数，且屏蔽掉ctrl+c产生的信号，修改后代码如下，客户端还是用前面的客户端即可：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>

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

#include <signal.h>

int select_wait(int listenFd, int connFd[10], int connNum)
{
	// 1、添加感兴趣的描述符到可读描述符集
	fd_set read_set;
	FD_ZERO(&read_set);
	FD_SET(listenFd, &read_set);
	int i = 0;
	for(i=0; i<connNum; i++)
	{
		FD_SET(connFd[i], &read_set);
	}
	
	// 2、计算出最大描述符
	int maxFd = listenFd;
	for(i=0; i<connNum; i++)
	{
		if(connFd[i]>maxFd)
			maxFd = connFd[i];
	}
	maxFd++;
	
	// 3、设置等待时长2分钟
	struct timespec timeout;
	timeout.tv_sec = 2*60;
	timeout.tv_nsec= 0;
	
	sigset_t sigmask;
	sigemptyset(&sigmask);
	sigaddset(&sigmask, SIGINT);  // ctrl + c
	
	int ret = pselect(maxFd, &read_set, NULL, NULL, &timeout, &sigmask);// 阻塞等待
	if(ret > 0)// 即使有多个fd可读，我们也只返回一个描述符，其他的下次处理
	{
		printf("success, Number of descriptors returned is %d\n", ret);
		if(FD_ISSET(listenFd, &read_set))
		{
			return listenFd;
		}
		
		for(i=0; i<connNum; i++)
		{
			if(FD_ISSET(connFd[i], &read_set))
			{
				return connFd[i];
			}
		}
	}
	else if(ret == 0)
	{
		printf("select timeout\n");
	}
	return -1;
}

int del_connfd(int connFds[10], int connNum, int delFd) // 从connFds数组中删除delFd
{
	int tmpFds[10]={0,};
	int i = 0, index = 0;;
	memcpy(tmpFds, connFds, connNum*sizeof(connFds[0]));
	for(i=0; i<connNum; i++)
	{
		if(tmpFds[i] != delFd)
		{
			connFds[index++] = tmpFds[i];
		}
	}
	return index;
}

int main()
{
	// 1、创建TCP套接字socket
	int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	if(sockfd<0)
	{
		perror("socket error" );
		return -1;
	}
	
	// 2、准备服务端ip和端口
	struct sockaddr_in servaddr;
	bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
	servaddr.sin_family = AF_INET;
	servaddr.sin_port = htons (10086);
	servaddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 指定ip地址为 INADDR_ANY，这样要是服务器主机有多个网络接口，服务器进程就可以在任一网络接口上接受客户端的连接
	
	// 3、绑定 bind
	if (bind(sockfd,(struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0)
	{
		perror("bind error" );
		return -1;
	}
	
	// 4、监听 listen
	if(listen(sockfd, 10) != 0)
	{
		perror("listen error");
		return -1;
	}
	
	printf("TcpSer sockfd=%d, start listening\n",sockfd);
	char recvline[256];
	int connFds[10];
	int connNum = 0;
	while(1)
	{
		int readableFd = select_wait(sockfd, connFds, connNum);
		
		if(readableFd == sockfd)// 监听描述符可读，使用accept获取客户端套接字
		{
			printf("listenFd %d is alread to read, calling accept\n", sockfd);
			int connfd = accept(sockfd, NULL, NULL);
			if(connfd < 0)
			{
				perror("accept error" );
				return -1;
			}
			connFds[connNum] = connfd;
			connNum++;
		}
		else // 客户端发数据过来，读取打印
		{
			int connfd = readableFd;
			printf("connfd %d is alread to read\n", connfd);
			int n = read(connfd, recvline, sizeof(recvline));
			if(n>0)
			{
				recvline[n] = 0 ;/*null terminate */
				printf("recv connfd=%d [%s]\n",connfd,recvline);
				write(connfd, "Hello,I am tcp server", strlen("Hello,I am tcp server"));
			}
			printf("close connfd=%d\n",connfd);
			close(connfd);
			connNum = del_connfd(connFds, connNum, connfd);
		}
	}
	
	// 7、关闭
	close(sockfd);

	return 0;
}

保存为pselect_tcpSer.c，编译运行后，结果如下，

执行完按ctrl+c无法结束进程，可以用kill -9 pid进程号终止该进程，操作如下：

$ ps aux | grep ser
wkd        51448  0.0  0.0   4212  1436 pts/12   S+   17:09   0:00 ./ser
wkd        51451  0.0  0.1  15960  2092 pts/17   S+   17:10   0:00 grep --color=auto ser
$ kill -9 51448

或者等待pselect超时后，会处理ctrl+c的信号的，也就退出了

在这里插入图片描述

🎄六、总结

👉本文先是介绍select函数，然后介绍使用select的步骤，并给出了使用select的C语言例子，最后介绍了pselect函数并给出C语言使用例子。看完有不懂的，可以留意。

在这里插入图片描述
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