I/O复用
多进程方式跳过
基于I/O复用的服务器端
接下来讨论并发服务器实现方法的延伸。如果有读者已经跳过第10章和第11章，那就只需把本章内容当做并发服务器实现的第一种方法即可。将要讨论的内容中包含一部分与多进程服务器端的比较，跳过第10章和第11章的读者简单浏览即可。
多进程服务器端的缺点和解决方法
为了构建并发服务器、只要有客户端连接请求就会创建新进程。这的确是实际操作中采用的一种方案，但并非十全十美，因为创建进程时需要付出极大代价。这需要大量的运算和内存空间，由于每个进程都具有独立的内存空间，所以相互间的数据交换也要求采用相对复杂的方法（IPC 属于相对复杂的通信方法）。各位应该也感到需要IPC时会提高编程难度。
“那有何解决方案？能否在不创建进程的同时向多个客户端提供服务？”
当然能！本节讲解的I/O复用就是这种技术。大家听到有这种方法是否感到一阵兴奋？但请不要过于依赖该模型！该方案并不适用于所有情况，应当根据目标服务器端的特点采用不同实现方法。下面先理解"复用"（Multiplexing）的意义。
理解复用
“复用”在电子及通信工程领域很常见，向这些领域的专家询问其概念时，他们会亲切地进行如下说明：
"在1个通信频道中传递多个数据（信号）的技术。"能理解吗？不能的话就再看看"复用"的含义。
“为了提高物理设备的效率，用最少的物理要素传递最多数据时使用的技术。”
上述两种说法内容完全一致，只是描述方式有所区别。
复用技术在服务器端的应用
服务器端引入复用技术可以减少所需进程数。引入复用技术，可以减少进程数。重要的是，无论连接多少客户端，提供服务的进程只有1个。
关于I/O复用服务器端的另一种理解
某教室中有10名学生和1位教师，这些孩子并非等闲之辈，上课时不停地提问。学校没办法，只能给每个学生都配1位教师，也就是说教室中现有10位教师。此后，只要有新的转校生，就会增加1位教师，因为转校生也喜欢提问。这个故事中，如果把学生当作客户端，把教师当作与客户端进行数据交换的服务器端进程，则该教室的运营方式为多进程服务器端方式。
有一天，该校来了位具有超能力的教师。这位教师可以应对所有学生的提问，而且回答速度很快，不会让学生等待。因此，学校为了提高教师效率，将其他老师转移到了别的班。现在，学生提问前必须举手，教师确认举手学生的提问后再回答问题。也就是说，现在的教室以I/O复用方式运行。
虽然例子有些奇怪，但可以通过它理解I/O复用技法：教师必须确认有无举手学生，同样，I/O复用服务器端的进程需要确认举手（收到数据）的套接字，并通过举手的套接字接收数据。
理解 select函数并实现服务器端
运用select函数是最具代表性的实现复用服务器端方法。Windows平台下也有同名函数提供相同功能，因此具有良好的移植性。
select 函数的功能和调用顺序
使用select函数时可以将多个文件描述符集中到一起统一监视，项目如下。
- 是否存在套接字接收数据？
- 无需阻塞传输数据的套接字有哪些？
- 哪些套接字发生了异常？
监视顽称为“事件”（event）
上述监视项称为"事件"。发生监视项对应情况时，称"发生了事件"。这是最常见的表达，希望各位熟悉。另外，本章不会使用术语"事件"，而与本章密切相关的第17章将使用该术语，希望大家理解"事件"的含义，以及“发生事件”的意义。
select函数的使用方法与一般函数区别较大，更准确地说，它很难使用。但为了实现I/O复用服务器端，我们应掌握select函数，并运用到套接字编程中。认为"select函数是I/O复用的全部内容"也并不为过。接下来介绍select函数的调用方法和顺序。
- 步骤一
- 设置文件描述符
- 指定监视范围
- 设置超时
- 步骤二
- 调用select函数
- 步骤三
- 查看调用结果
可以看到，调用selet函数前需要一些准备工作，调用后还需查看结果。接下来按照上述顺序逐一讲解。
设置文件描述符
利用select函数可以同时监视多个文件描述符。当然，监视文件描述符可以视为监视套接字。此时首先需要将要监视的文件描述符集中到一起。集中时也要按照监视项（接收、传输、异常）进行区分，即按照上述3种监视项分成3类。
使用fd_set数组变量执行此项操作，如图12-6所示。该数组是存有0和1的位数组。
图12-6中最左端的位表示文件描述符0(所在位置)。如果该位设置为1，则表示该文件描述符是监视对象。那么图中哪些文件描述符是监视对象呢?很明显，是文件描述符1和3。
是否应当通过文件描述符的数字直接将值注册到fd_set变量?
当然不是!针对fd_set变量的操作是以位为单位进行的，这也意味着直接操作该变量会比较繁琐。难道要求各位自己完成吗?实际上，在fd_set变量中注册或更改值的操作都由下列宏完成
- FD_ZERO(fd_set *fdset)：将fd_set变量的所有位初始化为0。
- FD SET(int fd，fd_set *fdset)：在参数fdset指向的变量中注册文件描述符fa的信息。
- FD_CLR(int fd，fd_set *fdset)： 从参数fdset指向的变量中清除文件描述符fd的信息。
- FD_ISSET(int fd，fd_set *fdset)：若参数fiset指向的变量中包含文件描述符d的信息，则返回“真”。
上述函数中，FD_ISSET用于验证select函数的调用结果。通过图12-7解释这些函数的功能，简洁易懂，无需赘述。
设置检查（监视）范围及超时
简单介绍select函数。
#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
int select(int maxfd, fd_set *readset, fd_set *writeset, fd_set *exceptset, const struct timeval *timeout);
// 成功时返回大于θ的值，失败时返回-1。
// maxfd 监视对象文件描述符数量。
// readset 将所有关注"是否存在待读取数据"的文件描述符注册到fd_set型变量，并传递其地址值。
// writeset 将所有关注"是否可传输无阻塞数据"的文件描述符注册到fd_set型变量，并传递其地址值。
// exceptset 将所有关注"是否发生异常"的文件描述符注册到fd_set型变量，并传递其地址值。
// timeout 调用select函数后，为防止陷入无限阻塞的状态，传递超时（time-out）信息。
// 返回值 发生错误时返回-1，超时返回时返回0。因发生关注的事件返回时，返回大于0的值，该值是发生事件的文件描述符数。
如上所述，select函数用来验证3种监视项的变化情况。根据监视项声明3个fd set型变量，分别向其注册文件描述符信息，并把变量的地址值传递到上述函数的第二到第四个参数。但在此之前（调用select函数前）需要决定下面2件事。
“文件描述符的监视（检查）范围是？”
“如何设定select函数的超时时间？”
第一，文件描述符的监视范围与select函数的第一个参数有关。实际上，select函数要求通过第一个参数传递监视对象文件描述符的数量。因此，需要得到注册在fd_set变量中的文件描述符数。但每次新建文件描述符时，其值都会增1，故只需将最大的文件描述符值加1再传递到select函数即可。加1是因为文件描述符的值从0开始。
第二，select函数的超时时间与select函数的最后一个参数有关，其中timeval结构体定义如下。
struct timeval
{
long tv_sec; // seconds
long tv_usec; // microseconds
}
本来select函数只有在监视的文件描述符发生变化时才返回。如果未发生变化，就会进入阻塞状态。指定超时时间就是为了防止这种情况的发生。通过声明上述结构体变量，将秒数填人tv_sec成员，将毫秒数填入tv_usec成员，然后将结构体的地址值传递到select函数的最后一个参数。此时，即使文件描述符中未发生变化，只要过了指定时间，也可以从函数中返回。不过这种情况下，select函数返回0。因此，可以通过返回值了解返回原因。如果不想设置超时，则传递NULL 参数。
调用select函数后查看结果
虽未给出具体示例，但图12-5中的步骤一"select函数调用前的所有准备工作"已讲解完毕，同时也介绍了select函数。而函数调用后查看结果也同样重要。我们已讨论过select函数的返回值，如果返回大于0的整数，说明相应数量的文件描述符发生变化。
文件描述符的变化
文件描述符变化是指监视的文件描述符中发生了相应的监视事件。例如，通过 select 的第二个参数传递的集合中存在需要读数据的描述符时，就意味着文件描述符发生变化。
select函数返回正整数时，怎样获知哪些文件描述符发生了变化？向select函数的第二到第四个参数传递的fd set变量中将产生如图12-8所示变化，获知过程并不难。
由图12-8可知，select函数调用完成后，向其传递的fd_set变量中将发生变化。原来为1的所有位均变为0，但发生变化的文件描述符对应位除外。因此，可以认为值仍为1的位置上的文件描述符发生了变化。
也就是说，调用完函数后，值仍为1的描述符是发生了变化的。
select函数调用示例
下面通过示例把select函数所有知识点进行整合，希望各位通过如下示例完全理解之前的内容。
#include <arpa/inet.h>
#include <cstring>
#include <iostream>
#include <string>
#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
#include <unistd.h>
constexpr size_t BUF_SIZE = 1024;
int main(int argc, char* argv[])
{
fd_set reads;
// 初始化reads
FD_ZERO(&reads);
// 监视描述符0，0代表标准输入，控制台输入
FD_SET(0, &reads);
timeval timeout;
// 不能在这里设置时间
// 因为调用select函数后，结构体timeval的成员tv_sec和tv_usec的值将被替换为超时前剩余时间。
// 因此，调用select函数前，每次都需要初始化timeval结构体变量。
// timeout.tv_sec = 5;
// timeout.tv_usec = 0;
char buf[BUF_SIZE] = { 0 };
while (true) {
// 将准备好的fd_set变量reads的内容复制到temps变量，因为之前讲过，调用select 函数后，除发生变化的文件描述符对应位外，剩下的所有位将初始化为0。
// 因此，为了记住初始值，必须经过这种复制过程。
// 这是使用select函数的通用方法，希望各位牢记。
fd_set temps = reads;
// 每次都需要初始化timeval结构体变量
timeout.tv_sec = 5;
timeout.tv_usec = 0;
// 第一个参数是1，因为监视的最后一个描述符是0，+1就是1
// 第二个是reads的备份，后两个没有要监视的，所以传空，最后传入超时
int res = select(1, &temps, nullptr, nullptr, &timeout);
if (res == -1) {
// 返回-1，说明出现错误
std::cout << "select 错误" << std::endl;
break;
} else if (res == 0) {
// 返回0，说明超时
std::cout << "超时" << std::endl;
} else {
// 大于0代表发生事件的描述符个数，这里只有一个，所以直接判断
if (FD_ISSET(0, &temps)) {
int strLen = read(0, buf, BUF_SIZE);
buf[strLen] = 0;
std::cout << "select 事件数据：" << buf << std::endl;
}
}
}
return 0;
}
运行后若无任何输入，经5秒将发生超时。若通过键盘输入字符串，则可看到相同字符串输出。
实现I/O复用服务器端
下面通过select函数实现I/O复用服务器端。之前已给出关于select函数的所有说明，各位只需通过示例掌握利用select函数实现服务器端的方法。下列示例是基于I/O复用的回声服务器端
#include <arpa/inet.h>
#include <cstring>
#include <iostream>
#include <string>
#include <sys/select.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
constexpr size_t BUF_SIZE = 1024;
int main(int argc, char* argv[])
{
if (argc != 2) {
std::cout << "Usage: " << argv[0] << " port" << std::endl;
return 0;
}
// 创建套接字
int servSock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (servSock == -1) {
std::cout << "socket 错误" << std::endl;
return 0;
}
// 初始化服务端地址信息
sockaddr_in servAdr;
std::memset(&servAdr, 0, sizeof(servAdr));
servAdr.sin_family = AF_INET;
servAdr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
servAdr.sin_port = htons(std::atoi(argv[1]));
// 绑定地址信息
int stu = bind(servSock, (sockaddr*)&servAdr, sizeof(servAdr));
if (stu == -1) {
close(servSock);
std::cout << "bind 错误" << std::endl;
return 0;
}
// 进入监听状态
stu = listen(servSock, 5);
if (stu == -1) {
close(servSock);
std::cout << "listen 错误" << std::endl;
return 0;
}
// 初始化fd_set
fd_set reads;
FD_ZERO(&reads);
FD_SET(servSock, &reads);
int fdMax = servSock;
// 生命时间对象
timeval timeout;
char buf[BUF_SIZE] = { 0 };
while (true) {
fd_set cpyReads = reads;
timeout.tv_sec = 5;
timeout.tv_usec = 0;
int fdNum = select(fdMax + 1, &cpyReads, nullptr, nullptr, &timeout);
if (fdNum == -1) {
std::cout << "select 错误" << std::endl;
break;
}
if (fdNum == 0) {
std::cout << "超时" << std::endl;
continue;
}
// 有fdNum个套接字产生了事件
// 从0遍历到最大套接字，寻找变化了的套接字
for (int sockId = 0; sockId <= fdMax; ++sockId) {
if (!FD_ISSET(sockId, &cpyReads)) {
continue;
}
if (sockId == servSock) {
// 如果变化的套接字ID等于当前服务端套接字
// 说明有新的客户端接入
sockaddr_in clntAdr;
socklen_t szAdr = sizeof(clntAdr);
// 接收客户端请求
int clntSock = accept(servSock, (sockaddr*)&clntAdr, &szAdr);
// 监听客户端套接字
FD_SET(clntSock, &reads);
// 更新最大套接字序号
if (fdMax < clntSock) {
fdMax = clntSock;
}
std::string adrStr = inet_ntoa(clntAdr.sin_addr);
std::cout << "接收" << adrStr << "的请求：" << clntSock << std::endl;
} else {
// 接收对应套接字的数据
int strLen = read(sockId, buf, BUF_SIZE);
if (strLen == -1) {
// read错误
FD_CLR(sockId, &reads);
close(sockId);
std::cout << "套接字" << sockId << "读取错误" << std::endl;
} else if (strLen == 0) {
// 请求已关闭
FD_CLR(sockId, &reads);
close(sockId);
std::cout << "套接字" << sockId << "已关闭" << std::endl;
} else {
// 接收数据后，写给客户端
write(sockId, buf, strLen);
}
}
}
}
close(servSock);
return 0;
}
为了验证运行结果，我使用了第4章介绍的echo_client.c，其实上述回声服务器端也可与其他回声客户端配合运行。
