Linux网络编程(三)IO复用一 select系统调用

I/O复用使得程序能同时监听多个文件描述符。在以下场景中需要使用到IO复用技术：

客户端程序要同时处理多个socket，非阻塞connect技术
客户端程序要同时处理用户输入和网络连接，聊天室程序
TCP服务器要同时处理监听socket和连接socket
服务器要同时处理TCP请求和UDP请求，回射服务器
服务器要同时监听多个端口，或者处理多种服务，xinetd服务器

需要指出的是，I/O复用虽然能同时监听多个文件描述符，但它本身是阻塞的。并且当多个文件描述符同时就绪时，如果不采取额外的措施，程序就只能按顺序依次处理其中的每一个文件描述符，这使得服务器程序看起来像是串行工作的。如果要实现并发，只能使用多进程或多线程等编程手段。

一、select系统调用

select可以在一段指定的时间内监听用户感兴趣的文件描述符上可读、可写和异常等事件。

select是跨平台的，支持Linux，Max，Windows。

1.1、select API

#include <sys/select.h>

int select(int nfds, fd_set* readfds, fd_set* writefds, fd_set* exceptfds, struct timeval* timeout);

nfds参数指定被监听的文件描述符的总数。它通常被设置为select监听的所有文件描述符中的最大值加1，因为文件描述符是从0开始计数的。

readfds、writefds 和 exceptfds 参数分别指向可读、可写和异常等事件对应的文件描述符集合。这3个参数是fd_set结构指针类型。fd_set结构体的定义如下：

  #include <typesizes.h>
  #define __FD_SETSIZE 1024
  #include <sys/select.h>
  #define FD_SETSIZE __FD_SETSIZE
  
  typedef long int__fd_mask;
  
  #undef __NFDBITS
  #define __NFDBITS (8 * (int)sizeof(__fd_mask))
  
  typedef struct {
  #ifdef __USE_XOPEN
      __fd_mask fds_bits[__FD_SETSIZE/__NFDBITS];
  #define __FDS_BITS(set) ((set)->fds_bits)
  #else
      __fd_mask__fds_bits[__FD_SETSIZE/__NFDBITS];
  #define __FDS_BITS(set) ((set)->__fds_bits)
  #endif
  
  }fd_set;

fd_set结构体仅包含一个整型数组，该数组的每个元素的每一位（bit）标记一个文件描述符。fd_set能容纳的文件描述符数量由FD_SETSIZE指定，这就限制了select能同时处理的文件描述符的总量。下面的函数提供了位操作。

  #include <sys/select.h>
  // 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);
  // 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);
  // 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);
  // 将set集合中, 所有文件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);

timeout参数用来设置select函数的超时时间。它是一个timeval结构类型的指针，采用指针参数是因为内核将修改它以告诉应用程序select等待了多久。如果给timeout变量的tv_sec成员和tv_usec成员都传递0，则select将立即返回。如果给timeout传递NULL，则select将一直阻塞，直到某个文件描述符就绪。
- ```
  struct timeval {
      long tv_sec;/*秒数*/
      long tv_usec;/*微秒数*/
  };
```
select成功时返回就绪（可读、可写和异常）文件描述符的总数。如果在超时时间内没有任何文件描述符就绪，select将返回0。select失败时返回-1并设置errno。如果在select等待期间，程序接收到信号，则select立即返回-1，并设置errno为EINTR。

1.2、文件描述符就绪条件

下列情况下socket可读：

socket内核接收缓存区中的字节数大于或等于其低水位标记SO_RCVLOWAT。此时我们可以无阻塞地读该socket，并且读操作返回的字节数大于0。
socket通信的对方关闭连接。此时对该socket的读操作将返回0。
socket上有新的连接请求。
socket上有未处理的错误。此时我们可以使用getsockopt来读取和清除该错误。

下列情况socket可写：

socket内核发送缓存区中的可用字节数大于或等于其低水位标记SO_SNDLOWAT。此时我们可以无阻塞地写该socket，并且写操作返回的字节数大于0。
socket的写操作被关闭。对写操作被关闭的socket执行写操作将触发一个SIGPIPE信号。
socket使用非阻塞connect连接成功或者失败（超时）之后。
socket上有未处理的错误。此时我们可以使用getsockopt来读取和清除该错误。

1.3、带外数据

socket上接收到普通数据和带外数据都将使select返回，但socket处于不同的就绪状态：前者处于可读状态，后者处于异常状态。

同时接收普通数据和带外数据：

服务端：

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/select.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <assert.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>

#define PORT 8080  
#define BUFFER_SIZE 8192

int main(int argc,char* argv[]) {
    char buf[BUFFER_SIZE];  
    ssize_t bytes_read;  
    
    int server_socket, client_socket;  
    struct sockaddr_in server_addr, client_addr;  
    socklen_t addr_len = sizeof(struct sockaddr_in);  
    // 创建socket  
    server_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);  
    if (server_socket == -1) {  
        perror("socket creation failed");  
        exit(EXIT_FAILURE);  
    }  
    
    // 命名socket  
    memset(&server_addr, 0, addr_len);  
    server_addr.sin_family = AF_INET;  
    server_addr.sin_port = htons(PORT);  
    server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;  
  
    if (bind(server_socket, (struct sockaddr *) &server_addr, addr_len) == -1) {  
        perror("bind failed");  
        close(server_socket);  
        exit(EXIT_FAILURE);  
    }  
  
    // 监听socket  
    if (listen(server_socket, 5) == -1) {  
        perror("listen failed");  
        close(server_socket);  
        exit(EXIT_FAILURE);  
    }  

    printf("Server is listening on port %d...\n", PORT);  
	
    // 连接
	client_socket = accept(server_socket, (struct sockaddr*) &client_addr,&addr_len);
	if (client_socket<0) {
        printf("errno is:%d\n",errno);
        close(server_socket);
    }

    fd_set read_fds;             // 监听可读事件
    fd_set exception_fds;        // 监听异常事件
    FD_ZERO(&read_fds);          // 初始化
    FD_ZERO(&exception_fds);     // 初始化

    while(1) {
		// 初始化buf
		memset(buf,'\0',sizeof(buf));

    	// 每次调用select前都要重新在read_fds和exception_fds中设置文件描述符client_socket，因为事件发生之后，文件描述符集合将被内核修改
        FD_SET(client_socket, &read_fds);
        FD_SET(client_socket, &exception_fds);
        FD_SET(server_socket, &read_fds);
        FD_SET(server_socket, &exception_fds);

    	int ret = select(client_socket+1,&read_fds,NULL,&exception_fds,NULL);
        
        if(ret<0) {
            printf("selection failure\n");
            break;
        }

    	/* 对于可读事件，采用普通的recv函数读取数据 */
        if(FD_ISSET(client_socket, &read_fds)) {
   			ret = recv(client_socket,buf,sizeof(buf)-1,0);
            if(ret<=0) break;
    		printf("get %d bytes of normal data:%s",ret,buf);
	    }

        /* 对于异常事件，采用带MSG_OOB标志的recv函数读取带外数据 */
        else if(FD_ISSET(client_socket, &exception_fds)) {
        	ret = recv(client_socket, buf, sizeof(buf)-1, MSG_OOB);
        	if(ret<=0) break;
        	printf("get %d bytes of oob data:%s",ret,buf);
        }
    }
    close(server_socket);
    close(client_socket);
    return 0;
}

客户端：

#include <stdio.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <string.h>  
#include <unistd.h>  
#include <arpa/inet.h>  
#include <sys/types.h>  
#include <sys/socket.h>  
#include <netinet/in.h>  
  
#define SERVER_IP "127.0.0.1"  
#define SERVER_PORT 8080  
#define BUFFER_SIZE 1024  
  
int main() {  
    int client_socket;  
    struct sockaddr_in server_addr;  
    char buffer[BUFFER_SIZE];  
    ssize_t bytes_read;  
  
    // 创建socket  
    client_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);  
    if (client_socket == -1) {  
        perror("socket creation failed");  
        exit(EXIT_FAILURE);  
    }  
  
    // 设置服务器地址信息  
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));  
    server_addr.sin_family = AF_INET;  
    server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);  
    if (inet_pton(AF_INET, SERVER_IP, &server_addr.sin_addr) <= 0) {  
        perror("invalid server address");  
        close(client_socket);  
        exit(EXIT_FAILURE);  
    }  
  
    // 连接到服务器  
    if (connect(client_socket, (struct sockaddr *) &server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {  
        perror("connection failed");  
        close(client_socket);  
        exit(EXIT_FAILURE);  
    }  
  
    printf("Connected to server\n");  
  
    // 发送消息给服务器  
    const char *message1 = "Hello, this is client!\n";
    send(client_socket, message1, strlen(message1), 0);  

    sleep(1);

    // 发送带外数据
    const char *message2 = "Hello, this is client and data is oob!\n";
    send(client_socket, message2, strlen(message2), MSG_OOB);  

    // 关闭连接
    close(client_socket);

}