【在Linux世界中追寻伟大的One Piece】多路转接select

1 -> I/O多路转接之select

1.1 -> 初识select

1.2 -> select函数原型

1.3 -> 关于fd_set结构

1.4 -> 关于timeval结构

2 -> 理解select执行过程

2.1 -> Socket就绪条件

2.2 -> select特点

2.3 -> select缺点

3 -> select使用示例

3.1 -> 只检测标准输入

3.2 -> 实现字典服务器

1 -> I/O多路转接之select

1.1 -> 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。

1.2 -> select函数原型

select函数原型如下：

#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。

1.3 -> 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。

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

1.4 -> 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：

fs_set readset；
FD_SET(fd, &readset);
select(fd + 1, &readset, NULL, NULL, NULL);
if (FD_ISSET(fd, readset)) { …… }

2 -> 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。

执行fd_set set，FD_ZERO(&set)；则set用位表示是0000,0000。
若fd＝5，执行 FD_SET(fd,&set)；后set变为 0001,0000(第5位置为1) 。
若再加入fd＝2，fd=1，则set变为0001,0011。
执行select(6,&set,0,0,0)阻塞等待。
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。

2.1 -> Socket就绪条件

读就绪

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。
socket上有未处理的错误。

写就绪

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。

2.2 -> select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。

2.3 -> 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很多时也很大。
select支持的文件描述符数量太小。

3 -> select使用示例

3.1 -> 只检测标准输入

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/select.h>

int main() 
{
	fd_set read_fds;
	FD_ZERO(&read_fds);
	FD_SET(0, &read_fds);
	for (;;) 
	{
		printf("> ");
		fflush(stdout);
		int ret = select(1, &read_fds, NULL, NULL, NULL);
		if (ret < 0) 
		{
			perror("select");

			continue;
		}

		if (FD_ISSET(0, &read_fds)) 
		{
			char buf[1024] = { 0 };
			read(0, buf, sizeof(buf) - 1);

			printf("input: %s", buf);
		}
		else 
		{
			printf("error! invaild fd\n");

			continue;
		}

		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。

3.2 -> 实现字典服务器

tcp_select_server.hpp

#pragma once

#include <vector>
#include <unordered_map>
#include <functional>
#include <sys/select.h>
#include "tcp_socket.hpp"

// 必要的调试函数
inline void PrintFdSet(fd_set* fds, int max_fd) 
{
	printf("select fds: ");
	for (int i = 0; i < max_fd + 1; ++i) 
	{
		if (!FD_ISSET(i, fds)) 
		{
			continue;
		}

		printf("%d ", i);
	}

	printf("\n");
}

typedef std::function<void(const std::string& req, std::string*
	resp)> Handler;

// 把 Select 封装成一个类. 这个类虽然保存很多 TcpSocket 对象指针, 但是不管理内存
class Selector 
{
public:
	Selector() 
	{
		// [注意!] 初始化千万别忘了!!
		max_fd_ = 0;
		FD_ZERO(&read_fds_);
	}

	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;
		FD_SET(fd, &read_fds_);
		if (fd > max_fd_) 
		{
			max_fd_ = fd;
		}

		return true;
	}

	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);
		FD_CLR(fd, &read_fds_);

		// 重新找到最大的文件描述符, 从右往左找比较快
		for (int i = max_fd_; i >= 0; --i) 
		{
			if (!FD_ISSET(i, &read_fds_)) 
			{
				continue;
			}
			max_fd_ = i;

			break;
		}

		return true;
	}

	// 返回读就绪的文件描述符集
	bool Wait(std::vector<TcpSocket>* output) 
	{
		output->clear();

		// [注意] 此处必须要创建一个临时变量, 否则原来的结果会被覆盖掉
		fd_set tmp = read_fds_;

		// DEBUG
		PrintFdSet(&tmp, max_fd_);
		int nfds = select(max_fd_ + 1, &tmp, NULL, NULL, NULL);
		if (nfds < 0) 
		{
			perror("select");

			return false;
		}

		// [注意!] 此处的循环条件必须是 i < max_fd_ + 1
		for (int i = 0; i < max_fd_ + 1; ++i) 
		{
			if (!FD_ISSET(i, &tmp)) 
			{
				continue;
			}

			output->push_back(fd_map_[i]);
		}

		return true;
	}

private:
	fd_set read_fds_;
	int max_fd_;

	// 文件描述符和 socket 对象的映射关系
	std::unordered_map<int, TcpSocket> fd_map_;
};

class TcpSelectServer 
{
public:
	TcpSelectServer(const std::string& ip, uint16_t port) : ip_(ip),
		port_(port) 
	{
	}

	bool Start(Handler handler) const 
	{
		// 1. 创建 socket
		TcpSocket listen_sock;
		bool ret = listen_sock.Socket();
		if (!ret) 
		{
			return false;
		}

		// 2. 绑定端口号
		ret = listen_sock.Bind(ip_, port_);
		if (!ret) 
		{
			return false;
		}

		// 3. 进行监听
		ret = listen_sock.Listen(5);
		if (!ret) 
		{
			return false;
		}

		// 4. 创建 Selector 对象
		Selector selector;
		selector.Add(listen_sock);

		// 5. 进入事件循环
		for (;;) 
		{
			std::vector<TcpSocket> output;
			bool ret = selector.Wait(&output);
			if (!ret) 
			{
				continue;
			}

			// 6. 根据就绪的文件描述符的差别, 决定后续的处理逻辑
			for (size_t i = 0; i < output.size(); ++i) 
			{
				if (output[i].GetFd() == listen_sock.GetFd()) 
				{
					// 如果就绪的文件描述符是 listen_sock, 就执行 accept, 并加入到 select 中
					TcpSocket new_sock;
					listen_sock.Accept(&new_sock, NULL, NULL);
					selector.Add(new_sock);
				}
				else 
				{
					// 如果就绪的文件描述符是 new_sock, 就进行一次请求的处理
					std::string req, resp;
					bool ret = output[i].Recv(&req);
					if (!ret) 
					{
						selector.Del(output[i]);

						// [注意!] 需要关闭 socket
						output[i].Close();
						continue;
					}

					// 调用业务函数计算响应
					handler(req, &resp);

					// 将结果写回到客户端
					output[i].Send(resp);
				}

			} // end for
		} // end for (;;)

		return true;
	}

private:
	std::string ip_;
	uint16_t port_;
};

感谢各位大佬支持！！！

互三啦！！！