C++游戏服务器框架笔记（四）_封装Select

news2025/1/23 14:57:43

C++游戏服务器框架笔记(一)_封装数据包类

C++游戏服务器框架笔记(二)_封装Socket类

C++游戏服务器框架笔记(三)_封装ByteBuffer类

C++游戏服务器框架笔记(四)_封装Select

        因为设想的次系列服务器主要应用场景是linux系统下，支持Windows系统是为了更好的调试和开发，为了简单起见，我在windows下选择使用select()这一IO多路复用模型。

一、Select()函数信息：

微软官网的函数介绍：

#include <WinSock2.h>
int WSAAPI select(
  [in]      int           nfds,
  [in, out] fd_set        *readfds,
  [in, out] fd_set        *writefds,
  [in, out] fd_set        *exceptfds,
  [in]      const timeval *timeout
);

参数

[in] nfds

已忽略。 仅包含 nfds 参数，以便与 Berkeley 套接字兼容。

[in, out] readfds

一个可选指针，指向一组要检查的套接字是否可读。

[in, out] writefds

一个可选指针，指向要检查的一组套接字是否可写。

[in, out] exceptfds

指向一组要检查错误的套接字的可选指针。

[in] timeout

选择等待的最大时间，以 TIMEVAL 结构的形式提供。 将 超时 参数设置为 null 以阻止操作。

typedef struct timeval {
  long tv_sec;
  long tv_usec;
} TIMEVAL, *PTIMEVAL, *LPTIMEVAL;

tv_sec

时间间隔，以秒为单位。

tv_usec

时间间隔（以微秒为单位）。 此值与 tv_sec 成员结合使用来表示非秒数的时间间隔值。

(我在代码中设置的时间是0)

返回值

select 函数返回已准备就绪且包含在fd_set结构中的套接字句柄总数、时间限制过期时为零;如果发生错误，则返回SOCKET_ERROR。 如果返回值SOCKET_ERROR，可以使用 WSAGetLastError 检索特定的错误代码。

错误代码含义

WSANOTINITIALISED

在使用此函数之前，必须执行成功的 WSAStartup 调用。

WSAEFAULT

Windows 套接字实现无法为其内部操作或 readfd、writefd、exceptfd 或 timeval 参数不是用户地址空间的一部分。

WSAENETDOWN

网络子系统失败。

WSAEINVAL

超时值无效，或者所有三个描述符参数均为 null。

WSAEINTR

阻止 Windows 套接字 1.1 调用通过 WSACancelBlockingCall 取消。

WSAEINPROGRESS

正在执行阻止的 Windows 套接字 1.1 调用，或者服务提供商仍在处理回调函数。

WSAENOTSOCK

描述符集之一包含不是套接字的条目。

select()相关宏

头文件 Winsock2.h 定义了FD_SETSIZE确定了fd_set限制的描述符的最大数目，windows下默认值是64，对于这个限制，我们可以在包含Winsock2.h前，重定义FD_SETSIZE来修改这个限制，不过不建议修改太大，太大的话效率会很低~

 头文件 Winsock2.h 中定义了四个宏，用于操作和检查描述符集(fd_set)：

FD_ZERO(set)                初始化set设置为空集，在使用之前，应该使用此宏清空set。

FD_CLR(fd, set)              从set中删除fd套接字。

FD_ISSET(fd, set)           检查fd是否为set的成员，返回true 或者false。

FD_SET(fd, set)              添加fd到set集。

现在来详细看下Windows下这些宏的具体实现，其实linux下也是大差不差的，只复杂一点点，

我们先看下Winsock2.h 中fd_set的结构：

//UINT_PTR unsigned long long or  unsigned __int64
typedef UINT_PTR        SOCKET;

//u_int ===> unsigned int
typedef struct fd_set {
        u_int fd_count;               /* how many are SET? */
        SOCKET  fd_array[FD_SETSIZE];   /* an array of SOCKETs */
} fd_set;

SOCKET就是Windows下套接字描述符的类型，UINT_PTR 类型，UINT_PTR有事unsigned long long类型，其实SOCKET就是一个长整数类型。

fd_set有两个成员：

        fd_count ：记录了当前fd_set中有多少关注的SOCKET描述符

        fd_array ：是一个SOCKET的数组，记录了当前fd_set中关注的SOCKET描述符值，也就是linux下的socket fd。这里FD_SETSIZE就是定义了这个数组的大小，所以前面说的最大限制，就是体现在这里。

FD_ZERO(set)：

#define FD_ZERO(set) set->fd_count = 0

这个宏的实现很简单，就只是将fd_set结构中记录描述符数量的fd_count设置为0，select()内部通过判断fd_set的fd_count去操作fd_array，所以这里改成0后，就可以达到清空的效果，而没有再去把数组重新初始化掉。

FD_CLR(fd, set)：

//头文件Winsock2.h中宏定义代码
#define FD_CLR(fd, set) do { \
    u_int __i; \
    for (__i = 0; __i < ((fd_set FAR *)(set))->fd_count ; __i++) { \
        if (((fd_set FAR *)(set))->fd_array[__i] == fd) { \
            while (__i < ((fd_set FAR *)(set))->fd_count-1) { \
                ((fd_set FAR *)(set))->fd_array[__i] = \
                    ((fd_set FAR *)(set))->fd_array[__i+1]; \
                __i++; \
            } \
            ((fd_set FAR *)(set))->fd_count--; \
            break; \
        } \
    } \
} while(0, 0)

//上面代码乍一看感觉复复杂杂的，现在来给简化一个格式，去除干扰我们阅读的细枝末节
//FD_CLR(fd, set) 宏展开
#define FD_CLR(fd, set) do {
    u_int __i;
    for (__i = 0; __i < set->fd_count ; __i++) {
        if (set->fd_array[__i] == fd) { 
            while (__i < set->fd_count-1) { 
                set->fd_array[__i] = set->fd_array[__i+1]; 
                __i++; 
            } 
            set->fd_count--; 
            break; 
        } 
    } 
} while(0, 0)

我们看下面简化和宏展开后的代码，代码逻辑就比较清晰了，对于从fd_set中删除描述符的操作，使用的是数组元素的前移——for循环遍历fd_set的fd_array数组，找到当前需要删除的fd描述符，找到之后，用while循环依次将当前数组下标后面每一个元素向前移动一个元素位置，最后fd_count减1，完成删除操作。

FD_ISSET(fd, set) 

//__WSAFDIsSet是windows的一个api 检测fd是否包含在set数组中
#define FD_ISSET(fd, set) __WSAFDIsSet(fd, set)

 FD_SET(fd, set)：

//头文件Winsock2.h中FD_SET宏定义代码
#define FD_SET(fd, set) do { \
    u_int __i; \
    for (__i = 0; __i < ((fd_set FAR *)(set))->fd_count; __i++) { \
        if (((fd_set FAR *)(set))->fd_array[__i] == (fd)) { \
            break; \
        } \
    } \
    if (__i == ((fd_set FAR *)(set))->fd_count) { \
        if (((fd_set FAR *)(set))->fd_count < FD_SETSIZE) { \
            ((fd_set FAR *)(set))->fd_array[__i] = (fd); \
            ((fd_set FAR *)(set))->fd_count++; \
        } \
    } \
} while(0, 0)


//FD_SET(fd, set) 宏展开如下
do {
    u_int __i;
    for (__i = 0; __i < set->fd_count; __i++) {
        if (set->fd_array[__i] == fd) {
            break;
        }
    }
    if (__i == set->fd_count) {
        if (set->fd_count < FD_SETSIZE) {
            set->fd_array[__i] = fd;
            set->fd_count++;
        }
    }
} while(0, 0)

我们看下面简化和宏展开后的代码， for循环遍历fd_set的数组fd_array，如果发现本次设置的fd描述符存在则break不做任何操作，如果不存在，则判断当前fd_set的fd_count是否已经达到FD_SETSIZE的最大限制数量，如果未达到则可以设置成功，如果达到最大限制数量则不作操作，设置无效。

这几个宏的实现，应该都是挺好理解的，不过大家应该也发现了为什么上面的宏定义都使用了do{......}while(0,0)   的结构,注意这里的是没有;分号结尾的

思考一下，答案稍后揭晓~~~~

好了，关于宏定义中为什么使用do{...}while(0)结构

先说结论：为了宏的健壮性

只是这样说，太宽泛了，我们举例说明一下：

第一种情况 我们按照普通的方式定义一个宏

#define T(a) func1(a);func2(a);

//如果调用者在if中调用这样使用
if(a > 0)
    T(a);
else
    func1(a);
//当以上代码宏展开后如下：
if(a > 0)
    func1(a);func2(a);
else
    func1(a);
//虽然该例中，但是因为if...else 如果if后面不加{},那么if的作用域只对紧跟的一条语句(即只能有一句;结尾的语句)生效
//那么上面的代码实际上应该是这样子：
if(a > 0)
    func1(a);
func2(a);
else
    func1(a);
//这里就很明显，else会找不到与之对应的if，导致宏展开之后的代码报错

第二种情况 既然直接裸奔不行，那就加上{}给定一个局部作用域

//以上宏改成：
#define T(a) {func1(a);func2(a);}
//然后调用者还是如上调用
if(a > 0)
    T(a);

//宏展开：
if(a > 0)
   {func1(a);func2(a);};
else
    func1(a);
//展开后{}的后面多了一个; 我们知道if(){...}else...语法,如果if()后面加上{}的话，else前是不能有;符号的,
//然而在C/C++代码中在语句末尾加上;符号基本成习惯性了，所以如果调用者习惯性加上;上述代码就报错了，
//而使用do{}while(0)的形式 在后面加上;是不会报错的，所以会更加健壮。
if(a > 0)
   do{func1(a);func2(a);}while(0);
else
    func1(a);

        OK 对于select()函数的了解应该差不多了，如果需要更详细的信息，可以再去搜索引擎看看其他大佬的文章，这里主要是说下我的封装。

        为了将Windows下的select()和linux下的epoll()封装为统一接口，所以需要首先定义一个接口类，来约定统一接口和一些类型，做到不同平台，调用接口一致，内部实现根据平台不同的跨平台效果。

统一接口类(多路复用基类)：

#ifndef __POLLBASE_H_
#define __POLLBASE_H_

#include <stdlib.h>
#include <map>
#include <vector>

//统一描述符的类型命名，都为SOCKET
#ifndef _WIN32
typedef int SOCKET;
#define INVALID_HANDLE_VALUE (-1)
#endif

//重定义Windows下FD_SETSIZE的大小
#ifdef _WIN32
#define FD_SETSIZE 1024
#include <WinSock2.h>
#else
#include <unistd.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <sys/select.h>
#endif

#define MAXEVENT 1024

//统一定义Windows下select()和linux下epoll()的事件的宏
#define NONE 0                        //无
#define POLLREAD 1                    //读事件
#define POLLWRITE 2                   //写事件
#define POLLET 3                      //边缘触发(用于EPOLL, 是否设置边缘触发,默认是水平触发)

//定义统一的事件结构
typedef struct PollEvent {
	int event;
	int fd;
}PollEvent;

//接口类(抽象类)
class PollBase
{
public:
	virtual ~PollBase() {};
    /*
    创建(初始化)接口
        size: 可关注的描述符数量
    返回值：
        0:     成功
        -1:     失败
    */
	virtual int Create(int size) = 0;

    /*
    为fd描述符添加关注的事件
        fd:     socket文件描述符
        mask:   上面统一定义的事件宏(读事件、写事件)
    返回值：
         0:     成功
        -1:     失败
    */
	virtual int AddEvent(SOCKET fd, int mask) = 0;

    /*
    删除fd描述符关注的事件
        fd:     socket文件描述符
        mask:   上面统一定义的事件宏(读事件、写事件)
    返回值：
         0:     成功
        -1:     失败
    */
	virtual int DelEvent(SOCKET fd, int mask) = 0;

    /*
    监听事件到来，IO多路复用的核心
        active_events： 输出参数，如果有事件到来，则会将事件设置到active_events输出
        timeout:        超时时间(秒)
    返回值：
        0：无事件
        >0:到来事件的数量
    */
	virtual int Poll(PollEvent* active_events, int timeout = 0) = 0;
};

#endif

统一定义了接口之后，现在来继承接口类封装Windows下的select()，类名：Select

Select.h

#ifndef _SELECT_H_
#define _SELECT_H_

#include "PollBase.h"

class Select :
    public PollBase
{
public:
    ~Select();
    int Create(int size);
    int AddEvent(SOCKET fd, int event);
    int DelEvent(SOCKET fd, int event);
    int Poll(PollEvent* active_events, int timeout = 0);

private:
    std::map<SOCKET, int> m_EventMap;

    //可读事件集，存储关注的读事件
    fd_set m_ReadSet;
    //可写事件集，存储关注的写事件
    fd_set m_WriteSet;
    
    //临时可读事件集，每次调用select()之前，将m_ReadSet中的值拷贝到该临时事件集中
    fd_set m_TmpReadSet;
    //临时可写事件集，每次调用select()之前，将m_WriteSet中的值拷贝到该临时事件集中
    fd_set m_TmpWriteSet;
};

#endif // !_SELECT_H_

Select.cpp 

#include "Select.h"
#ifdef _WIN32
Select::~Select() {

}

int Select::Create(int size) {
    //初始化m_ReadSet和m_WriteSet描述符集，这里的参数size，用不到，可以忽略
	FD_ZERO(&m_ReadSet);
	FD_ZERO(&m_WriteSet);

	return 0;
}

int Select::AddEvent(SOCKET fd, int event) {
    //判断是否是可读事件
	if (event & POLLREAD) {
        //为fd关注可读事件
		FD_SET(fd, &m_ReadSet);
	}

    //判断是否可写事件
	if (event & POLLWRITE) {
        //为fd关注可写事件
		FD_SET(fd, &m_WriteSet);
	}
	return 0;
}

int Select::DelEvent(SOCKET fd, int event) {
    //判断是否是可读事件
	if (event & POLLREAD) {
        //删除fd的可读事件
		FD_CLR(fd, &m_ReadSet);
	}

    //判断是否是可读事件
	if (event & POLLWRITE) {
        //删除fd的可写事件
		FD_CLR(fd, &m_WriteSet);
	}
	return 0;
}

int Select::Poll(PollEvent* active_events, int timeout) {
    //由于select()的fd_set参数都是传出参数，所以每次调用返回之后，内部的值都会变成到达的事件集，
    //所以不可以直接将&m_ReadSet或者&m_WriteSet作参数传递，会导致记录的事件丢失
    //每次都应该拷贝到临时描述符集中
	memcpy(&m_TmpReadSet, &m_ReadSet, sizeof(m_ReadSet));
	memcpy(&m_TmpWriteSet, &m_WriteSet, sizeof(m_WriteSet));
    
    //设置超时时间
	struct timeval time = {};
	time.tv_usec = timeout * 1000;

	int fd;
	u_int i = 0, event_index = 0;
	int num = select(0, &m_TmpReadSet, &m_TmpWriteSet, nullptr, &time);
	if (num > 0) {
		//如果存在可读事件，遍历临时可读事件集，并将事件添加到active_events中
		for (i = 0; i < m_TmpReadSet.fd_count; ++i, ++event_index) {
			fd = m_TmpReadSet.fd_array[i];
			active_events[event_index].event = POLLREAD;
			active_events[event_index].fd = fd;
			m_EventMap[fd] = event_index;
		}
		
		//如果存在可写事件，遍历临时可写事件集，并将事件添加到active_events中
		for (i = 0; i < m_TmpWriteSet.fd_count; ++i) {
			fd = m_TmpWriteSet.fd_array[i];
            //
			if (m_EventMap[fd]){
				//如果fd已存在读事件，则可以直接用|运算加上写事件
				active_events[m_EventMap[fd]].event |= POLLWRITE;
			}
			else {
				active_events[event_index].event = POLLWRITE;
				active_events[event_index].fd = fd;
				++event_index;
			}
		}
	}
	return num;
}

#endif

封装后的大概调用流程，后面linux下的epoll封装后，也是使用相同的调用流程，不需要再修改接口:

......

void EventLoop::Run() {
	while (!m_Stop) {
		memset(m_ActiveEvents, 0, m_Size);
        //监听事件到来
		int num = m_Poll->Poll(m_ActiveEvents);
		if (num > 0) {
            //处理事件
			this->ActiveEvents(num);
		}
	}
}

......

以上就是对Windows下的select封装， 由于linux下也有select函数所以这里我特别使用#ifdef _WIN32宏将Select类包装起来，避免报错。

下一章 封装Epoll  请不要期待~~~

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