第 12 章 I/O 复用

12.1 基于 I/O 复用的服务器端

多进程服务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，因为创建进程要付出很大的代价。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采用相对复杂的方法（IPC 属于相对复杂的通信方法）。

        I/O 复用技术可以解决这个问题。

理解复用：

        「复用」的含义：

为了提高物理设备的效率，只用最少的物理要素传递最多数据时使用的技术。

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。下图是多进程服务端的模型：

        下图是引入复用技术之后的模型： 

        从图上可以看出，引入复用技术之后，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一个。         

12.2 理解 select 函数并实现服务端

        select 函数是最具代表性的实现复用服务器的方法。在 Windows 平台下也有同名函数，所以具有很好的移植性。

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？

术语：「事件」。当发生监视项对应情况时，称「发生了事件」。

        select 函数的使用方法与一般函数的区别很大，更准确的说，他很难使用。但是为了实现 I/O 复用服务器端，我们应该掌握 select 函数，并运用于套接字编程当中。认为「select 函数是 I/O 复用的全部内容」也并不为过。select 函数的调用过程如下图所示： 

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在一起。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。

        利用 fd_set 数组变量执行此操作，如图所示，该数组是存有0和1的位数组。

        图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，是描述符 1 和 3。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 变量所指的位全部初始化成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 fd 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 fdset 指向的变量中包含文件描述符 fd 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，通过下图解释这些函数的功能：

 

设置检查（监视）范围及超时 ：

        下面是 select 函数的定义：

#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 0 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,超时时返回0,。因发生关注的时间返回时，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 函数之前）需要决定下面两件事：

1. 文件描述符的监视（检查）范围是？
2. 如何设定 select 函数的超时时间？

        第一，文件描述符的监视范围和 select 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，其值就会增加 1 ，故只需将最大的文件描述符值加 1 再传递给 select 函数即可。加 1 是因为文件描述符的值是从 0 开始的。

        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;
    long tv_usec;
};

        本来 select 函数只有在监视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。通过上述结构体变量，将秒数填入 tv_sec 的成员，将微妙数填入 tv_usec 的成员，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原因。如果不想设置超时，则传递 NULL 参数。

调用 select 函数查看结果：

        select 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 变量中将产生如图所示的变化：

        由图可知，select 函数调用完成后，向其传递的 fd_set 变量将发生变化。原来为 1 的所有位将变成 0，但是发生了变化的文件描述符除外。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。 

select 函数调用示例：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/select.h>
#define BUF_SIZE 30

int main(int argc, char *argv[])
{
    fd_set reads, temps;
    int result, str_len;
    char buf[BUF_SIZE];
    struct timeval timeout;

    FD_ZERO(&reads);   // 初始化变量，清空读取文件描述符集合
    FD_SET(0, &reads); // 将标准输入文件描述符0添加到读取文件描述符集合中，用于后续监视输入

    /*
    timeout.tv_sec=5;
    timeout.tv_usec=5000;
    */

    while (1)
    {
        temps = reads; // 为了防止调用select函数后，位的内容改变，先提前存一下当前的读取文件描述符集合
        timeout.tv_sec = 5; // 设置超时时间为5秒
        timeout.tv_usec = 0;

        // 调用select函数来等待文件描述符的变化
        // 参数1：要监视的文件描述符的最大值加1
        // 参数2：读取文件描述符集合的指针，用于监视其中文件描述符的变化
        // 参数3：写文件描述符集合的指针，这里传递0表示不监视写事件
        // 参数4：异常文件描述符集合的指针，这里传递0表示不监视异常事件
        // 参数5：超时时间，如果在指定时间内没有任何文件描述符的变化，select会返回
        result = select(1, &temps, 0, 0, &timeout);

        if (result == -1)
        {
            puts("select error!"); // 如果select返回-1，表示发生错误
            break;
        }
        else if (result == 0)
        {
            puts("Time-out!"); // 如果select返回0，表示超时，即在指定时间内没有输入
        }
        else
        {
            if (FD_ISSET(0, &temps)) // 验证发生变化的值是否是标准输入端（文件描述符0）
            {
                str_len = read(0, buf, BUF_SIZE); // 从标准输入中读取数据
                buf[str_len] = 0; // 在数据末尾添加null终止符，将字符数组转换成字符串
                printf("message from console: %s", buf); // 将用户输入的数据打印出来
            }
        }
    }
    return 0;
}

运行结果：

         可以看出，如果运行后在标准输入流输入数据，就会在标准输出流输出数据，但是如果 5 秒没有输入数据，就提示超时。

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。下面是基于 I/O 复用的回声服务器端：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/select.h>

#define BUF_SIZE 100

// 错误处理函数声明
void error_handling(char *message);

int main(int argc, char *argv[])
{
    int serv_sock, clnt_sock;
    struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;
    struct timeval timeout;
    fd_set reads, cpy_reads;

    socklen_t adr_sz;
    int fd_max, str_len, fd_num, i;
    char buf[BUF_SIZE];

    // 检查命令行参数是否正确，确保传入端口号
    if (argc != 2)
    {
        printf("Usage : %s <port>\n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    // 创建服务器套接字
    serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    // 初始化服务器地址结构
    memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
    serv_adr.sin_family = AF_INET;
    serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));

    // 绑定服务器套接字到指定端口
    if (bind(serv_sock, (struct sockaddr *)&serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1)
        error_handling("bind() error");

    // 开始监听连接请求
    if (listen(serv_sock, 5) == -1)
        error_handling("listen() error");

    // 初始化文件描述符集合，并将服务器套接字添加到集合中
    FD_ZERO(&reads);
    FD_SET(serv_sock, &reads); // 注册服务端套接字
    fd_max = serv_sock; // 初始时，最大文件描述符为服务器套接字

    while (1)
    {
        cpy_reads = reads; // 复制原始的文件描述符集合，因为select会修改它

        // 设置超时时间为5秒 5000微秒
        timeout.tv_sec = 5;
        timeout.tv_usec = 5000;

        // 调用select函数开始监视文件描述符的变化
        fd_num = select(fd_max + 1, &cpy_reads, 0, 0, &timeout);

        // 如果select函数返回-1，表示发生错误，跳出循环
        if (fd_num == -1)
            break;

        // 如果select函数返回0，表示超时，即在指定时间内没有任何文件描述符的变化，继续下一次循环
        if (fd_num == 0)
            continue;

        // 遍历文件描述符集合，查找发生变化的文件描述符
        for (i = 0; i < fd_max + 1; i++)
        {
            // 如果文件描述符i在cpy_reads集合中发生变化
            if (FD_ISSET(i, &cpy_reads))
            {
                // 如果是服务器套接字，表示有新的客户端连接请求
                if (i == serv_sock)
                {
                    adr_sz = sizeof(clnt_adr);
                    clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr *)&clnt_adr, &adr_sz);

                    // 注册新的客户端套接字
                    FD_SET(clnt_sock, &reads);
                    // 更新最大文件描述符的值，以确保下一次select正确工作
                    if (fd_max < clnt_sock)
                        fd_max = clnt_sock;

                    printf("Connected client: %d \n", clnt_sock);
                }
                else // 不是服务器套接字，即客户端套接字有数据到达
                {
                    // 从客户端套接字i读取数据
                    str_len = read(i, buf, BUF_SIZE);
                    // 如果读取到的数据长度为0，表示客户端关闭连接
                    if (str_len == 0)
                    {
                        // 从文件描述符集合中移除该套接字，并关闭连接
                        FD_CLR(i, &reads);
                        close(i);
                        printf("Closed client: %d \n", i);
                    }
                    else
                    {
                        // 将读取到的数据回传给客户端
                        write(i, buf, str_len);
                    }
                }
            }
        }
    }

    // 关闭服务器套接字
    close(serv_sock);
    return 0;
}

// 错误处理函数的定义
void error_handling(char *message)
{
    fputs(message, stderr);
    fputc('\n', stderr);
    exit(1);
}

        配合客户端运行结果：

         从图上可以看出，虽然只用了一个进程，但是却实现了可以和多个客户端进行通信，这都是利用了 select 的特点。

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习题：

1、请解释复用技术的通用含义，并说明何为 I/O 复用。

        复用技术的通用含义是指在某种情况下，利用一种机制或方法同时处理多个任务或请求，从而提高系统的效率和资源利用率。这种技术允许一个进程或线程同时监视多个事件，并在事件发生时进行相应的处理，而不需要为每个事件创建单独的处理线程或进程。

        I/O复用是一种特定的复用技术，用于处理输入/输出（I/O）操作。在传统的阻塞I/O中，一个进程在执行I/O操作时会被阻塞，直到操作完成才能继续执行。这意味着一个进程在处理一个I/O操作时会停止响应其他的请求。而I/O复用允许一个进程同时监视多个I/O事件，比如监视多个文件描述符是否有数据可读或可写，或者监视多个套接字是否有连接请求。当有一个或多个I/O事件就绪时，进程可以立即进行相应的处理，而不会被阻塞。

2、多进程并发服务器的缺点有哪些？如何在 I/O 复用服务器中弥补？

        多进程需要进行大量的运算和大量的内存空间。在 I/O 复用服务器中通过 select 函数监视文件描述符，通过判断变化的文件描述符，来得知变化的套接字是哪个，从而实时应答来自多个客户端的请求。

3、select 函数的观察对象中应包含服务端套接字（监听套接字），那么应将其包含到哪一类监听对象集合？请说明原因。

        应该包含到「是否存在待读取数据」。因为服务端套接字主要用于监听新的客户端连接请求，而监听新的连接请求本质上是一个读取事件。