Linux: fd_set用法

Linux: fd_set用法

2010-04-13 23:58

select()机制中提供一fd_set的数据结构，实际上是一long类型的数组，每一个数组元素都能与一打开的文件句柄(不管是socket句柄，还是其他文件或命名管道或设备句柄)建立联系，建立联系的工作由程序员完成，当调用select()时，由内核根据IO状态修改fe_set的内容，由此来通知执行了select()的进程哪一socket或文件可读。 多端口复用函数select在调用前要首先设置监听的端口数目，FD_ZERO是清空端口集，FD_SET是设置端口集。 select()函数常常用在用一个进程监听多个服务器端socket。 有时，select()也被当作延时函数使用。sleep()延时会释放CPU，select()的话，可以在占用CPU的情况下延时。 select()函数主要是建立在fd_set类型的基础上的。fd_set(它比较重要所以先介绍一下)是一组文件描述字(fd)的集合，它用一位来表示一个fd(下面会仔细介绍)，对于fd_set类型通过下面四个宏来操作： fd_set set; FD_ZERO(&set); /*将set清零使集合中不含任何fd*/ FD_SET(fd, &set); /*将fd加入set集合*/ FD_CLR(fd, &set); /*将fd从set集合中清除*/ FD_ISSET(fd, &set); /*测试fd是否在set集合中*/ 过去，一个fd_set通常只能包含<32的fd(文件描述字)，因为fd_set其实只用了一个32位矢量来表示fd; 现在，UNIX系统通常会在头文件<sys/select.h>中定义常量FD_SETSIZE，它是数据类型fd_set的描述字数量，其值通常是1024，这样就能表示<1024的fd。根据fd_set的位矢量实现，我们可以重新理解操作fd_set的四个宏： fd_set set; FD_ZERO(&set); /*将set的所有位置0，如set在内存中占8位则将set置为00000000*/ FD_SET(0, &set); /*将set的第0位置1，如set原来是00000000，则现在变为100000000，这样fd==1的文件描述字就被加进set中了*/ FD_CLR(4, &set); /*将set的第4位置0，如set原来是10001000，则现在变为10000000，这样fd==4的文件描述字就被从set中清除了*/ FD_ISSET(5, &set); /*测试set的第5位是否为1，如果原来set是10000100，则返回非零，表明fd==5的文件描述符在set中，否则返回0*/ 注意：fd的最大值必须<FD_SETSIZE。 select函数的接口比较简单： int select(int nfds, fd_set* readset, fd_set* writeset, fe_set* exceptset, struct timeval* timeout); 功能： 测试指定的fd可读？可写？有异常条件待处理？ 参数： nfds： 需要检查的文件描述字个数(即检查到fd_set的第几位)，数值应该比三组fd_set中所含的最大fd值更大，一般设为三组fd_set中所含的最大fd值加1(如在readset, writeset, exceptset中所含最大的fd为5，则nfds＝6，因为fd是从0开始的 )。设这个值是为了提高效率，使函数不必检查fd_set的所有1024位。 readset： 用来检查可读性的一组文件描述字。 writeset： 用来检查可写性的一组文件描述字。 exceptset： 用来检查是否有异常条件出现的文件描述字。(注：错误不包括在异常条件之内) timeout： 有三种可能： 1. timeout = NULL (阻塞：直到有一个fd位被置为1函数才返回) 2. timeout所指向的结构设为非零时间(等待固定时间：有一个fd位被置为1或者时间耗尽，函数均返回) 3. timeout所指向的结构，时间设为0(非阻塞：函数检查完每一个fd后立即返回) 返回值：返回对应位仍然为1的fd的总数。 Remark： 三组fd_set均将某些fd位置0，只有那些可读，可写以及有异常条件待处理的fd位仍然为1。 使用select函数的过程一般是： 先调用宏FD_ZERO将指定的fd_set清零，然后调用宏FD_SET将需要测试的fd加入fd_set，接着调用函数select测试fd_set中的所有fd，最后用宏FD_ISSET检查某个fd在函数select调用后，相应位是否仍然为1。 以下是一个测试单个文件描述字可读性的例子： int isready(int fd) { int rc; fd_set fds; struct timeval tv; FD_ZERO(&fds); FD_SET(fd, &fds); tv.tv_sec = tv.tv_usec = 0; rc = select(fd+1, &fds, NULL, NULL, &tv); if( rc<0 ) //error return -1; return FD_ISSET(fd, &fds) ? 1: 0; } 下面还有一个复杂一些的应用： //这段代码将指定测试Socket的描述字的可读可写性，因为Socket使用的也是fd unit32 SocketWait(TSocket* s, bool rd, bool wr, unit32 timems) { fd_set rfds, wfds; #ifdef _WIN32 TIMEVAL tv; #else struct timeval tv; #endif /*_WIN32*/ FD_ZERO(&rfds); FD_ZERO(&wfds); if(rd) //TRUE FD_SET(*s, &rfds); //添加要测试的描述字 if(wr) FD_SET(*s, &wfds); tv.tv_sec = timems/1000; //seconds tv.tv_usec = timems%1000; //ms for(;;) //如果errno＝＝EINTR，反复测试缓冲区的可读性 switch(select((*s)+1, &fds, &wfds, NULL, (timems==TIME_INFINITE?NULL:&tv))) //测试在规定的时间内套接字接口接收缓冲区是否有数据可读 { // 0——超时, -1——出错 case 0: /*time out*/ return 0; case (-1): /*socket error*/ if( SocketError()==EINTR ) break; return 0; //有错但不是EINTR default: if(FD_ISSET(*s, &rfds)) //如果s是fds中的一员返回非0，否则返回0 return 1; if(FD_ISSET(*s, &wfds)) rerun 2; return 0; }; }

Select()系统调用及文件描述符集fd_set的应用

Select()系统调用及文件描述符集fd_set的应用

湖南省衡阳市环境工程公司网络中心 张 卿

在网络程序中，一个进程同时处理多个文件描述符是很常见的情况。select()系统调用可以使进程检测同时等待的多个I/O设备，当没有设备准备好时，select()阻塞，其中任一设备准备好时，select()就返回。

select()的调用形式为：

#include <sys/select.h>

#include <sys/time.h>

int select(int maxfd, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fe_set *exceptfds, const struct timeval *timeout);

select的第一个参数是文件描述符集中要被检测的比特数，这个值必须至少比待检测的最大文件描述符大1；参数readfds指定了被读监控的文件描述符集；参数writefds指定了被写监控的文件描述符集；而参数exceptfds指定了被例外条件监控的文件描述符集。

参数timeout起了定时器的作用：到了指定的时间，无论是否有设备准备好，都返回调用。timeval的结构定义如下：

struct timeval{

long tv_sec; //表示几秒

long tv_usec; //表示几微妙

}

timeout取不同的值，该调用就表现不同的性质：

1．timeout为0，调用立即返回；

2．timeout为NULL，select()调用就阻塞，直到知道有文件描述符就绪；

3．timeout为正整数，就是一般的定时器。

select调用返回时，除了那些已经就绪的描述符外，select将清除readfds、writefds和exceptfds中的所有没有就绪的描述符。select的返回值有如下情况：

1．正常情况下返回就绪的文件描述符个数；

2．经过了timeout时长后仍无设备准备好，返回值为0；

3．如果select被某个信号中断，它将返回-1并设置errno为EINTR。

4．如果出错，返回-1并设置相应的errno。

系统提供了4个宏对描述符集进行操作：

#include <sys/select.h>

#include <sys/time.h>

void FD_SET(int fd, fd_set *fdset);

void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset);

void FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset);

void FD_ZERO(fd_set *fdset);

宏FD_SET设置文件描述符集fdset中对应于文件描述符fd的位(设置为1)，宏FD_CLR清除文件描述符集fdset中对应于文件描述符fd的位（设置为0），宏FD_ZERO清除文件描述符集fdset中的所有位(既把所有位都设置为0)。使用这3个宏在调用select前设置描述符屏蔽位，在调用select后使用FD_ISSET来检测文件描述符集fdset中对应于文件描述符fd的位是否被设置。

过去，描述符集被作为一个整数位屏蔽码得到实现，但是这种实现对于多于32个的文件描述符将无法工作。描述符集现在通常用整数数组中的位域表示，数组元素的每一位对应一个文件描述符。例如，一个整数占32位，那么整数数组的第一个元素代表文件描述符0到31，数组的第二个元素代表文件描述符32到63，以此类推。宏FD_SET设置整数数组中对应于fd文件描述符的位为1，宏FD_CLR设置整数数组中对应于fd文件描述符的位为0，宏FD_ZERO设置整数数组中的所有位都为0。假设执行如下程序后：

#include <sys/select.h>

#include <sys/time.h>

fd_set readset;

FD_ZERO(&readset);

FD_SET(5, &readset);

FD_SET(33, &readset);

则文件描述符集readset中对应于文件描述符6和33的相应位被置为1，如图1所示：

再执行如下程序后：

FD_CLR(5, &readset);

则文件描述符集readset对应于文件描述符6的相应位被置为0，如图2所示：

通常，操作系统通过宏FD_SETSIZE来声明在一个进程中select所能操作的文件描述符的最大数目。例如：

在4.4BSD的头文件中我们可以看到：

＃ifndef FD_SETSIZE

#define FD_SETSIZE 1024

#endif

在红帽Linux的头文件<bits/types.h>中我们可以看到：

＃define __FD_SETSIZE 1024

以及在头文件<sys/select.h>中我们可以看到：

#include <bits/types.h>

#define FD_SETSIZE __FD_SETSIZE

既定义FD_SETSIZE为1024，一个整数占4个字节，既32位，那么就是用包含32个元素的整数数组来表示文件描述符集。我们可以在头文件中修改这个值来改变select使用的文件描述符集的大小，但是必须重新编译内核才能使修改后的值有效。当前版本的unix操作系统没有限制FD_SETSIZE的最大值，通常只受内存以及系统管理上的限制。

我们明白了文件描述符集的实现机制之后，就可对其进行灵活运用。（以下程序在红帽Linux 6.0下运行通过，函数fd_isempty用于判断文件描述符集是否为空；函数fd_fetch取出文件描述符集中的所有文件描述符）

#include <stdio.h>

#include <string.h>

#include <sys/time.h>

#include <sys/select.h>

struct my_fd_set{

fd_set fs; //定义文件描述符集fs

unsigned int nconnect; //文件描述符集fs中文件描述符的个数

unsigned int nmaxfd; //文件描述符集fs中最大的文件描述符

};

/* 函数fd_isempty用于判断文件描述符集是否为空，为空返回1，不为空则返回0 */

int fd_isempty(struct my_fd_set *pfs)

{

int i;

/* 文件描述符集fd_set是通过整数数组来实现的，所以定义整数数组myset的元素个数为文件描述符集fd_set所占内存空间的字节数除以整数所占内存空间的字节数。

*/

unsigned int myset[sizeof(fd_set) / sizeof(int)];

/* 把文件描述符集pfs->fs 拷贝到数组myset */

memcpy(myset, &pfs->fs, sizeof(fd_set));

for(i = 0; i < sizeof(fd_set) / sizeof(int); i++)

/* 如果myset的某个元素不为0，说明文件描述符集不为空，则函数返回0 */

if (myset[i])

return 0;

return 1; /* 如果myset的所有元素都为0，说明文件描述符集为空，则函数返回1 */

}

/* 函数fd_fetch对文件描述符集进行位操作，把为1的位换算成相应的文件描述符，然后就可对其进行I/O操作 */

void fd_fetch(struct my_fd_set *pfs)

{

struct my_fd_set *tempset; //定义一个临时的结构指针

unsigned int myset[sizeof(fd_set)/sizeof(unsigned int)];

unsigned int i, nbit, nfind, ntemp;

tempset = pfs;

memcpy(myset, &tempset->fs, sizeof(fd_set));

/* 把最大的文件描述符maxfd除以整数所占的位数，得出maxfd在文件描述符集中相应的位对应于整数数组myset的相应元素的下标，目的是为了减少检索的次数 */

nfind = tempset->nmaxfd / (sizeof(int)*8);

for (i = 0; i <= nfind; i++) {

/* 如果数组myset的某个元素为0，说明这个元素所对应的文件描述符集的32位全为0，则继续判断下一元素。*/

if (myset[i] == 0) continue;

/* 如果数组myset的某个元素不为0，说明这个元素所对应的文件描述符集的32位中有为1的，把myset[i]赋值给临时变量ntemp，对ntemp进行位运算，把为1的位换算成相应的文件描述符 */

ntemp = myset[i];

/* nbit记录整数的二进制位数，对ntemp从低到高位进行&1运算，直到整数的最高位,或直到文件描述符集中文件描述符的个数等于0 */

for (nbit = 0; tempset->nconnect && (nbit < sizeof(int)*8); nbit++) {

if (ntemp & 1) {

/* 如果某位为1，则可得到对应的文件描述符为nbit + 32*I，然后我们可对其进行I/O操作。这里我只是做了简单的显示。*/

printf("i = %d, nbit = %d, The file description is %d ", i, nbit, nbit + 32*i);

/* 取出一个文件描述符后，将文件描述符集中文件描述符的个数减1 */

tempset->nconnect--; }

ntemp >>= 1; // ntemp右移一位

}

}

}

/* 下面的主程序是对以上两个函数的测试 */

main()

{

/* 假设fd1，fd2，fd3为3个文件描述符，实际运用中可为Socket描述符等 */

int fd1 = 7, fd2 = 256, fd3 = 1023, isempty;

struct my_fd_set connect_set;

connect_set.nconnect = 0;

connect_set.nmaxfd = 0;

FD_ZERO(&connect_set.fs);

/* FD_SET操作前对函数fd_isempty进行测试 */

isempty = fd_isempty(&connect_set);

printf("isempty = %d ", isempty);

FD_SET(fd1, &connect_set.fs);

FD_SET(fd2, &connect_set.fs);

FD_SET(fd3, &connect_set.fs);

connect_set.nconnect = 3;

connect_set.nmaxfd = fd3 ;

/* FD_SET操作后，既把文件描述符加入到文件描述符集之后，对函数fd_isempty进行测试 */

isempty = fd_isempty(&connect_set);

printf("isempty = %d ", isempty);

/* 对函数fd_ fetch进行测试 */

fd_fetch(&connect_set);

}

/* 程序输出结果为 ：*/

isempty is 1

isempty is 0

i = 0, nbit = 7, The file description is 7

i = 8, nbit = 0, The file description is 256

i = 31, nbit = 31, The file description is 1023