IO多路复用之select

1. 基本概念

    IO多路复用是指内核一旦发现进程指定的一个或多个IO条件准备就绪，它就通知该进程。IO多路复用使用如下场合：

    (1) 当客户处理多个描述符时(一般是交互式输入和网络套接口)，必须使用IO复用

    (2) 当一个客户同时处理多个套接口时，而这种情况是可能的，但很少出现。

    (3) 如果一个TCP服务器既要处理监听套接口，又要处理已有连接套接口，一般也要用到IO复用

    (4) 如果一个服务器挤压送处理TCP，又要处理UDP，一般要使用IO复用

    (5) 如果一个服务器要处理多个服务或多个协议，一般要使用IO复用

    与多进程和多线程技术相比，IO多路复用技术最大优势是系统开销小，系统不比创建进程、线程，也不比维护这些进程、线程，从而大大减小了系统的开销。

2. select函数

    该函数准许进程指示内核等待多个时间中的任何一个发送，并只在一个或多个时间发生或经历一段知道时间后才唤醒。函数原型如下：
#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>

int select(int maxfdp1, fd_set *readset, fd_set *writeset, fd_set *exceptset, const struct timeval *timeout);
返回就绪描述符的数目，超市返回0，出错返回-1     函数参数介绍如下：
    (1) 第一个参数maxfdp1指定待测试的描述符字个数，它的值是待测试的最大描述字加1(因此把该参数命名为maxfd拍)，描述字0/1/2.../maxfdp1-1均将被测试

    (2) 中间的三个参数readset、writeset和exceptset指定我们要让内核测试读、写和异常条件的描述字。如果对某一个的条件不敢兴趣，就可以把它设为空指针。stryct fd_set可以理解为一个集合，这个集合中存放的是文件描述符，可通过以下四个宏进行设置：

void FD_ZERO(fd_set *fdset); // 清空集合
void FD_SET(int fd, fd_set *fdset); //将一个给定的文件描述符加入集合之中
void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset); // 将一个给定的文件描述符从集合中删除
int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset); // 检查集合中知道的文件描述符是否可以读写    (3) timeout告知内核等待所指定描述字中的任何一个就绪可花多少时间。其中timeval结构用于指定这段时间的秒数和微秒数
struct timeval{
long tv_sec;//秒数
long tv_usec; // 微秒数
};    这个参数有三种可能：
    (1) 永远等待下去：仅在有一个描述字准备好I/O才返回，为此，把该参数设置为NULL

    (2) 等待一个固定时间：在有一个描述字准备好IO时返回，但是不超过由该参数所指向的timeval结构中指定的秒数和微秒数

    (3) 根本不等待：检查描述字后立即返回，这称为轮询。为此该参数必须指向一个timeval结构，而且其中的定时器的值必须为0

   

    原理图：

   


 

3. 测试程序

    写一个TCP回显程序，程序的功能是：客户端想服务器发送信息，服务器接收并原样发送给客户端，客户端显示出接收到的信息。

    服务器程如下：

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

#define IPADDR "127.0.0.1"
#define PORT 11343
#define MAXLINE 1024
#define LISTENQ 5
#define SIZE 4

typedef struct server_context_st
{
int cli_cnt; /*客户端个数*/
int clifds[SIZE]; /*客户端*/
fd_set allfds; /*句柄集合*/
int maxfd; /*句柄最大值*/
}server_context_st;

static server_context_st *s_srv_ctx = NULL;

static int create_server_proc(const char *ip, int port)
{
int fd;
int yes = 1;
int reuse = 1;
struct sockaddr_in servaddr;
fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if(fd == -1){
fprintf(stderr, "Create socket fail, errno:%d,reason:%s\n", errno, strerror(errno));
return -1;
}

if(setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &yes, sizeof(int)) == -1){
return -1;
}

if(setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &reuse, sizeof(reuse)) == -1){
return -1;
}

bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
inet_pton(AF_INET, ip, &servaddr.sin_addr);
servaddr.sin_port = htons(port);

if(bind(fd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) == -1){
perror("bind error:");
return -1;
}

listen(fd, LISTENQ);
return fd;
}

static int accept_client_proc(int srvfd)
{
struct sockaddr_in cliaddr;
socklen_t cliaddrlen;
int i = 0;
int clifd = -1;
cliaddrlen = sizeof(cliaddr);
printf("accept client proc is called.\n");

ACCEPT:
clifd = accept(srvfd, (struct sockaddr*)&cliaddr, &cliaddrlen);

if(clifd == -1){
if (errno == EINTR){
goto ACCEPT;
}else{
fprintf(stderr, "accept fail, error:%s\n", strerror(errno));
return -1;
}
}
fprintf(stdout, "accept a new client:%s:%d\n", inet_ntoa(cliaddr.sin_addr), cliaddr.sin_port);

// 将新连接描述符添加到数组
for(i = 0; i < SIZE; i++){
if(s_srv_ctx->clifds[i] < 0){
s_srv_ctx->clifds[i] = clifd;
s_srv_ctx->cli_cnt++;
break;
}
}
printf("i = %d, SIZE = %d\n",i,SIZE);
if(i == SIZE){
fprintf(stderr, "to many clients.\n");
return -1;
}
}

static int handle_client_msg(int fd, char *buf)
{
assert(buf);
printf("recv buf is: %s\n", buf);
write(fd, buf, strlen(buf)+1);
return 0;
}

static void recv_client_msg(fd_set *readfds)
{
int i;
int n;
char buf[MAXLINE];
int clifd;
i = 0;
n = 0;
bzero(buf, MAXLINE);

for(i = 0; i <= s_srv_ctx->cli_cnt; i++){
clifd = s_srv_ctx->clifds[i];
if(clifd < 0){
continue;
}

if(FD_ISSET(clifd, readfds)){
n = read(clifd, buf, MAXLINE);
if(n <= 0){
FD_CLR(clifd, &s_srv_ctx->allfds);
close(clifd);
s_srv_ctx->clifds[i] = -1;
continue;
}

handle_client_msg(clifd, buf);
}
}
}

static void handle_client_proc(int srvfd)
{
int clifd;
int retval;
struct timeval tv;
int i;
fd_set *readfds = &s_srv_ctx->allfds;

while(1){
/*每次调用select前都要重新设置文件描述符和时间，因为事件发生后，文件描述符和时间都被内核修改*/
/*添加监听套接字 */
FD_ZERO(readfds);
FD_SET(srvfd, readfds);
s_srv_ctx->maxfd = srvfd;

tv.tv_sec = 30;
tv.tv_usec = 0;

/*添加客户端套接字*/
for(i = 0; i < s_srv_ctx->cli_cnt; i++){
clifd = s_srv_ctx->clifds[i];
FD_SET(clifd, readfds);
s_srv_ctx->maxfd = (clifd > s_srv_ctx->maxfd ? clifd:s_srv_ctx->maxfd);
}

retval = select(s_srv_ctx->maxfd+1, readfds, NULL, NULL,&tv);

if(retval == -1){
fprintf(stderr, "select error:%s.\n", strerror(errno));
return;
}
if(retval == 0){
fprintf(stdout, "select is timeout.\n");
continue;
}

if(FD_ISSET(srvfd, readfds)){
/*监听客户端请求*/
accept_client_proc(srvfd);
}else{
/*接受处理客户端消息*/
recv_cl
4000
ient_msg(readfds);
}
}
}

static void server_uninit()
{
if(s_srv_ctx){
free(s_srv_ctx);
s_srv_ctx = NULL;
}
}

static int server_init()
{
int i = 0;
s_srv_ctx = (server_context_st *)malloc(sizeof(server_context_st));
if(s_srv_ctx == NULL){
return -1;
}

memset(s_srv_ctx, 0, sizeof(server_context_st));

for(i = 0; i < SIZE; i++){
s_srv_ctx->clifds[i] = -1;
}

return 0;
}

int main(int argc, char** argv)
{
int srvfd;
if(server_init() < 0){
printf("init error.\n");
return -1;
}

srvfd = create_server_proc(IPADDR, PORT);
if(srvfd < 0){
fprintf(stderr, "socket create or bind fail.\n");
goto err;
}

handle_client_proc(srvfd);
return 0;

err:
server_uninit();
return -1;
}


客户端代码如下：
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/select.h>
#include <time.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <errno.h>

#define MAXLINE 1024
#define IPADDRESS "127.0.0.1"
#define SERV_PORT 11343

#define max(a,b) (a>b)?a:b

static void handle_recv_msg(int sockfd, char *buf)
{
printf("client recv msg is: %s\n", buf);
sleep(5);
write(sockfd, buf, strlen(buf) + 1);
}

static void handle_connection(int sockfd)
{
char sendline[MAXLINE];
char recvline[MAXLINE];
fd_set readfds;
int n;
struct timeval tv;
int retval;
int maxfdp;
int stdineof;

while(1){
FD_ZERO(&readfds);
FD_SET(sockfd, &readfds);
maxfdp = sockfd;

tv.tv_sec = 5;
tv.tv_usec = 0;

retval = select(maxfdp+1, &readfds, NULL, NULL, &tv);
if(retval == -1){
return;
}
if(retval == 0){
printf("client timeout.\n");
continue;
}

if(FD_ISSET(sockfd, &readfds)){
n = read(sockfd, recvline, MAXLINE);
if(n <= 0){
fprintf(stderr, "client: server is closed.\n");
close(sockfd);
FD_CLR(sockfd, &readfds);
return;
}
handle_recv_msg(sockfd, recvline);
}

}
}

int main(int argc, char** argv)
{
int sockfd;
struct sockaddr_in servaddr;
int retval;

sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if(sockfd < 0){
printf("socket error\n");
return -1;
}

bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
inet_pton(AF_INET, IPADDRESS, &servaddr.sin_addr);

retval = connect(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr));
if(retval < 0){
fprintf(stderr, "connect fail, error:%s\n", strerror(errno));
return -1;
}

printf("client send to server.\n");
write(sockfd, "hello server", 32);

handle_connection(sockfd);
return 0;
}