socket编程：多路复用I/O服务端客户端之select

其实在之前的TCP之中，我们编程实现了多进程，多线程机制下的TCP服务器，但是对于这种的TCP服务器而言，存在太大的资源局限性。所以我们可以是用I/0模型中的多路复用I/O模型来进行编程。

他的具体思想就是：当前进程可以处理多个相应时间，记录多个描述符，然后控制轮询时间态，当有响应产生的时候我们就去保存当前响应文件描述符，对他进行连接处理/数据传输就OK了。在一个进程进行多个响应时间的答复情况下，可以大大的节约我们系统所消耗的资源。

对这个进行操作的函数就是select()：
他的函数原型如下：



首先我们不看select函数本身，我们先去看一下select下面的几个FD函数：
FD = fd,其实很简单，就是我们的文件描述符操作函数。
关于fd_set*类型的变量：其实就是一个对某种类型时间行为的文件描述符集合，称为描述词组。
FD_CLR(inr fd,fd_set* set)；用来清除描述词组set中相关fd 的位
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
FD_SET（int fd,fd_set*set）；用来设置描述词组set中相关fd的位
FD_ZERO（fd_set *set）；用来清除描述词组set的全部位。

然后我们来看一下select函数：
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。
struct 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。
参数timeout为结构timeval，用来设置select()的等待时间，其结构定义如下：



如果参数timeout设为：
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。

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。

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。
（1）执行fd_set set; FD_ZERO(&set);则set用位表示是0000,0000。
（2）若fd＝5,执行FD_SET(fd,&set);后set变为0001,0000(第5位置为1)
（3）若再加入fd＝2，fd=1,则set变为0001,0011
（4）执行select(6,&set,0,0,0)阻塞等待
（5）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。
　基于上面的讨论，可以轻松得出select模型的特点：
　　（1)可监控的文件描述符个数取决与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。据说
可调，另有说虽然可调，但调整上限受于编译内核时的变量值。本人对调整fd_set的大小不
太感兴趣，参考http://www.cppblog.com /CppExplore/archive/2008/03/21/45061.html中的模
型2（1）可以有效突破select可监控的文件描述符上 限。
　　（2）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。
　　（3）可见select模型必须在select前循环array（加fd，取maxfd），select返回后循环array
（FD_ISSET判断是否有时间发生）。

对于利用select函数所编写的服务器端而言：
TCP服务端所产生的所有sock套接字描述符（文件描述符）,其实都可以归纳到可读文件描述符集合中。

当我们检测到listen()的sock套接字就建立连接accept()，如果确认到是普通，也就是我们accept()所产生的文件描述符时，就确定这个是一条对于客户端/服务端的连接链路。然后我们就利用相关的函数操作进行信息传输，

timeout代表当次所进行的询问等待时间，需要注意的是就是每一次循环都必须重新设置timeout。

每一次循环开始都要对描述词组进行初始化，要不然当timeout耗尽而没有产生响应的话，会改变描述词组的值，从而产生错误。

select缺点：
（1）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
（2）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
（3）select支持的文件描述符数量太小了，默认是1024。

下面是I/O多路复用的代码：
服务器端：#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<stdlib.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<unistd.h>
#include<error.h>
#include<assert.h>

#define _BACKLOG_ 5

int fds[64]; //文件描述符集合

//命令行参数出错
static void usage(const char *proc)
{
printf("usage : %s [ip][port]\n",proc);
}

//服务器端TCP的链接绑定监听状态。
static int startup(char *ip,int port)
{
assert(ip);

int sock = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
if(sock < 0)
{
perror("socket");
exit(1);
}

struct sockaddr_in local;
local.sin_family = AF_INET;
local.sin_port = htons(port);
local.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip);

int set = -1;
if(setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &set, sizeof(set)) < 0)
{   
    perror("setsoickopt");
exit(4);
}

if(bind(sock,(struct sockaddr*)&local,sizeof(local)) < 0)
{
perror("bind");
exit(2);
}

if(listen(sock,_BACKLOG_) < 0)
{
perror("listen");
exit(3);
}

return sock;
}

int main(int argc,char *argv[])
{
//判断命令参数行.
if(argc != 3)
{
usage(argv[0]);
exit(1);
}

int port = atoi(argv[2]);
char *ip = argv[1];

int listen_sock = startup(ip,port);
int done = 0;
int new_sock = -1;
struct sockaddr_in client;
socklen_t len = sizeof(client);

int max_fd; //selet函数的第一个记录参数/

//读写事件文件描述符
fd_set reads;
fd_set writes;

int i = 0;
int fds_num = sizeof(fds)/sizeof(fds[0]);

//对文件描述符集合进行初始化
for(;i < fds_num;++i)
{
fds[i] = -1;
}

//当前存在listen文件描述符。
fds[0] = listen_sock;

max_fd = fds[0]; //初次调用select函数设置max_fd的值；

while(!done)
{
//初始化读写文件描述符
FD_ZERO(&reads);
FD_ZERO(&writes);
//将listen_sock设置为reads，因为时在等待请求相应，相当与当前的读取操作。
FD_SET(listen_sock,&reads);
//设置多路复用中的轮寻时间表。
struct timeval timeout = {5,0};

//没次读取添加事件到reads中。;
for(i = 1;i < fds_num; ++i)
{
if(fds[i] >0)
{
FD_SET(fds[i],&reads);
if(fds[i] > max_fd)
{
max_fd = fds[i];
}
}
}

switch(select(max_fd+1, &reads,&writes,NULL,&timeout))
{
case 0 ://timeout
{
printf("select timeout\n");
break;
}

case -1:
{ //error
perror("select");
break;
}

default:
{ //返回改变了的文件描述.
i = 0;
char buf[1024];
//遍历所有的文件描述符集合。
for(;i<fds_num;++i)
{
//确认是否时监听时间,是的话就绪要accept；
if(fds[i] == listen_sock && \
FD_ISSET(fds[i],&reads))
{
new_sock = accept(listen_sock,(struct sockaddr*)&client,&len);
if(new_sock <0)
{
perror("accept");
continue;
}
printf("get a new connet...%d\n",new_sock);
for(i = 0;i< fds_num;++i)
{
if(fds[i] == -1)
{
fds[i] = new_sock;
break;
}
}
if(i == fds_num)
{
close(new_sock);
}
}

else if(fds[i] > 0 &&\
FD_ISSET(fds[i],&reads)) //正常事件，但是是非监听时间，也就代表时新建立的new_sock。
{
// char buf[1024];
ssize_t s = read(fds[i],buf,sizeof(buf) -1);
if(s > 0)
{
buf[s] = '\0';
// printf("client : %s\n",buf);
printf("client : %s",buf);
FD_SET(fds[i],&writes);
// write(fds[i],buf,sizeof(s)+1);
}
else if(s == 0)
{
printf("client quit...\n");
close(fds[i]);
fds[i] = -1;
}
else{}
}
else{}

if(fds[i] > 0&&\
FD_ISSET(fds[i],&writes))
{
write(fds[i],buf,sizeof(buf));
}
}
}
break;
}
}
return 0;
}客户端：#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<error.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<arpa/inet.h>

#define _PORT_ 8111

void process_conn_client(int s)
{
ssize_t size  = 0;
char buffer[1024];
while(1)
{
size = read(0,buffer,1024);
if(size > 0)
{
write(s,buffer,size);
size = read(s,buffer,1024);
buffer[size] = '\0';
printf("server:%s",buffer);
//write(1,buffer,size);
}
}
}

int main()
{
int s;

struct sockaddr_in server_sock;

s = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
if(s < 0)
{
printf("sock error");
return 1;
}

bzero(&server_sock,sizeof(server_sock));
server_sock.sin_family = AF_INET;
server_sock.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
server_sock.sin_port = htons(_PORT_);

connect(s,(struct sockaddr *)&server_sock,sizeof(server_sock));
process_conn_client(s);
close(s);

return 0;
}运行结果;



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