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何兴鹏: select函数源码简析

2018-09-27 16:12 246 查看


阻塞式I/O: “有美人兮，见之不忘，一日不见兮，思之如狂。”select: “所用皆鹰腾，破敌过箭疾”01

简介

select()
允许一个程序监听多个文件描述符，等待一个或者多个文件描述符的I/O操作变成“就绪”状态（比如：可读）。 

参数

int nfds
参数表示待监听的集合里的最大文件描述符的值 + 1。
fd_set *readfds
、
fd_set *writefds
、
fd_set *exceptfds
三个集合分别存放需要监听读、写、异常三个操作的文件描述符。
struct timeval *timeout
表示超时时间。设为0则立刻扫描并返回，设为NULL则永远等待，直到有文件描述符就绪。
02

内核实现


阅读的Linux内核版本：

linux-2.6.32.68
select源码位于fs/select.c文件
执行流程select函数执行从此开始，关键调用流程如下： select -> core_sys_select() -> do_select() 。selcet的主要操作在
do_select()
函数中完成。在上述函数中，主要把超时时间
tvp
的值从用户空间复制到内核空间，并且调用
poll_select_set_timeout()
函数把超时时间的长度加到当前时间上，获得最终的结束时间点
to
。由于
poll_select_set_timeout()
的时间精度是纳秒，所以需要转换。之后调用
core_sys_select()
函数执行主要逻辑。在主要程序执行完之后，还会调用
poll_select_copy_remaining()
把等待时间中的剩余时间返回给用户态的
tvp
。03

core_sys_select()

core_sys_select()
函数主要为真正的select操作分配存储空间。这里分配了一个名为
stack_fds
的
long
长整型集合。首先预分配了
long stack_fds[SELECT_STACK_ALLOC/sizeof(long)];
，根据 可以看到
stack_fds
的大小为 256bit 。
之前存放文件描述符集合的类型是
fd_set<
20000
/code>,根据

可以看到 fd_set
类型在内核里是实际上
__kernel_fd_set
结构体，里面只包含了一个
unsigned long
类型的数组
fds_bits
。这个数组的大小是 1024/(8 * sizeof(unsigned long)) ，也就是这个数组占用空间为 1024bit 。在select中文件描述符在集合里是以位图的形式存在的，把文件描述符存放在三个集合中，最大直到 1023 ，也就是只能监听最多 1024 个文件描述符，并且只能是0 ~ 1023。所以，存放文件描述符的数据结构限制了 select() 最多只能监听 1024 个文件描述符。回到刚刚
core_sys_select()
里的
stack_fds
数组，这个变量的占用空间大小是 256*sizeof(long) bit 。 
根据
We need 6 bitmaps (in/out/ex for both incoming and outgoing)
以及代码可以看到，
stack_fds
要存放的是6个位图，分别对应用户态传入的存放监听读、写、异常三个操作的文件描述符集合，以及这三个操作在select执行过后需要返回的三个集合。这是 select 的机制，每次执行 select() 之后，函数把“就绪”的文件描述符留下，返回。下一次，再次执行 select() 时，需要重新把需要监听的文件描述符传入。我认为，如果要节约空间，完全可以在传入的三个集合中进行删减，不必浪费三个集合的空间。（我的想法，可能有其他问题。）如果刚从栈中分配的
stack_fds
不够存放6个集合的数据，那么再从 kmalloc 分配（用于分配大空间）。6个集合分别用指针指向
stack_fds
中的不同部分空间，依次利用。
size
为间隔大小。根据 
size=FDS_BYTES(n);
它的大小是
((((n)+(8*sizeof(long))-1)/(8*sizeof(long)))*sizeof(long))
，以32位系统为例，
long
为8字节，则大小为
((((n)+8*8-1)/(8*8))*8)
化简为
(n-1)/8 + 8
。
n
是用户态程序指定的最大描述符+1，如果我要监听的最大文件描述符为7， n 为8，由于这是整型运算，则结果为 8 。也就是确保能存下所有描述符，而且大小为 8 的倍数 。所以
kmalloc
分配的空间6个集合是可以存放下去的。之后从用户态空间把集合数据拷贝过来，并且初始化用于输出的3个位图空间为0。进入
do_select()
函数。04

do_select()

在

do_select()
里面，主要是一遍一遍循环遍历每一个文件描述符，查询哪一个为就绪状态。在外层的循环
for (;;)
，每一次是整个集合遍历一遍。这是死循环，直到达到触发条件 1.有就绪的文件描述符 2.超时 3.中断。第一遍之后，当前进程会进入睡眠状态，以节约资源，直到下一次被唤醒（由文件描述符变为就绪状态触发唤醒）。第二层的
for (i = 0; i < n; ++rinp, ++routp, ++rexp) {
循环，每一次是遍历
__NFDBITS
个描述符，这是由第三层循环决定的。从
i < n
可知，因为函数只会循环到 n-1 ，所以才需要输入的最大文件描述符值
nfds
 + 1 。第三层
for (j = 0; j < __NFDBITS; ++j, ++i, bit <<= 1) {
循环每次遍历一个 bit 即一个文件描述符，遍历
__NFDBITS
次。根据：
可以看到，遍历的数量就是8个unsigned long长度。因为对于位图，可以一次比较多位，都没有需要监听的文件描述符就跳过，以加快速度。循环里先根据文件描述符获得文件结构体，然后调用结构体里
f_op
中挂载的
poll
函数，以获取就绪信息。可以看到select的功能依赖文件的驱动实现。
mask = (*f_op->poll)(file, wait);
是 select 的关键，这里不仅检测了文件是否就绪，而且还把当前进程加入等待队列，如果该文件描述符就绪，则会触发回调，以及唤醒该进程。这需要该文件挂载的驱动配合的。
retval
变量用于累计“就绪”的文件描述符数量，包括3个集合所有的。一整次扫描完成的最后，调用
poll_schedule_timeout
函数，如果还未超时，则进入睡眠，等待就绪的文件描述符唤醒。超时则，
timed_out = 1;
。所以可以看到 THE END此处为跳出循环的代码，也就是在超时之后，还要再循环一次才能跳出。最后跳出循环后，调用
poll_freewait(&table);
移出等待队列。可以看出来，select 的开销大在于每次都要遍历扫描每一个文件描述符就绪状态，并且是从最小的描述符 0 开始比较，做了很多无用功，所以效率很低。随着文件描述符的增加，效率会越来越低。
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