IO多路复用之select全面总结(必看篇)

2024-09-01 13:49:48

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供稿：网友

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者多个IO条件准备读取，它就通知该进程。IO多路复用适用如下场合：

（1）当客户处理多个描述字时（一般是交互式输入和网络套接口），必须使用I/O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，又要处理已连接套接口，一般也要用到I/O复用。

（4）如果一个服务器即要处理TCP，又要处理UDP，一般要使用I/O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I/O复用。

与多进程和多线程技术相比，I/O多路复用技术的最大优势是系统开销小，系统不必创建进程/线程，也不必维护这些进程/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事件中的任何一个发送，并只在有一个或多个事件发生或经历一段指定的时间后才唤醒。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)

返回值：就绪描述符的数目，超时返回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maxfdp1），描述字0、1、2...maxfdp1-1均将被测试。

因为文件描述符是从0开始的。

（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感兴趣，就可以把它设为空指针。struct 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); // 检查集合中指定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timeval结构用于指定这段时间的秒数和微秒数。

     struct timeval{          long tv_sec;  //seconds          long tv_usec; //microseconds    };

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时才返回。为此，把该参数设置为空指针NULL。

（2）等待一段固定时间：在有一个描述字准备好I/O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，而且其中的定时器值必须为0。

原理图：

select,io多路复用

3、测试程序

写一个TCP回射程序，程序的功能是：客户端向服务器发送信息，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。

服务端程序如下：

#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 <netinet/in.h>#include <arpa/inet.h>#include <unistd.h>#include <assert.h>#define IPADDR   "127.0.0.1"#define PORT    8787#define MAXLINE   1024#define LISTENQ   5#define SIZE    10typedef struct server_context_st{  int cli_cnt;    /*客户端个数*/  int clifds[SIZE];  /*客户端的个数*/  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;  struct sockaddr_in servaddr;  fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM,0);  if (fd == -1) {    fprintf(stderr, "create socket fail,erron:%d,reason:%s/n",        errno, strerror(errno));    return -1;  }  /*一个端口释放后会等待两分钟之后才能再被使用，SO_REUSEADDR是让端口释放后立即就可以被再次使用。*/  int reuse = 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;  cliaddrlen = sizeof(cliaddr);  int clifd = -1;  printf("accpet clint 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);  //将新的连接描述符添加到数组中  int i = 0;  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;    }  }  if (i == SIZE) {    fprintf(stderr,"too many clients./n");    return -1;  }101 }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 = 0, n = 0;  int clifd;  char buf[MAXLINE] = {0};  for (i = 0;i <= s_srv_ctx->cli_cnt;i++) {    clifd = s_srv_ctx->clifds[i];    if (clifd < 0) {      continue;    }    /*判断客户端套接字是否有数据*/    if (FD_ISSET(clifd, readfds)) {      //接收客户端发送的信息      n = read(clifd, buf, MAXLINE);      if (n <= 0) {        /*n==0表示读取完成，客户都关闭套接字*/        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 = -1;  int retval = 0;  fd_set *readfds = &s_srv_ctx->allfds;  struct timeval tv;  int i = 0;  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啦*/    FD_ZERO(readfds);    /*添加监听套接字*/    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];      /*去除无效的客户端句柄*/      if (clifd != -1) {        FD_SET(clifd, readfds);      }      s_srv_ctx->maxfd = (clifd > s_srv_ctx->maxfd ? clifd : s_srv_ctx->maxfd);    }    /*开始轮询接收处理服务端和客户端套接字*/    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_client_msg(readfds);    }  }}static void server_uninit(){  if (s_srv_ctx) {    free(s_srv_ctx);    s_srv_ctx = NULL;  }}static int server_init(){  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));  int i = 0;  for (;i < SIZE; i++) {    s_srv_ctx->clifds[i] = -1;  }  return 0;}int main(int argc,char *argv[]){  int srvfd;  /*初始化服务端context*/  if (server_init() < 0) {    return -1;  }  /*创建服务,开始监听客户端请求*/  srvfd = create_server_proc(IPADDR, PORT);  if (srvfd < 0) {    fprintf(stderr, "socket create or bind fail./n");    goto err;  }  /*开始接收并处理客户端请求*/  handle_client_proc(srvfd);  server_uninit();  return 0;err:  server_uninit();  return -1;}

客户端程序如下：

#include <netinet/in.h>#include <sys/socket.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 8787#define max(a,b) (a > b) ? a : bstatic 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],recvline[MAXLINE];int maxfdp,stdineof;fd_set readfds;int n;struct timeval tv;int retval = 0;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;sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);bzero(&servaddr,sizeof(servaddr));servaddr.sin_family = AF_INET;servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);inet_pton(AF_INET,IPADDRESS,&servaddr.sin_addr);int retval = 0;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;}

4、程序结果

启动服务程序，执行三个个客户程序进行测试，结果如下图所示：

select,io多路复用