IO多路復用之select全面總結(必看篇)

2024-09-01 13:49:48

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供稿：網友

1、基本概念

IO多路復用是指內核一旦發現進程指定的一個或者多個IO條件準備讀取，它就通知該進程。IO多路復用適用如下場合：

（1）當客戶處理多個描述字時（一般是交互式輸入和網絡套接口），必須使用I/O復用。

（2）當一個客戶同時處理多個套接口時，而這種情況是可能的，但很少出現。

（3）如果一個TCP服務器既要處理監聽套接口，又要處理已連接套接口，一般也要用到I/O復用。

（4）如果一個服務器即要處理TCP，又要處理UDP，一般要使用I/O復用。

（5）如果一個服務器要處理多個服務或多個協議，一般要使用I/O復用。

與多進程和多線程技術相比，I/O多路復用技術的最大優勢是系統開銷小，系統不必創建進程/線程，也不必維護這些進程/線程，從而大大減小了系統的開銷。

2、select函數

該函數準許進程指示內核等待多個事件中的任何一個發送，并只在有一個或多個事件發生或經歷一段指定的時間后才喚醒。函數原型如下：

#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：就緒描述符的數目，超時返回0，出錯返回-1

函數參數介紹如下：

（1）第一個參數maxfdp1指定待測試的描述字個數，它的值是待測試的最大描述字加1（因此把該參數命名為maxfdp1），描述字0、1、2...maxfdp1-1均將被測試。

因為文件描述符是從0開始的。

（2）中間的三個參數readset、writeset和exceptset指定我們要讓內核測試讀、寫和異常條件的描述字。如果對某一個的條件不感興趣，就可以把它設為空指針。struct fd_set可以理解為一個集合，這個集合中存放的是文件描述符，可通過以下四個宏進行設置：

void FD_ZERO(fd_set *fdset); //清空集合

void FD_SET(int fd, fd_set *fdset); //將一個給定的文件描述符加入集合之中

void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset); //將一個給定的文件描述符從集合中刪除

int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset); // 檢查集合中指定的文件描述符是否可以讀寫

（3）timeout告知內核等待所指定描述字中的任何一個就緒可花多少時間。其timeval結構用于指定這段時間的秒數和微秒數。

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

這個參數有三種可能：

（1）永遠等待下去：僅在有一個描述字準備好I/O時才返回。為此，把該參數設置為空指針NULL。

（2）等待一段固定時間：在有一個描述字準備好I/O時返回，但是不超過由該參數所指向的timeval結構中指定的秒數和微秒數。

（3）根本不等待：檢查描述字后立即返回，這稱為輪詢。為此，該參數必須指向一個timeval結構，而且其中的定時器值必須為0。

原理圖：

select,io多路復用

3、測試程序

寫一個TCP回射程序，程序的功能是：客戶端向服務器發送信息，服務器接收并原樣發送給客戶端，客戶端顯示出接收到的信息。

服務端程序如下：

#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;    /*客戶端個數*/  int clifds[SIZE];  /*客戶端的個數*/  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;  }  /*一個端口釋放后會等待兩分鐘之后才能再被使用，SO_REUSEADDR是讓端口釋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);  //將新的連接描述符添加到數組中  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;    }    /*判斷客戶端套接字是否有數據*/    if (FD_ISSET(clifd, readfds)) {      //接收客戶端發送的信息      n = read(clifd, buf, MAXLINE);      if (n <= 0) {        /*n==0表示讀取完成，客戶都關閉套接字*/        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) {    /*每次調用select前都要重新設置文件描述符和時間，因為事件發生后，文件描述符和時間都被內核修改啦*/    FD_ZERO(readfds);    /*添加監聽套接字*/    FD_SET(srvfd, readfds);    s_srv_ctx->maxfd = srvfd;    tv.tv_sec = 30;    tv.tv_usec = 0;    /*添加客戶端套接字*/    for (i = 0; i < s_srv_ctx->cli_cnt; i++) {      clifd = s_srv_ctx->clifds[i];      /*去除無效的客戶端句柄*/      if (clifd != -1) {        FD_SET(clifd, readfds);      }      s_srv_ctx->maxfd = (clifd > s_srv_ctx->maxfd ? clifd : s_srv_ctx->maxfd);    }    /*開始輪詢接收處理服務端和客戶端套接字*/    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)) {      /*監聽客戶端請求*/      accept_client_proc(srvfd);    } else {      /*接受處理客戶端消息*/      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;  /*初始化服務端context*/  if (server_init() < 0) {    return -1;  }  /*創建服務,開始監聽客戶端請求*/  srvfd = create_server_proc(IPADDR, PORT);  if (srvfd < 0) {    fprintf(stderr, "socket create or bind fail./n");    goto err;  }  /*開始接收并處理客戶端請求*/  handle_client_proc(srvfd);  server_uninit();  return 0;err:  server_uninit();  return -1;}

客戶端程序如下：

#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、程序結果

啟動服務程序，執行三個個客戶程序進行測試，結果如下圖所示：

select,io多路復用