Linux下的socket编程实践（7） I/O多路复用技术之select模型

Linux下的socket编程实践（七） I/O多路复用技术之select模型

在进入今天的select模型的主题之前，我们先来简单了解一下五种I/O模型：

（1）阻塞I/O（默认采用这种方式）

在服务端socket编程中，我们常见的accpet函数、recv函数都是采取的阻塞形式。以recv为例： 当上层应用App调用recv系统调用时，如果对等方没有发送数据(Linux内核缓冲区中没有数据),上层应用Application1将阻塞;当对等方发送了数据，Linux内核recv端缓冲区数据到达,内核会把数据copy给用户空间。然后上层应用App解除阻塞,执行下一步操作。

（2）非阻塞I/O（不推荐）

上层应用如果应用非阻塞模式, 会循环调用recv函数，接受数据。若缓冲区没有数据，上层应用不会阻塞，recv返回值为-1，错误码是EWOULDBLOCK（图中的标记有误）。上层应用程序不断轮询有没有数据到来。造成上层应用忙等待。大量消耗CPU。因此非阻塞模式很少直接用。应用范围小，一般和IO复用配合使用。

（3）信号驱动I/O模型（不经常使用）

上层应用建立SIGIO信号处理程序。当缓冲区有数据到来，内核会发送信号告诉上层应用App; 当上层应用App接收到信号后，调用recv函数，因缓冲区有数据，recv函数一般不会阻塞。但是这种用于模型用的比较少，属于典型的“拉模式(上层应用被动的去Linux内核空间中拉数据)”。即：上层应用App,需要调用recv函数把数据拉进来,会有时间延迟,我们无法避免在延迟时,又有新的信号的产生，这也是他的缺陷。

（4）异步I/O（不常用）

上层应用调用aio_read函数，同时提交一个应用层的缓冲区buf；调用完毕后，不会阻塞。上层应用程序App可以继续其他任务; 当TCP/IP协议缓冲区有数据时，Linux主动的把内核数据copy到用户空间。然后再给上层应用App发送信号；告诉App数据到来,需要处理！

   异步IO属于典型的“推模式”, 是效率最高的一种模式，上层应用程序App有异步处理的能力（在Linux内核的支持下,处理其他任务的同时，也可支持IO通讯, 与Windows平台下的完成端口作用类似IOCP）。

（5）I/O复用的select模型（本篇的重点）

试想如果你遇到下面的问题会怎么处理？

1）server除了要对外响应client的服务外，还要能够接受标准输入的命令来进行管理。

假如使用上述阻塞方式，在单线程中，accept调用和read调用必定有先后顺序，而它们都是阻塞的。比如先调用accept，后调用    read，那么如果没有客户请求时，服务器会一直阻塞在accept，没有机会调用read，也就不能响应标准输入的命令。 

2） server要对外提供大量的client请求服务。

 假如使用阻塞方式，在单线程中，由于accept和recev都是阻塞式的，那么当一个client被服务器accept后，它可能在send发送消息时阻塞，因此服务器就会阻塞在recev调用。即时此时有其他的client进行connect，也无法进行响应。

这时就需要select来解决啦！select实现的是一个管理者的功能: 用select来管理多个IO, 一旦其中的一个IO或者多个IO检测到我们所感兴趣的事件, select就返回, 返回值就是检测到的事件个数, 并且由第2~4个参数返回那些IO发送了事件, 这样我们就可以遍历这些事件, 进而处理这些事件。

有人说，我用多线程不就可以了吗？但是在UNIX平台下多进程模型擅长处理并发长连接，但却不适用于连接频繁产生和关闭的情形。当然select并不是最高效的，有着O(N)的时间复杂度，关于更高效的epoll我将在后面的博客中继续讲解，欢迎大家关注,╰(￣▽￣)╮

#include <sys/select.h>  
#include <sys/time.h>  
#include <sys/types.h>  
#include <unistd.h>  
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,  
           fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

nfds: is the highest-numbered file descriptor in any of the three sets,plus 1[读,写,异常集合中的最大文件描述符+1].

fd_set[四个宏用来对fd_set进行操作]

       FD_CLR(int fd, fd_set *set);

       FD_ISSET(int fd, fd_set *set);

       FD_SET(int fd, fd_set *set);

       FD_ZERO(fd_set *set);

timeout[从调用开始到select返回前，会经历的最大等待时间, 注意此处是指的是相对时间]

/timeval结构:  
struct timeval  
{  
    long    tv_sec;     /* seconds */  
    long    tv_usec;    /* microseconds */  
};  
//一些调用使用3个空的set, n为0, 一个非空的timeout来达到较为精确的sleep.

Linux中, select函数改变了timeout值，用来指示还剩下的时间，但很多实现并不改timeout。

为了较好的可移植性，timeout在循环中一般常被重新赋初值。

Timeout取值:

    timeout== NULL

        无限等待,被信号打断时返回-1, errno 设置成 EINTR

    timeout->tv_sec == 0 && tvptr->tv_usec == 0

        不等待立即返回

    timeout->tv_sec != 0 || tvptr->tv_usec != 0

        等待特定时间长度, 超时返回0

注：关于select用来设置超时时间的用法可以参考我的另外一篇博客 http://blog.****.net/nk_test/article/details/49050379

返回值：

   如果成功，返回所有sets中描述符的个数；如果超时，返回0；如果出错，返回-1.

下面是使用select改进服务器端和客户端的程序，解决了上述提出的两个问题：

服务器端：

/*示例1: 用select来改进echo回声服务器的client端的echoClient函数 
使得可以在单进程的情况下同时监听多个文件描述符; 
*/  
void echoClient(int sockfd)  
{  
    char buf[512];  
    fd_set rset;  
    //确保标准输入不会被重定向  
    int fd_stdin = fileno(stdin);  
    int maxfd = fd_stdin > sockfd ? fd_stdin : sockfd;  
    while (true)  
    {  
        FD_ZERO(&rset);
		//监视两个I/O  
        FD_SET(fd_stdin, &rset);  
        FD_SET(sockfd, &rset);  
        int nReady = select(maxfd+1, &rset, NULL, NULL, NULL);  //不需要的置NULL 
        if (nReady == -1)  
            err_exit("select error");  
        else if (nReady == 0)  
            continue;  
  
        /** nReady > 0: 检测到了可读事件 **/  
  
        if (FD_ISSET(fd_stdin, &rset))  
        {  
            memset(buf, 0, sizeof(buf));  
            if (fgets(buf, sizeof(buf), stdin) == NULL)  
                break;  
            if (writen(sockfd, buf, strlen(buf)) == -1)  
                err_exit("write socket error");  
        }  
        if (FD_ISSET(sockfd, &rset))  
        {  
            memset(buf, 0, sizeof(buf));  
            int readBytes = readline(sockfd, buf, sizeof(buf));  
            if (readBytes == 0)  
            {  
                cerr << "server connect closed..." << endl;  
                exit(EXIT_FAILURE);  
            }  
            else if (readBytes == -1)  
                err_exit("read-line socket error");  
  
            cout << buf;  
        }  
    }  
} 

客户端：

/*示例2: 用select来改进echo回射服务器的server端的接受连接与处理连接部分的代码: 
使得可以在单进程的情况下处理多客户连接, 对于单核的CPU来说, 单进程使用select处理连接与监听套接字其效率不一定就会比多进程/多线程性能差; 
*/  
    struct sockaddr_in clientAddr;  
    socklen_t addrLen;  
    int maxfd = listenfd;  
    fd_set rset;  
    fd_set allset;  
    FD_ZERO(&rset);  
    FD_ZERO(&allset);  
    FD_SET(listenfd, &allset);  
   
    int client[FD_SETSIZE];  //用于保存已连接的客户端套接字 
    for (int i = 0; i < FD_SETSIZE; ++i)  
        client[i] = -1;  
    int maxi = 0;   //用于保存最大的不空闲的位置, 用于select返回之后遍历数组  
  
    while (true)  
    {  
        rset = allset;  
        int nReady = select(maxfd+1, &rset, NULL, NULL, NULL);  
        if (nReady == -1)  
        {  
            if (errno == EINTR)  
                continue;  
            err_exit("select error");  
        }  
        //nReady == 0表示超时, 但是此处是一定不会发生的  
        else if (nReady == 0)  
            continue;  
  
        if (FD_ISSET(listenfd, &rset))  
        {  
            addrLen = sizeof(clientAddr);  
            int connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&clientAddr, &addrLen);  
            if (connfd == -1)  
                err_exit("accept error");  
  
            int i;  
            for (i = 0; i < FD_SETSIZE; ++i)  
            {  
                if (client[i] < 0)  
                {  
                    client[i] = connfd;  
                    if (i > maxi)  
                        maxi = i;  
                    break;  
                }  
            }  
            if (i == FD_SETSIZE)  
            {  
                cerr << "too many clients" << endl;  
                exit(EXIT_FAILURE);  
            }  
            //打印客户IP地址与端口号  
            cout << "Client information: " << inet_ntoa(clientAddr.sin_addr)  
                 << ", " << ntohs(clientAddr.sin_port) << endl;  
            //将连接套接口放入allset, 并更新maxfd  
            FD_SET(connfd, &allset);  
            if (connfd > maxfd)  
                maxfd = connfd;  
  
            if (--nReady <= 0)  
                continue;  
        }  
  
        /**如果是已连接套接口发生了可读事件**/  
        for (int i = 0; i <= maxi; ++i)  
            if ((client[i] != -1) && FD_ISSET(client[i], &rset))  
            {  
                char buf[512] = {0};  
                int readBytes = readline(client[i], buf, sizeof(buf));  
                if (readBytes == -1)  
                    err_exit("readline error");  
                else if (readBytes == 0)  
                {  
                    cerr << "client connect closed..." << endl;  
                    FD_CLR(client[i], &allset);  
                    close(client[i]);  
                    client[i] = -1;  
                }  
                //注意此处: Server从Client获取数据之后并没有立即回射回去,  
                //        而是等待四秒钟之后再进行回射  
                sleep(4);  
                cout << buf;  
                if (writen(client[i], buf, readBytes) == -1)  
                    err_exit("writen error");  
  
                if (--nReady <= 0)  
                    break;  
            }  
    }