【在Linux世界中追寻伟大的One Piece】多路转接select

1 -> I/O多路转接之select

1.1 -> 初识select

系统提供select函数来实现多路复用输入/输出模型。

• select系统调用是用来让我们的程序监视多个文件描述符的状态变化的。
• 程序会停在select这里等待，直到被监视的文件描述符有一个或多个发生了状态改变。

1.2 -> select函数原型

select函数原型如下：

#include <sys/select.h>

int select(int nfds, fd_set* readfds, fd_set* writefds, fd_set
    * exceptfds, struct timeval* timeout);

参数解释：

• 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。
• 参数timeout为结构timeval，用来设置select()的等待时间。

参数timeout取值：

• 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。

1.3 -> 关于fd_set结构

其实这个结构就是一个整数数组，更严格的说，是一个"位图"。使用位图中对应的位来表示要监视的文件描述符。

提供了一组操作fd_set的接口，来比较方便的操作位图。

void FD_CLR(int fd, fd_set* set); // 用来清除描述词组 set 中相关fd的位
int 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
void FD_SET(int fd, fd_set* set); // 用来设置描述词组 set 中相关fd的位
void FD_ZERO(fd_set* set); // 用来清除描述词组 set 的全部位

1.4 -> 关于timeval结构

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。

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。

常见的程序片段如下：

fs_set readset；
FD_SET(fd, &readset);
select(fd + 1, &readset, NULL, NULL, NULL);
if (FD_ISSET(fd, readset)) { …… }

2 -> 理解select执行过程

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。

2.1 -> Socket就绪条件

读就绪

• socket内核中，接收缓冲区中的字节数，大于等于低水位标记SO_RCVLOWAT。此时可以无阻塞的读该文件描述符，并且返回值大于0。
• socket TCP通信中，对端关闭连接，此时对该socket读，则返回0。
• 监听的socket上有新的连接请求。
• socket上有未处理的错误。

写就绪

• socket内核中，发送缓冲区中的可用字节数(发送缓冲区的空闲位置大小)，大于等于低水位标记SO_SNDLOWAT，此时可以无阻塞的写，并且返回值大于0。
• socket的写操作被关闭(close或者shutdown)。对一个写操作被关闭的socket进行写操作，会触发SIGPIPE信号。
• socket使用非阻塞connect连接成功或失败之后。
• socket上有未读取的错误。

2.2 -> select特点

• 可监控的文件描述符个数取决于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。
• 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。

2.3 -> select缺点

• 每次调用select，都需要手动设置fd集合，从接口使用角度来说也非常不便。
• 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。
• 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。
• select支持的文件描述符数量太小。

3 -> select使用示例

3.1 -> 只检测标准输入

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/select.h>

int main() 
{
    fd_set read_fds;
    FD_ZERO(&read_fds);
    FD_SET(0, &read_fds);
    for (;;) 
    {
        printf("> ");
        fflush(stdout);
        int ret = select(1, &read_fds, NULL, NULL, NULL);
        if (ret < 0) 
        {
            perror("select");

            continue;
        }

        if (FD_ISSET(0, &read_fds)) 
        {
            char buf[1024] = { 0 };
            read(0, buf, sizeof(buf) - 1);

            printf("input: %s", buf);
        }
        else 
        {
            printf("error! invaild fd\n");

            continue;
        }

        FD_ZERO(&read_fds);
        FD_SET(0, &read_fds);
    }

    return 0;
}

说明：

当只检测文件描述符0(标准输入)时，因为输入条件只有在你有输入信息的时候，才成立，所以如果一直不输入，就会产生超时信息。

3.2 -> 实现字典服务器

tcp_select_server.hpp

#pragma once

#include <vector>
#include <unordered_map>
#include <functional>
#include <sys/select.h>
#include "tcp_socket.hpp"

// 必要的调试函数
inline void PrintFdSet(fd_set* fds, int max_fd) 
{
    printf("select fds: ");
    for (int i = 0; i < max_fd + 1; ++i) 
    {
        if (!FD_ISSET(i, fds)) 
        {
            continue;
        }

        printf("%d ", i);
    }

    printf("\n");
}

typedef std::function<void(const std::string& req, std::string*
    resp)> Handler;

// 把 Select 封装成一个类. 这个类虽然保存很多 TcpSocket 对象指针, 但是不管理内存
class Selector 
{
public:
    Selector() 
    {
        // [注意!] 初始化千万别忘了!!
        max_fd_ = 0;
        FD_ZERO(&read_fds_);
    }

    bool Add(const TcpSocket& sock) 
    {
        int fd = sock.GetFd();
        printf("[Selector::Add] %d\n", fd);
        if (fd_map_.find(fd) != fd_map_.end()) 
        {
            printf("Add failed! fd has in Selector!\n");

            return false;
        }

        fd_map_[fd] = sock;
        FD_SET(fd, &read_fds_);
        if (fd > max_fd_) 
        {
            max_fd_ = fd;
        }

        return true;
    }

    bool Del(const TcpSocket& sock) 
    {
        int fd = sock.GetFd();
        printf("[Selector::Del] %d\n", fd);
        if (fd_map_.find(fd) == fd_map_.end()) 
        {
            printf("Del failed! fd has not in Selector!\n");

            return false;
        }

        fd_map_.erase(fd);
        FD_CLR(fd, &read_fds_);

        // 重新找到最大的文件描述符, 从右往左找比较快
        for (int i = max_fd_; i >= 0; --i) 
        {
            if (!FD_ISSET(i, &read_fds_)) 
            {
                continue;
            }
            max_fd_ = i;

            break;
        }

        return true;
    }

    // 返回读就绪的文件描述符集
    bool Wait(std::vector<TcpSocket>* output) 
    {
        output->clear();

        // [注意] 此处必须要创建一个临时变量, 否则原来的结果会被覆盖掉
        fd_set tmp = read_fds_;

        // DEBUG
        PrintFdSet(&tmp, max_fd_);
        int nfds = select(max_fd_ + 1, &tmp, NULL, NULL, NULL);
        if (nfds < 0) 
        {
            perror("select");

            return false;
        }

        // [注意!] 此处的循环条件必须是 i < max_fd_ + 1
        for (int i = 0; i < max_fd_ + 1; ++i) 
        {
            if (!FD_ISSET(i, &tmp)) 
            {
                continue;
            }

            output->push_back(fd_map_[i]);
        }

        return true;
    }

private:
    fd_set read_fds_;
    int max_fd_;

    // 文件描述符和 socket 对象的映射关系
    std::unordered_map<int, TcpSocket> fd_map_;
};

class TcpSelectServer 
{
public:
    TcpSelectServer(const std::string& ip, uint16_t port) : ip_(ip),
        port_(port) 
    {
    }

    bool Start(Handler handler) const 
    {
        // 1. 创建 socket
        TcpSocket listen_sock;
        bool ret = listen_sock.Socket();
        if (!ret) 
        {
            return false;
        }

        // 2. 绑定端口号
        ret = listen_sock.Bind(ip_, port_);
        if (!ret) 
        {
            return false;
        }

        // 3. 进行监听
        ret = listen_sock.Listen(5);
        if (!ret) 
        {
            return false;
        }

        // 4. 创建 Selector 对象
        Selector selector;
        selector.Add(listen_sock);

        // 5. 进入事件循环
        for (;;) 
        {
            std::vector<TcpSocket> output;
            bool ret = selector.Wait(&output);
            if (!ret) 
            {
                continue;
            }

            // 6. 根据就绪的文件描述符的差别, 决定后续的处理逻辑
            for (size_t i = 0; i < output.size(); ++i) 
            {
                if (output[i].GetFd() == listen_sock.GetFd()) 
                {
                    // 如果就绪的文件描述符是 listen_sock, 就执行 accept, 并加入到 select 中
                    TcpSocket new_sock;
                    listen_sock.Accept(&new_sock, NULL, NULL);
                    selector.Add(new_sock);
                }
                else 
                {
                    // 如果就绪的文件描述符是 new_sock, 就进行一次请求的处理
                    std::string req, resp;
                    bool ret = output[i].Recv(&req);
                    if (!ret) 
                    {
                        selector.Del(output[i]);

                        // [注意!] 需要关闭 socket
                        output[i].Close();
                        continue;
                    }

                    // 调用业务函数计算响应
                    handler(req, &resp);

                    // 将结果写回到客户端
                    output[i].Send(resp);
                }

            } // end for
        } // end for (;;)

        return true;
    }

private:
    std::string ip_;
    uint16_t port_;
};

感谢各位大佬支持！！！

互三啦！！！