Linux--多路转接之select

前言

多路转接（也称为多路复用）是一种用于管理多个I/O通道的技术，它能实现同时监听和处理多个I/O事件，而不是为每个I/O通道创建单独的线程或进程。其中，select是实现多路转接的一种常用方法。

select()

select函数是系统提供的一个多路转接接口，用于让我们的程序同时监视多个文件描述符（file descriptor，简称fd）的状态变化，如读就绪、写就绪或异常。其函数原型如下：

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

参数说明

• nfds：是文件描述符集合中最大文件描述符值加1。这个参数实际上被忽略，因为现在的系统不再需要它来确定文件描述符的范围。
• readfds：指向文件描述符集合的指针，该集合中的文件描述符被检查以查看它们是否准备好被读取。
• writefds：指向文件描述符集合的指针，该集合中的文件描述符被检查以查看它们是否准备好被写入。
• exceptfds：指向文件描述符集合的指针，该集合中的文件描述符被检查以查看是否有异常条件发生（例如，带外数据到达）。
• timeout：是一个指向 timeval 结构的指针，该结构指定了函数等待的最大时间长度。如果 timeout 是 NULL，则 select() 会无限期地等待直到至少有一个文件描述符准备就绪。

返回值

• 成功时，select() 返回准备就绪的文件描述符的总数（不包括 exceptfds 中的文件描述符）。
• 如果在调用时没有任何文件描述符准备就绪，并且 timeout 非空且指定的时间已过，则返回 0。
• 如果出现错误，则返回 -1，并设置 errno 以指示错误原因。

timeval是一个用于表示时间的结构体:

#include<sys/time.h>structtimeval{  
   time_t tv_sec;// 秒  
   suseconds_t tv_usec;// 微秒  };

tv_sec：秒数，从 Unix 纪元（1970 年 1 月 1 日 00:00:00 UTC）开始计算的秒数(时间戳)。
tv_usec：微秒数，范围从 0 到 999999。

fd_set

**

fd_set

实际上是一个位图（Bitmask）或位向量（Bitvector），它的每一位代表一个文件描述符**。通过设置或清除位的方式，可以将文件描述符添加到或从

fd_set

中移除。

typedefstruct{  
    __fd_mask fds_bits[__FD_SETSIZE/__NFDBITS];} fd_set;

其中，__fd_mask 通常是一个整数类型（如 long），__FD_SETSIZE 定义了 fd_set 中可以包含的最大文件描述符数量（通常是 1024），__NFDBITS 是 __fd_mask 中包含的位数。

与此同时，系统还提供一些接口来操作

fd_set

:

• FD_ZERO(fd_set *set)：将 fd_set 中的所有位清零，即将所有文件描述符从集合中移除。
• FD_SET(int fd, fd_set *set)：将指定的文件描述符 fd 添加到 fd_set 中。
• FD_CLR(int fd, fd_set *set)：将指定的文件描述符 fd 从 fd_set 中移除。
• FD_ISSET(int fd, fd_set *set)：检查指定的文件描述符 fd 是否在 fd_set 中。在调用 select() 后，使用此宏来检测哪些文件描述符已准备就绪。

select的执行过程

对于执行过程，大致分为四个步骤：

1.初始化：

• 创建一个或多个fd_set结构，用于存储需要监视的文件描述符。
• 使用FD_ZERO宏清空这些fd_set结构。
• 使用FD_SET宏将需要监视的文件描述符添加到相应的fd_set结构中。
• 对于添加到位图中的事件， 都会在位图表示成1

fd_set rfds;FD_ZERO(&rfds);FD_SET(_fd_array[i],&rfds);

2.调用select函数：

• 将最大的文件描述符值加1作为nfds参数。
• 将之前创建的fd_set结构作为readfds、writefds和exceptfds参数（如果需要监视相应的事件）。
• 设置timeout参数以控制select的等待时间。
• 调用select函数。

structtimeval timeout ={0,0};//设置等待时间int n=select(max_fd+1,&rfds,nullptr,nullptr,&timeout);

3.处理返回结果

• 此时经过select函数的执行后，已经影响了fd_set 中的之前添加进来的文件描述符，只要没有就绪的话，那么都会被清空为0
• 如果select返回大于0的值，表示有文件描述符的事件已经就绪。
• 利用for循环对每个事件进行检查是否就绪，
• 使用FD_ISSET宏检查哪些文件描述符的事件已经就绪。
• 根据就绪的文件描述符执行相应的操作，如读取数据、写入数据或处理异常事件。

if(n>0){for(int i =0; i <1024; i++){if(FD_ISSET(_fd_array[i],&rfds)){//处理对应的就绪事件 }}}

4.重新设置并继续监视：

• 由于select函数会修改传入的fd_set结构，因此在每次调用select之前都需要重新设置这些结构。
• 根据需要更新timeout参数。
• 重复执行上述步骤以继续监视文件描述符的状态变化。

while(1){//包含以上内容}

注意事项：

• 每次调用select之前都需要重新设置fd_set结构和timeout参数。
• select函数只负责等待文件描述符的状态变化，并不负责数据的拷贝。数据的拷贝需要使用如read、write等函数来完成。
• select函数有一个限制，即它能够监视的文件描述符数量是有限的，通常取决于fd_set结构的大小（在32位系统上通常为1024个）。

利用select()建立一个Server服务器

InetAddr.hpp

包含网络地址的头文件：

#pragmaonce#include<iostream>#include<sys/types.h>#include<sys/socket.h>#include<arpa/inet.h>#include<netinet/in.h>classInetAddr{private:voidGetAddress(std::string *ip,uint16_t*port){*port =ntohs(_addr.sin_port);*ip =inet_ntoa(_addr.sin_addr);}public:InetAddr(conststructsockaddr_in&addr):_addr(addr){GetAddress(&_ip,&_port);}InetAddr(const std::string &ip,uint16_t port):_ip(ip),_port(port){
        _addr.sin_family = AF_INET;
        _addr.sin_port =htons(_port);
        _addr.sin_addr.s_addr =inet_addr(_ip.c_str());}InetAddr(){}
    std::string Ip(){return _ip;}booloperator==(const InetAddr &addr){// if(_ip == addr._ip)if(_ip == addr._ip && _port == addr._port)// 方便测试{returntrue;}returnfalse;}// bool operator = (const struct sockaddr_in &addr)// {//     _addr = addr;// }structsockaddr_inAddr(){return _addr;}uint16_tPort(){return _port;}~InetAddr(){}private:structsockaddr_in _addr;
    std::string _ip;uint16_t _port;};

Log.hpp

打印日志的头文件：

#pragmaonce#include<iostream>#include<fstream>#include<ctime>#include<cstdarg>#include<string>#include<sys/types.h>#include<unistd.h>#include<cstdio>#include"LockGuard.hpp"usingnamespace std;bool gIsSave=false;//默认输出到屏幕const string logname="log.txt";//1.日志是有等级的enumLevel{
    DEBUG=0,
    INFO,
    WARNING,
    ERROR,
    FATAL 
};voidSaveFile(const string& filename,const string& messages){
    ofstream out(filename,ios::app);if(!out.is_open()){return;}
    out<<messages;
    out.close();}//等级转化为字符串
string LevelToString(int level){switch(level){case DEBUG:return"Debug";case INFO:return"Info";case WARNING:return"Warning";case ERROR:return"Error";case FATAL:return"Fatal";default:return"Unkonwn";}}//获取当前时间
string GetTimeString(){
    time_t curr_time=time(nullptr);//时间戳structtm* format_time=localtime(&curr_time);//转化为时间结构if(format_time==nullptr)return"None";char time_buffer[1024];snprintf(time_buffer,sizeof(time_buffer),"%d-%d-%d %d:%d:%d",
             format_time->tm_year +1900,
             format_time->tm_mon +1,
             format_time->tm_mday,
             format_time->tm_hour,
             format_time->tm_min,
             format_time->tm_sec);return time_buffer;}

pthread_mutex_t lock=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;//获取日志信息voidLogMessage(string filename,int line,bool issave,int level,char* format,...){
    string levelstr=LevelToString(level);
    string timestr=GetTimeString();
    pid_t selfid=getpid();char buffer[1024];
    va_list arg;va_start(arg,format);vsnprintf(buffer,sizeof(buffer),format,arg);va_end(arg);

    string message="["+ timestr +"]"+"["+ levelstr +"]"+"["+ std::to_string(selfid)+"]"+"["+ filename +"]"+"["+ std::to_string(line)+"] "+ buffer +"\n";

    LockGuard lockguard(&lock);if(!issave){
        cout<<message;}else{SaveFile(logname,message);}}#defineLOG(level,format,...)\do\{\LogMessage(__FILE__,__LINE__,gIsSave,level,format,##__VA_ARGS__);\}while(0)#defineEnableFile()\do\{\gIsSave=true;        \  }while(0)#defineEnableScreen()\do\{\gIsSave=false;         \  }while(0)

LockGuard.hpp

互斥锁的头文件：

#ifndef__LOCK_GUARD_HPP__#define__LOCK_GUARD_HPP__#include<iostream>#include<pthread.h>classLockGuard{public:LockGuard(pthread_mutex_t* mutex):_mutex(mutex){pthread_mutex_lock(_mutex);}~LockGuard(){pthread_mutex_unlock(_mutex);}private:
    pthread_mutex_t *_mutex;};#endif

Socket.hpp

包含一系列Socket套接字的接口函数，还有TcpSocket专门的接口：

#include<iostream>#include<string>#include<functional>#include<sys/types.h>/* See NOTES */#include<sys/socket.h>#include<netinet/in.h>#include<arpa/inet.h>#include<unistd.h>#include<cstring>#include<pthread.h>#include<sys/types.h>#include<memory>#include"InetAddr.hpp"#include"Log.hpp"namespace socket_ns
{classSocket;conststaticint gbacklog=8;using socket_sptr=std::shared_ptr<Socket>;//套接字指针enum{
        SOCKET_ERROR =1,
        BIND_ERROR,
        LISTEN_ERROR,
        USAGE_ERROR
    };//在基类创建一系列虚函数，只要派生类能用到就在这里创建classSocket{public:virtualvoidCreateSocketOrDie()=0;//创建套接字virtualvoidBindSocketOrDie(InetAddr& addr)=0;//绑定套接字virtualvoidListenSocketOrDie()=0;//监听套接字virtualintAccepter(InetAddr* addr)=0;//接受客户端virtualboolConnector(InetAddr &addr)=0;//连接客户端virtualvoidSetSocketAddrReuse()=0;// 重启指定端口virtualintSockFd()=0;//获取SockfdvirtualintRecv(std::string *out)=0;//接收对方信息virtualintSend(const std::string &in)=0;//发送给对方信息public://创建监听套接字，将一系列操作细分化，直接引用对应函数直接创建voidBuildListenSocket(InetAddr& addr){CreateSocketOrDie();SetSocketAddrReuse();BindSocketOrDie(addr);ListenSocketOrDie();}boolBuildClientSocket(InetAddr &addr){CreateSocketOrDie();returnConnector(addr);}};classTcpSocket:publicSocket{public:TcpSocket(int sockfd=-1):_sockfd(sockfd){}voidCreateSocketOrDie() override  //override明确的重写基类函数{
            _sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if(_sockfd<0){LOG(FATAL,"socket error");exit(SOCKET_ERROR);}LOG(DEBUG,"socket create success, sockfd is : %d\n", _sockfd);}voidBindSocketOrDie(InetAddr& addr) override
        {structsockaddr_in local;memset(&local,0,sizeof(local));
            local.sin_family = AF_INET;
            local.sin_port =htons(addr.Port());
            local.sin_addr.s_addr =inet_addr(addr.Ip().c_str());int n=bind(_sockfd,(structsockaddr*)&local,sizeof(local));if(n <0){LOG(FATAL,"bind error\n");exit(BIND_ERROR);}LOG(DEBUG,"bind success, sockfd is : %d\n", _sockfd);}voidListenSocketOrDie() override
        {int n=listen(_sockfd,gbacklog);if(n <0){LOG(FATAL,"listen error\n");exit(LISTEN_ERROR);}LOG(DEBUG,"listen success, sockfd is : %d\n", _sockfd);}intAccepter(InetAddr* addr) override
        {structsockaddr_in peer;
            socklen_t len=sizeof(peer);int sockfd =accept(_sockfd,(structsockaddr*)&peer,&len);if(sockfd <0){LOG(WARNING,"accept error\n");return-1;}*addr=peer;return sockfd;}virtualboolConnector(InetAddr& addr){structsockaddr_in server;memset(&server,0,sizeof(server));
            server.sin_family=AF_INET;
            server.sin_addr.s_addr=inet_addr(addr.Ip().c_str());
            server.sin_port=htons(addr.Port());int n=connect(_sockfd,(structsockaddr*)&server,sizeof(server));if(n <0){
                std::cerr <<"connect error"<< std::endl;returnfalse;}returntrue;}voidSetSocketAddrReuse() override
        {int opt =1;setsockopt(_sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR | SO_REUSEPORT,&opt,sizeof(opt));//快速重启端口}intRecv(std::string *out) override
        {char inbuffer[1024];
            ssize_t n =recv(_sockfd,inbuffer,sizeof(inbuffer)-1,0);if(n >0){
                inbuffer[n]=0;*out += inbuffer;// 接收次数可能不只一次，一般是多次的，}return n;}intSend(const std::string &in) override
        {int n =send(_sockfd,in.c_str(),in.size(),0);return n;}intSockFd() override
        {return _sockfd;}~TcpSocket(){}private:int _sockfd;};}

SelectServer.hpp

#pragmaonce#include<iostream>#include<string>#include<memory>#include"Socket.hpp"usingnamespace socket_ns;//select服务器要正确的编写，需要借助一个第三方数组来完成，保存合法的，所有的fd到数组中，方便后期批量化统一添加classSelectServer{conststaticint defaultfd =-1;//默认sockfdconststaticint N =sizeof(fd_set)*8;//监视文件描述符的最大值public:SelectServer(uint16_t port):_port(port),_listensock(make_unique<TcpSocket>()){
        InetAddr addr("0", _port);//网络地址初始化
        _listensock->BuildListenSocket(addr);//创建监听套接字//初始化辅助数组for(int i =0; i < N; i++){
            _fd_array[i]= defaultfd;}
        _fd_array[0]= _listensock->SockFd();}voidAcceptClient(){// 我们今天只关心了读，而读有：listensock 和 normal sockfd
        InetAddr clientaddr;int sockfd = _listensock->Accepter(&clientaddr);// 这里调用accept会不会阻塞呢？？不会。因为事件已经就绪了if(sockfd <0)return;LOG(DEBUG,"Get new Link, sockfd: %d, client info %s:%d\n", sockfd, clientaddr.Ip().c_str(), clientaddr.Port());//select托管（监视状态）：将新fd放入辅助数组中int pos =1;for(; pos < N; pos++){if(_fd_array[pos]== defaultfd)break;}//让pos到辅助数组的空缺位置if(pos == N)//说明监视的文件描述符满了{::close(sockfd);// sockfd->Close();LOG(WARNING,"server is full!\n");return;}else{
            _fd_array[pos]= sockfd;LOG(DEBUG,"%d add to select array!\n", sockfd);}LOG(DEBUG,"curr fd_array[] fd list : %s\n",RfdsToString().c_str());}voidServiceIO(int pos){char buffer[1024];
        ssize_t n =::recv(_fd_array[pos], buffer,sizeof(buffer)-1,0);// 这里读取会不会被阻塞？不会if(n >0)//处理接收数据{
            buffer[n]=0; 
            std::cout <<"client say# "<< buffer << std::endl;
            std::string echo_string ="[server echo]# ";
            echo_string += buffer;::send(_fd_array[pos], echo_string.c_str(), echo_string.size(),0);//返回给客户端}elseif(n ==0)//说明对方已断开连接{LOG(DEBUG,"%d is closed\n", _fd_array[pos]);::close(_fd_array[pos]);
            _fd_array[pos]= defaultfd;LOG(DEBUG,"curr fd_array[] fd list : %s\n",RfdsToString().c_str());}else//出现错误{LOG(DEBUG,"%d recv error\n", _fd_array[pos]);::close(_fd_array[pos]);
            _fd_array[pos]= defaultfd;LOG(DEBUG,"curr fd_array[] fd list : %s\n",RfdsToString().c_str());}}//处理准备就绪的事件voidHandlerEvent(fd_set &rfds){for(int i =0; i < N; i++){if(_fd_array[i]== defaultfd)continue;if(FD_ISSET(_fd_array[i],&rfds)){if(_fd_array[i]== _listensock->SockFd())//新的连接{AcceptClient();}else{// 普通的sockfd读事件就绪ServiceIO(i);}}}}voidLoop(){while(true){//监听套接字在等待对方发送连接//新的连接 == 读事件就绪//要将listensock添加到select中！
            fd_set rfds;//一个记录文件描述符状态的集合FD_ZERO(&rfds);//将所有文件描述符移除集合int max_fd = defaultfd;//最大的文件描述符值for(int i =0; i < N; i++){if(_fd_array[i]== defaultfd)continue;FD_SET(_fd_array[i],&rfds);// 将所有合法的fd添加到rfds中if(max_fd < _fd_array[i]){
                    max_fd = _fd_array[i];// 更新出最大的fd的值}}structtimeval timeout ={0,0};//设置等待时间int n=select(max_fd+1,&rfds,nullptr,nullptr,nullptr);//timeout 是 NULL，则 select() 会无限期地等待直到至少有一个文件描述符准备就绪switch(n){case0://指定时间内没有任何文件描述符准备就绪LOG(INFO,"timeout, %d.%d\n", timeout.tv_sec, timeout.tv_usec);break;case-1://出现错误LOG(ERROR,"select error...\n");break;default://成功状态LOG(DEBUG,"Event Happen. n : %d\n", n);// 底层有一个事件就绪，select为什么会一直通知我？因为：我们没有处理！HandlerEvent(rfds);break;}}}//打印出已存在的fd
    std::string RfdsToString(){
        std::string fdstr;for(int i =0; i < N; i++){if(_fd_array[i]== defaultfd)continue;
            fdstr += std::to_string(_fd_array[i]);
            fdstr +=" ";}return fdstr;}~SelectServer(){}private:uint16_t _port;//端口号
    std::unique_ptr<Socket> _listensock;//监听socketint _fd_array[N];// 辅助数组};

成员：

辅助数组：由上面select执行过程可以知道，当select执行后，会对fd_set的文件描述符产生影响，所以为了能够在循环中多次调用select函数，就需要一个数组来进行对文件描述符的保存；

初始化：

对于辅助数组来说，只要没有新的fd进来，那么文件描述符将保持为负；而对于Select来说，监听fd就是第一个事件；所以要在初始化就添加进来；

Loop:
这里操作流程就是跟上面的执行过程是一样的，只是增加了一些细节：

N是1024，指的是Select能存储的最大fd的数目；我们需要让select监听我们想要监听的事件，就需要通过循环来一个一个添加到rfds中；

select()返回值：

根据

select()

的返回值执行不同的代码；
这里所说的底层事件就绪，如果没有处理已就绪的事件，那么select就会一直监测到事件就绪，一直执行

default

语句的内容；

HandlerEvent():

在for循环里面通过FD_ISSET函数找出每个已经就绪的事件，然后再判断是不是监听事件的；

Main.cc

#include"SelectSever.hpp"#include<memory>// ./selectserver portintmain(int argc,char*argv[]){if(argc !=2){
        std::cout <<"Usage: "<< argv[0]<<" port"<< std::endl;return0;}uint16_t port = std::stoi(argv[1]);//获取端口号EnableScreen();
    std::unique_ptr<SelectServer> svr = std::make_unique<SelectServer>(port);
    svr->Loop();return0;}

通过telnet进行测试：

开启Server服务：

telnet进行访问

Server的监听socket收到就绪的事件，创建一个新的IO服务客户端：

客户端任意发送内容：

客户端服务端都能通过Select的底层就绪互相接收发送：

Select()的优缺点

优点

• 多路复用：select()函数能够同时监视多个文件描述符，实现I/O多路复用，从而提高了程序的并发处理能力和资源利用率。
• 简单易用：select()函数的接口相对简单，易于理解和使用，特别是对于初学者来说。
• 灵活性：select()函数允许程序根据文件描述符的读、写、异常等事件进行灵活的处理，满足不同的I/O需求。

缺点

• 文件描述符数量的限制：select()函数能够监视的文件描述符数量有限，通常在Linux上默认为1024个（尽管可以通过修改宏定义或重新编译内核来提升这一限制，但这样做可能会降低效率）。这对于需要监视大量文件描述符的应用程序来说是一个显著的限制。
• 性能瓶颈：当监视的文件描述符数量较多时，select()函数的性能可能会成为瓶颈。因为每次调用select()时，内核都需要扫描所有被监视的文件描述符，这会导致不必要的开销。
• 内核拷贝开销：在select()调用过程中，由于每次都要事先准本fd_set结构内容，内核与用户空间之间需要进行内存拷贝操作，以传递文件描述符集合和结果。这会增加额外的开销，并可能影响性能。

因此，在选择是否使用select()函数时，需要根据具体的应用场景和需求进行权衡。对于需要监视大量文件描述符或追求高性能的应用程序来说，可能需要考虑使用更高级的I/O多路复用机制，如poll()或epoll()等。