IO多路復用之select全面總結(必看篇)

更新時間：2016年12月24日 11:05:09 投稿：jingxian

下面小編就為大家?guī)硪黄狪O多路復用之select全面總結(必看篇)。小編覺得挺不錯的?，F(xiàn)在就分享給大家。也給大家做個參考。一起跟隨小編過來看看吧

1、基本概念

IO多路復用是指內(nèi)核一旦發(fā)現(xiàn)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(wǎng)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(xiàn)。

（3）如果一個TCP服務器既要處理監(jiān)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(xié)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(yōu)勢是系統(tǒng)開銷小，系統(tǒng)不必創(chuàng)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(tǒng)的開銷。

2、select函數(shù)

該函數(shù)準許進程指示內(nèi)核等待多個事件中的任何一個發(fā)送，并只在有一個或多個事件發(fā)生或經(jīng)歷一段指定的時間后才喚醒。函數(shù)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(shù)目，超時返回0，出錯返回-1

函數(shù)參數(shù)介紹如下：

（1）第一個參數(shù)maxfdp1指定待測試的描述字個數(shù)，它的值是待測試的最大描述字加1（因此把該參數(shù)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(shù)readset、writeset和exceptset指定我們要讓內(nèi)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(nèi)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(shù)和微秒數(shù)。

     struct timeval{

          long tv_sec;  //seconds

          long tv_usec; //microseconds

    };

這個參數(shù)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(shù)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(shù)所指向的timeval結構中指定的秒數(shù)和微秒數(shù)。

（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(shù)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：

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(fā)送信息，服務器接收并原樣發(fā)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    10

typedef struct server_context_st
{
  int cli_cnt;    /*客戶端個數(shù)*/
  int clifds[SIZE];  /*客戶端的個數(shù)*/
  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(shù)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(shù)據(jù)*/
    if (FD_ISSET(clifd, readfds)) {
      //接收客戶端發(fā)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(diào)用select前都要重新設置文件描述符和時間，因為事件發(fā)生后，文件描述符和時間都被內(nèi)核修改啦*/
    FD_ZERO(readfds);
    /*添加監(jiān)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(jiān)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(chuàng)建服務,開始監(jiān)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 : b

static 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(zhí)行三個個客戶程序進行測試，結果如下圖所示：