select函數(shù)實(shí)現(xiàn)高性能IO多路訪問的關(guān)鍵示例深入解析
一.select函數(shù)原型
select 函數(shù)的原型如下：
#include <sys/select.h> int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
該函數(shù)接受五個(gè)參數(shù)：
nfds：需要監(jiān)聽的文件描述符的最大編號(hào)加 1。在監(jiān)聽范圍內(nèi)的文件描述符包括從 0 到nfds-1。這個(gè)參數(shù)的值應(yīng)該是監(jiān)聽的所有文件描述符中的最大值加 1。readfds：一個(gè)指向fd_set結(jié)構(gòu)體的指針，用于指定需要監(jiān)聽可讀事件的文件描述符。writefds：一個(gè)指向fd_set結(jié)構(gòu)體的指針，用于指定需要監(jiān)聽可寫事件的文件描述符。exceptfds：一個(gè)指向fd_set結(jié)構(gòu)體的指針，用于指定需要監(jiān)聽異常事件的文件描述符。timeout：一個(gè)指向struct timeval結(jié)構(gòu)體的指針，用于設(shè)置select的超時(shí)時(shí)間。如果設(shè)置為NULL，則select將會(huì)阻塞直到有事件發(fā)生。如果設(shè)置為一個(gè)指向struct timeval結(jié)構(gòu)體的指針，則select會(huì)等待指定的時(shí)間，超時(shí)后返回。
fd_set 是一個(gè)文件描述符集合數(shù)據(jù)類型，用于存儲(chǔ)需要監(jiān)聽事件的文件描述符。
struct timeval 是一個(gè)時(shí)間結(jié)構(gòu)體，用于指定超時(shí)時(shí)間。它包含了兩個(gè)成員：tv_sec 表示秒數(shù)，tv_usec 表示微秒數(shù)。
select 函數(shù)返回就緒文件描述符的總數(shù)，如果出錯(cuò)則返回 -1。通過檢查 readfds、writefds 和 exceptfds 來確定哪些文件描述符已經(jīng)就緒。
注意：在使用 select 函數(shù)之前，需要使用 FD_ZERO 和 FD_SET 宏來初始化和設(shè)置文件描述符集合。
二.select相關(guān)宏函數(shù)
在使用 select 函數(shù)進(jìn)行文件描述符集合操作時(shí)，常用的宏函數(shù)有以下幾個(gè)：
FD_ZERO：用于將文件描述符集合清空，將集合中所有位都設(shè)置為 0。
void FD_ZERO(fd_set *set);
FD_SET：用于將指定的文件描述符加入到集合中。
void FD_SET(int fd, fd_set *set);
FD_CLR：用于將指定的文件描述符從集合中移除。
void FD_CLR(int fd, fd_set *set);
FD_ISSET：用于檢查指定的文件描述符是否在集合中已經(jīng)設(shè)置。
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set);
這些宏函數(shù)可以用于操作文件描述符集合，例如初始化集合、添加文件描述符、移除文件描述符以及檢查集合中是否已經(jīng)設(shè)置了特定的文件描述符。
需要注意的是，fd_set 是一個(gè)位圖類型的結(jié)構(gòu)，用于存儲(chǔ)文件描述符集合的狀態(tài)。宏函數(shù)配合使用可以方便地操作這個(gè)位圖，以設(shè)置和判斷文件描述符的狀態(tài)。
另外，需要包含 <sys/select.h> 頭文件來使用這些宏函數(shù)。
三.select特點(diǎn)
select 函數(shù)是一種多路 I/O 復(fù)用機(jī)制，具有以下特點(diǎn)：
多路復(fù)用：
select允許在一個(gè)事件循環(huán)中同時(shí)監(jiān)聽多個(gè)文件描述符（比如套接字、管道等），并在這些文件描述符就緒時(shí)通知應(yīng)用程序。平臺(tái)兼容性：
select是一種標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)調(diào)用，幾乎在所有的 POSIX 操作系統(tǒng)上都有支持，因此具有良好的跨平臺(tái)性。阻塞和非阻塞模式：
select支持兩種調(diào)用方式。在阻塞模式下，調(diào)用select會(huì)一直等待，直到至少一個(gè)文件描述符變得可讀或可寫。而在非阻塞模式下，調(diào)用select會(huì)立即返回，不管是否有文件描述符就緒。超時(shí)功能：
select允許指定一個(gè)超時(shí)時(shí)間，在等待文件描述符就緒時(shí)設(shè)定一個(gè)最長(zhǎng)等待時(shí)間。一旦超過設(shè)定的超時(shí)時(shí)間，select將返回，這樣可以避免無限期地阻塞程序。可讀性檢查：
select對(duì)于讀操作可用于檢查一個(gè)文件描述符是否有數(shù)據(jù)可以讀取。可寫性檢查：
select對(duì)于寫操作可用于檢查一個(gè)文件描述符是否可以寫入數(shù)據(jù)而不會(huì)造成阻塞。異常條件檢查：
select還可以檢查是否有異常條件發(fā)生，例如套接字的帶外數(shù)據(jù)。
然而，值得注意的是，select 在高并發(fā)情況下可能性能較差，因?yàn)樵诿恳淮握{(diào)用 select 時(shí)，都需要遍歷所有的文件描述符。在這種情況下，使用更高效的 I/O 復(fù)用機(jī)制，如 poll 或 epoll，可能是更好的選擇。
四.select機(jī)制
select 是一種多路 I/O 復(fù)用機(jī)制，用于同時(shí)監(jiān)聽多個(gè)文件描述符的可讀、可寫和異常事件。它的機(jī)制如下：
調(diào)用
select函數(shù)時(shí)，將需要監(jiān)聽的文件描述符通過參數(shù)傳遞給select函數(shù)，同時(shí)設(shè)置超時(shí)時(shí)間（可選）。select函數(shù)會(huì)阻塞程序運(yùn)行，直到以下三種情況之一發(fā)生：- 有一個(gè)或多個(gè)文件描述符可以讀取（被置于可讀狀態(tài)）。
- 有一個(gè)或多個(gè)文件描述符可以寫入（被置于可寫狀態(tài)）。
- 有一個(gè)或多個(gè)文件描述符發(fā)生了異常。
當(dāng)有一個(gè)或多個(gè)文件描述符就緒時(shí)，
select函數(shù)返回，程序可以繼續(xù)往下執(zhí)行。此時(shí)，通過檢查文件描述符集合的狀態(tài)（readfds、writefds和exceptfds），可以確定哪些文件描述符已經(jīng)就緒。根據(jù)文件描述符的狀態(tài)，進(jìn)行相應(yīng)的讀取、寫入或處理異常的操作。
重復(fù)以上步驟，循環(huán)使用
select函數(shù)來監(jiān)聽文件描述符，以實(shí)現(xiàn)事件驅(qū)動(dòng)的編程模式。
select 的特點(diǎn)是可以同時(shí)監(jiān)聽多個(gè)文件描述符，在有事件發(fā)生時(shí)返回，并指示哪些文件描述符已經(jīng)就緒，使得程序能夠及時(shí)處理相關(guān)操作。它適用于需要同時(shí)處理多個(gè) I/O 事件的情況，并且具有良好的跨平臺(tái)性。然而，在高并發(fā)情況下性能可能較差，因?yàn)槊看握{(diào)用 select 都需要遍歷所有的文件描述符。在這種情況下，可以考慮使用其他更高效的 I/O 復(fù)用機(jī)制，如 poll 或 epoll。
五.select編程步驟
使用 select 函數(shù)進(jìn)行 I/O 復(fù)用時(shí)，通常包含以下步驟：
準(zhǔn)備文件描述符集合：創(chuàng)建并初始化需要監(jiān)聽的文件描述符集合，例如使用
fd_set類型的變量，并使用FD_ZERO宏將其清空，然后使用FD_SET宏將需要監(jiān)聽的文件描述符添加到集合中。設(shè)置超時(shí)時(shí)間：可選擇是否設(shè)置超時(shí)時(shí)間。如果需要設(shè)置超時(shí)時(shí)間，在
struct timeval結(jié)構(gòu)體中設(shè)置合適的值，然后將該結(jié)構(gòu)體的指針作為select函數(shù)的最后一個(gè)參數(shù)傳遞給函數(shù)。調(diào)用
select函數(shù)：將文件描述符集合作為參數(shù)傳遞給select函數(shù)，并傳遞其他必要的參數(shù)，如最大文件描述符編號(hào)加 1（nfds）以及超時(shí)時(shí)間（可選）。調(diào)用select函數(shù)后，程序?qū)⒃谠摵瘮?shù)處阻塞等待。檢查就緒文件描述符：當(dāng)
select函數(shù)返回時(shí)，需要檢查文件描述符集合的狀態(tài)，以確定哪些文件描述符已經(jīng)就緒?？梢允褂?nbsp;FD_ISSET宏來檢查特定的文件描述符是否已經(jīng)設(shè)置。處理就緒文件描述符：根據(jù)文件描述符的狀態(tài)（可讀、可寫或異常），進(jìn)行相應(yīng)的處理操作。例如，如果一個(gè)文件描述符可讀，可以使用
read函數(shù)讀取數(shù)據(jù)；如果一個(gè)文件描述符可寫，可以使用write函數(shù)寫入數(shù)據(jù)；如果一個(gè)文件描述符發(fā)生異常，可以進(jìn)行相應(yīng)的錯(cuò)誤處理。重復(fù)步驟 3-5：根據(jù)需要，可以使用循環(huán)來多次調(diào)用
select函數(shù)以處理更多的事件。這樣可以實(shí)現(xiàn)事件驅(qū)動(dòng)的編程模式，不斷監(jiān)聽和處理多個(gè)文件描述符的事件。
需要注意的是，在每次循環(huán)中調(diào)用 select 函數(shù)之前需要重新設(shè)置文件描述符集合和超時(shí)時(shí)間，以反映當(dāng)前需要監(jiān)聽的文件描述符集合和超時(shí)時(shí)間的變化。
六.自定義數(shù)組提高效率
要提高 select 函數(shù)的效率，可以考慮使用自定義的數(shù)組來替代文件描述符集合，以便更有效地管理和操作需要監(jiān)聽的文件描述符。
以下是使用自定義數(shù)組提高 select 函數(shù)效率的一般步驟：
- 創(chuàng)建自定義數(shù)組：根據(jù)需要監(jiān)聽的文件描述符數(shù)量，創(chuàng)建一個(gè)數(shù)組來存儲(chǔ)這些文件描述符的信息?？梢允褂谜麛?shù)型數(shù)組、結(jié)構(gòu)體數(shù)組等來表示每個(gè)文件描述符的狀態(tài)和其他相關(guān)信息。
- 初始化自定義數(shù)組：在程序開始時(shí)，初始化自定義數(shù)組，設(shè)置每個(gè)文件描述符的初始狀態(tài)和其他必要的信息。
- 更新自定義數(shù)組：在程序中需要做出更改時(shí)，通過修改自定義數(shù)組中的相應(yīng)元素來反映文件描述符的狀態(tài)變化。
- 使用自定義數(shù)組代替
select函數(shù)的文件描述符集合：在調(diào)用select函數(shù)之前，將自定義數(shù)組轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的文件描述符集合，例如使用FD_ZERO和FD_SET宏來設(shè)置相應(yīng)的文件描述符集合。 - 調(diào)用
select函數(shù)：使用轉(zhuǎn)換后的文件描述符集合作為參數(shù)調(diào)用select函數(shù)，并傳遞其他必要的參數(shù)，如最大文件描述符編號(hào)加 1（nfds）以及超時(shí)時(shí)間（可選）。 - 檢查就緒文件描述符：當(dāng)
select函數(shù)返回時(shí)，檢查文件描述符集合的狀態(tài)以確定哪些文件描述符已經(jīng)就緒?？梢酝ㄟ^遍歷自定義數(shù)組，根據(jù)其中的狀態(tài)信息來確定哪些文件描述符已經(jīng)就緒。 - 處理就緒文件描述符：根據(jù)文件描述符的狀態(tài)，進(jìn)行相應(yīng)的處理操作，如讀取、寫入或處理異常等。
- 重復(fù)步驟 3-7：根據(jù)需要，可以使用循環(huán)來多次調(diào)用
select函數(shù)以處理更多的事件。
使用自定義數(shù)組可以更靈活地管理文件描述符，并且可以根據(jù)程序需求進(jìn)行優(yōu)化，以提高效率。但請(qǐng)注意，當(dāng)需要監(jiān)聽的文件描述符數(shù)量過大時(shí)，自定義數(shù)組的使用可能會(huì)導(dǎo)致額外的內(nèi)存開銷。因此，在性能和內(nèi)存消耗之間需要進(jìn)行權(quán)衡。
七.編程實(shí)戰(zhàn)
練習(xí)：
利用select實(shí)現(xiàn)一個(gè)高并發(fā)服務(wù)器，當(dāng)服務(wù)連接成功后，客戶端發(fā)送小寫字母的字符串，服務(wù)器端發(fā)送其大寫形式。要求自定義一個(gè)數(shù)組，用于提高程序效率。
server.c
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, char const *argv[])
{
//1.socket創(chuàng)建套接字
int socked = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (socked < 0)
{
perror("socket is err");
return -1;
}
//2.bind綁定服務(wù)器ip地址和端口號(hào)
struct sockaddr_in saddr, caddr;
saddr.sin_family = AF_INET;
saddr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));
saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("0.0.0.0");
int len = sizeof(caddr);
int ret = bind(socked, (struct sockaddr *)(&saddr), sizeof(saddr));
if (ret < 0)
{
perror("bind is err");
return -1;
}
//3.listen設(shè)置同時(shí)最大鏈接數(shù)
ret = listen(socked, 5);
if (ret < 0)
{
perror("listen is err");
return -1;
}
//4.select前置工作
fd_set readfds, tempfds; //創(chuàng)建表
FD_ZERO(&readfds); //清空表
FD_SET(socked, &readfds); //添加文件描述符
FD_SET(0, &readfds);
int maxfd = socked, size = 0, maxi = -1, client[1024] = {0};
char buf[1024] = {0};
//初始化數(shù)組為-1
for (int i = 0; i < 1024; ++i)
client[i] = -1;
while (1)
{
tempfds = readfds;
int ret = select(maxfd + 1, &tempfds, NULL, NULL, NULL);
if (ret < 0)
{
perror("select is err");
break;
}
if (FD_ISSET(socked, &tempfds))
{
int fd = accept(socked, (struct sockaddr *)(&caddr), &len);
printf("port:%d ip: %s\n", ntohs(caddr.sin_port), inet_ntoa(caddr.sin_addr));
//文件描述符加入數(shù)組中
int i;
for (i = 0; i < 1024; ++i)
{
if (client[i] < 0)
{
client[i] = fd;
break;
}
}
if (i == 1024)
{
printf("too many clients\n");
exit(-1);
}
if (i > maxi)
maxi = i;
FD_SET(fd, &readfds);
if (maxfd < fd)
maxfd = fd;
if (--ret == 0)
continue;
}
for (int i = 0; i <= maxi; ++i)
{
if (client[i] < 0)
continue;
if (FD_ISSET(client[i], &tempfds))
{
int flage = recv(client[i], buf, sizeof(buf), 0);
if (flage < 0)
{
perror("recv is err");
}
else if (flage == 0)
{
printf("ip:%s is close\n", inet_ntoa(caddr.sin_addr));
close(i);
FD_CLR(i, &readfds);
client[i] = -1;
}
else
{
size = strlen(buf);
for (int i = 0; i < size; ++i)
{
if (buf[i] >= 'a' && buf[i] <= 'z')
buf[i] = buf[i] + ('A' - 'a');
else
buf[i] = buf[i] + ('a' - 'A');
}
printf("%s\n", buf);
send(client[i], buf, sizeof(buf), 0);
}
if (--ret == 0)
break;
}
}
}
close(socked);
return 0;
}client.c
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, char const *argv[])
{
//1.socket建立文件描述符
int fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (fd < 0)
{
perror("socket is err");
}
//2.connect連接服務(wù)器
struct sockaddr_in saddr;
saddr.sin_family = AF_INET;
saddr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
int flage = connect(fd, (struct sockaddr *)(&saddr), sizeof(saddr));
if (flage < 0)
{
perror("connect is err");
}
//3.服務(wù)器端不斷發(fā)送數(shù)據(jù),接受服務(wù)器轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)
char buf[1024] = {0};
while (1)
{
//memset(buf,0,sizeof(buf));
fgets(buf, sizeof(buf), stdin);
if (strncmp(buf,"quit#",5)==0)
{
break;
}
if (buf[strlen(buf) - 1] == '\n')
buf[strlen(buf) - 1] = '\0';
send(fd, buf, sizeof(buf), 0);
flage = recv(fd, buf, sizeof(buf), 0);
if (flage < 0)
{
perror("recv is err");
}
else
{
fprintf(stdout, "%s\n", buf);
}
}
close(fd);
return 0;
}以上就是select函數(shù)實(shí)現(xiàn)高性能IO多路訪問的關(guān)鍵示例深入解析的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于select函數(shù)IO多路訪問的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！
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