IO多路複用——select
IO多路複用編程
是同步IO的一種,用一個進程一次等待多個IO就緒事件的發生，加大機率，儘量高效的等。數組
適用場景服務器
（1）當客戶處理多個描述字時（通常是交互式輸入和網絡套接口），必須使用I/O複用。網絡
（2）當一個客戶同時處理多個套接口時，而這種狀況是可能的，但不多出現。多線程
（3）若是一個TCP服務器既要處理監聽套接口，又要處理已鏈接套接口，通常也要用到I/O複用。併發
（4）若是一個服務器即要處理TCP，又要處理UDP，通常要使用I/O複用。socket
（5）若是一個服務器要處理多個服務或多個協議，通常要使用I/O複用。ide
與多進程和多線程技術相比，I/O多路複用技術的最大優點是系統開銷小，系統沒必要建立進程/線程，也沒必要維護這些進程/線程，從而大大減少了系統的開銷。函數
select函數測試
該函數准許進程指示內核等待多個事件中的任何一個發送，並只在有一個或多個事件發生或經歷一段指定的時間後才喚醒。函數原型以下：
#include <sys/.h>
<sys/>
( maxfdp1,fd_set *readset,fd_set *writeset,fd_set *exceptset,返回值：就緒描述符的數目，超時返回0，出錯返回-1
函數參數介紹以下：
（1）第一個參數maxfdp1指定待測試的描述字個數，它的值是待測試的最大描述字加1（所以把該參數命名爲maxfdp1），描述字0、一、2...maxfdp1-1均將被測試。由於文件描述符是從0開始的。
（2）中間的三個參數readset、writeset和exceptset指定咱們要讓內核測試讀、寫和異常條件的描述字。若是對某一個的條件不感興趣，就能夠把它設爲空指針。struct fd_set能夠理解爲一個集合，這個集合中存放的是文件描述符，可經過如下四個宏進行設置：
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能夠讀寫
fd_set結構體是文件描述符集，該結構體其實是一個整型數組，數組中的每一個元素的每一位標記一個文件描述符。fd_set能容納的文件描述符 數量由FD_SETSIZE指定，通常狀況下，FD_SETSIZE等 於1024，這就限制了select能同時處理的文件描述符的總量。
（3）timeout告知內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結構用於指定這段時間的秒數和微秒數。
struct timeval{
long tv_sec; //seconds
long tv_usec; //microseconds
};
這個參數有三種可能：
1）永遠等待下去：僅在有一個描述字準備好I/O時才返回。爲此，把該參數設置爲空指針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，可是不超過由該參數所指向的timeval結構中指定的秒數和微秒數。
3）根本不等待：檢查描述字後當即返回，這稱爲輪詢。爲此，該參數必須指向一個timeval結構，並且其中的定時器值必須爲0。
(4)返回值狀況：
a)超時時間內，若是文件描述符就緒，select返回就緒的文件描述符總數（包括可讀、可寫和異常），若是沒有文件描述符就緒，select返回0；
b)select調用失敗時，返回 -1並設置errno，若是收到信號，select返回 -1並設置errno爲EINTR。
(5)文件描述符的就緒條件：
在網絡編程中，
1）下列狀況下socket可讀：
a) socket內核接收緩衝區的字節數大於或等於其低水位標記SO_RCVLOWAT；
b) socket通訊的對方關閉鏈接，此時該socket可讀，可是一旦讀該socket，會當即返回0（能夠用這個方法判斷client端是否斷開鏈接）；
c) 監聽socket上有新的鏈接請求；
d) socket上有未處理的錯誤。
2）下列狀況下socket可寫：
a) socket內核發送緩衝區的可用字節數大於或等於其低水位標記SO_SNDLOWAT；
b) socket的讀端關閉，此時該socket可寫，一旦對該socket進行操做，該進程會收到SIGPIPE信號；
c) socket使用connect鏈接成功以後；
d) socket上有未處理的錯誤。
selelct原理圖
說明：
一、select只負責等待IO，不負責對IO進行操做，由recv/send等函數進行
二、select一共有兩次系統調用：1）select系統調用 2）recvfrom系統調用
select原理概述
調用select時，會發生如下事情：
從用戶空間拷貝fd_set到內核空間；
註冊回調函數__pollwait；
遍歷全部fd，對所有指定設備作一次poll（這裏的poll是一個文件操做，它有兩個參數，一個是文件fd自己，一個是當設備還沒有就緒時調用的回調函數__pollwait，這個函數把設備本身特有的等待隊列傳給內核，讓內核把當前的進程掛載到其中）；
當設備就緒時，設備就會喚醒在本身特有等待隊列中的【全部】節點，因而當前進程就獲取到了完成的信號。poll文件操做返回的是一組標準的掩碼，其中的各個位指示當前的不一樣的就緒狀態（全0爲沒有任何事件觸發），根據mask可對fd_set賦值；
若是全部設備返回的掩碼都沒有顯示任何的事件觸發，就去掉回調函數的函數指針，進入有限時的睡眠狀態，再恢復和不斷作poll，再做有限時的睡眠，直到其中一個設備有事件觸發爲止。
只要有事件觸發，系統調用返回，將fd_set從內核空間拷貝到用戶空間，回到用戶態，用戶就能夠對相關的fd做進一步的讀或者寫操做了。
select優勢
select模型是Windows sockets中最多見的IO模型。它利用select函數實現IO 管理。經過對select函數的調用，應用程序能夠判斷套接字是否存在數據、可否向該套接字寫入據。
如：在調用recv函數以前，先調用select函數，若是系統沒有可讀數據那麼select函數就會阻塞在這裏。當系統存在可讀或可寫數據時，select函數返回，就能夠調用recv函數接 收數據了。
能夠看出使用select模型，須要兩次調用函數。第一次調用select函數第二次socket API。使用該模式的好處是：能夠等待多個套接字。
select缺點
最大併發數限制：使用32個整數的32位，即32*32=1024來標識fd；
效率低：每次都會線性掃描整個fd_set，集合越大速度越慢；
內核/用戶空間內存拷貝問題。
select實現TCP服務器
代碼：
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/select.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
int fds[64];
const fds_nums=sizeof(fds)/sizeof(fds[0]);
static int startup(const char *ip,int port)
{
int sock=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
if(sock<0)
{
perror("socket");
exit(2);
}
int opt = 1;
setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));
struct sockaddr_in local;
local.sin_family=AF_INET;
local.sin_port=htons(port);
local.sin_addr.s_addr=inet_addr(ip);
if(bind(sock,(struct sockaddr *)&local,sizeof(local))<0)
{
perror("bind");
exit(3);
}
if(listen(sock,5)<0)
{
perror("listen");
exit(4);
}
return sock;
}
static void usage(const char *proc)
{
printf("%s [ip] [port]\n",proc);
}
int main(int argc,char *argv[])
{
if(argc!=3)
{
usage(argv[0]);
exit(1);
}
int listen_sock=startup(argv[1],atoi(argv[2]));
fd_set rset;
int i=0;
FD_ZERO(&rset);
FD_SET(listen_sock,&rset);
//initial fds
for(;i<fds_nums;i++)
{
fds[i]= -1;
}
fds[0]=listen_sock;
int done=0;
while(!done)
{
//reset current rset
int max_fd= -1;
for(i=0;i<fds_nums;i++)
{
if(fds[i]>0)
{
FD_SET(fds[i],&rset);
max_fd=max_fd<fds[i]?fds[i]:max_fd;
}
}
//struct timeval _ti={5,0};
switch(select(max_fd+1,&rset,NULL,NULL,NULL))
{
case 0:
printf("time out...\n");
break;
case -1:
perror("select");
break;
default:
for(i=0;i<fds_nums;i++)
{
//listen_fd
if(i==0&&FD_ISSET(listen_sock,&rset))
{
//printf("there\n");
struct sockaddr_in peer;
socklen_t len=sizeof(peer);
int newfd=accept(listen_sock,(struct sockaddr *)&peer,&len);
if(newfd>0)
{
printf("get a new client$ socket->%s:%d\n",inet_ntoa(peer.sin_addr),ntohs(peer.sin_port));
}
int j=0;
for(j;j<fds_nums;j++)
{
if(fds[j]== -1)
{
fds[j]=newfd;
break;
}
}
//mfull of queue
if(j==fds_nums)
{
close(newfd);
}
}
else//normal accept_fd
{
// printf("there\n");
if(FD_ISSET(fds[i],&rset))
{
char buf[1024];
memset(buf,'\0',sizeof(buf));
ssize_t _s=read(fds[i],buf,sizeof(buf)-1);
if(_s>0)
{
buf[_s-1]='\0';
printf("client$ %s\n",buf);
}
else if(_s==0)
{
printf("%d is read done..\n",fds[i]);
close(fds[i]);
fds[i]= -1;
}
else{
perror("read");
}
}
}
}
break;
}
}
return 0;
}
結果：