浅谈select模型的实现过程和特点

目录

一、select模型的事件就绪条件

1、读事件就绪

2、写事件就绪

二、select模型的执行过程

1、第一部分：select调用前

2、第二部分：select调用后

三、select的优缺点

1、优点

2、缺点

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一、select模型的事件就绪条件

所谓的事件就绪，并非只有数据就绪这种情况，比如监听套接字listen_fd收到了新的连接请求，这也算 读事件就绪的一种，用户可以通过accpet函数将新连接拷贝到上层进行维护，所谓的读不正是将数据从内核拷贝到上层的过程吗？

1、读事件就绪

• 最典型的读事件是 缓冲区里的数据就绪。 此时缓冲区里数据所占字节数 大于 低水位标记SO_RCVLOWAT，然后上层便可以无阻塞的读该文件描述符。
• 监听套接字 listen_fd 收到了新的连接请求。这也算是读事件就绪的一种，然后上层便可以调用accept函数将新连接从内核拷贝到用户层，并返回新连接的 fd
• 对端的连接断开（recv/read的返回值为0）。
• socket上有未处理的错误

2、写事件就绪

• 最典型的写事件是 缓冲区里有足够的剩余空间。此时缓冲区里剩余空间所占字节数大小 大于 低水位标记SO_SNDLOWAT ，然后上层便可以无阻塞的写入内容。
• 调用 close 或者 shutdown 函数，此时写操作被关闭了。
• socket使用非阻塞connect 连接成功或者失败之后。
• socket上有未读取的错误。

二、select模型的执行过程

select的执行过程  以select函数调用为界，分为两部分。第一部分是告诉 select 哪些fd是需要被关注的；第二部分是 事件就绪以后的拷贝工作（调用read/recv/write/send函数）。

1、第一部分：select调用前

定义readfds_array数组的原因

在接收数据的时候，可能存在下面两种情况

• 一个文件描述符只是接收了一部分数据，此时数据就绪了，剩余尚未接收的数据本该留到下次接收，但是第二个参数readfds 输出时会清空所有的内容。
• 一个文件描述符读/写事件就绪后，第二个参数readfds 清空所有的内容，将就绪结果告知用户，但是下一次还想要继续写入内容，下一次又该怎么办呢？？

根本原因在于 第二个参数 readfds 是一个输入输出型参数。输入时，用户告诉内核，哪些文件描述符需要被关注；输出时，readfds将原本的内容清空，换上输出结果，以此告诉用户，有哪些文件描述符上的事件已经就绪。

因此，我们需要一个数组来临时存储下一次仍然需要被关注的fd ，这个数组便是readfds_array

int main()
{
  //创建套接字
  int listen_fd = TcpSocket::CreateSocket();
  //绑定端口号
  TcpSocket::Bind(listen_fd, 8080);
  //设为监听套接字
  TcpSocket::Listen(listen_fd);
 
#define NUM 1024
  int readfds_array[NUM];         //定义一个数组用于保存下一次需要关注的fd
  for(int i=0; i< NUM ;i++){
    readfds_array[i] = -1;        //初始化数组，元素值为-1表示当前位置未被占用
  }
  readfds_array[0] = listen_fd;   //新连接到来的时候，属于读事件就绪
  fd_set *readfds = nullptr;
  while (1)
  {
    int max_fd = readfds_array[0]; // select的第一个参数是所有文件描述符的最大值
    FD_ZERO(readfds);              //清空读事件集合
    for (size_t i = 0; i < NUM; i++)    //以循环的方式将数组里的fd添加到 读事件集合中
    {    
      if (readfds_array[i] == -1)
        continue;
 
      //到这一步，readfds_array[i]一定存了文件描述符
      FD_SET(readfds_array[i], readfds);
      //获取到文件描述符的最大值
      max_fd = max_fd < readfds_array[i] ? readfds_array[i] : max_fd;
    }
 
    //设置阻塞时间为5s
    struct timeval timeout = {5,0};
    int n = select(max_fd,readfds,nullptr,nullptr,&timeout);
    switch (n)
    {
    case -1:
      //select调用出错
      break;
    case 0:
      //select阻塞超时（阻塞超时会进入非阻塞状态，这里不算调用出错）
      break;
    default:
      /******************* 第二部分 *****************/
      //说明有文件描述符上的事件就绪
      break;
    }
  }
 
  return 0;
}

2、第二部分：select调用后

这部分要重点了解的是事件就绪后如何处理的问题。（只不过我们这里只关注读事件就绪）。

事件就绪有可能是读事件、写事件就绪、异常事件就绪。此时我们并不知道是哪种事件的哪个fd就绪，所以要逐一去判断。如果 readfds_array[i] == -1，说明该位置没有存放文件描述符，直接进行下一次循环。

int main()
{
  //创建套接字
  int listen_fd = TcpSocket::CreateSocket();
  //绑定端口号
  TcpSocket::Bind(listen_fd, 8080);
  //设为监听套接字
  TcpSocket::Listen(listen_fd);
 
#define NUM 1024
  int readfds_array[NUM];         //定义一个数组用于保存下一次需要关注的fd
  for(int i=0; i< NUM ;i++){
    readfds_array[i] = -1;        //初始化数组，元素值为-1表示当前位置未被占用
  }
  readfds_array[0] = listen_fd;   //新连接到来的时候，属于读事件就绪
  fd_set *readfds = nullptr;
  while (1)
  {
    int max_fd = readfds_array[0]; // select的第一个参数是所有文件描述符的最大值
    FD_ZERO(readfds);              //清空读事件集合
    for (size_t i = 0; i < NUM; i++)
    {
      if (readfds_array[i] == -1)
        continue;
 
      //到这一步，readfds_array[i]一定存了文件描述符
      FD_SET(readfds_array[i], readfds);
      //获取到文件描述符的最大值
      max_fd = max_fd < readfds_array[i] ? readfds_array[i] : max_fd;
    }
 
    //设置阻塞时间为5s
    struct timeval timeout = {5,0};
    int n = select(max_fd,readfds,nullptr,nullptr,&timeout);
    switch (n)
    {
    case -1:
      //select调用出错
      break;
    case 0:
      //select阻塞超时（阻塞超时会进入非阻塞状态，这里不算调用出错）
      break;
    default:
      /******************* 第二部分 *****************/
      //说明有文件描述符上的事件就绪
      for (size_t i = 0; i < NUM; i++)
      {
        if (readfds_array[i] == -1)   continue;
          
        //判断是不是读事件就绪(判断是否在读事件集合)
        if(FD_ISSET(readfds_array[i],readfds)){
          //说明该文件描述符上的读事件就绪
 
          
          if(readfds_array[i] == listen_fd){
            //收到了新的连接，此时可以调用accept
            int sock = TcpSocket::Accept(readfds_array[i]);
            if(sock > 0){
              //说明获取成功，此时需要把这个文件描述符加入到 readfds_array[i]中
              //因此需要遍历readfds_array数组，看看有哪个位置未被使用，第0个位置固定给监听套接字使用
              int pos = 1;
              for (; pos < NUM; pos++)
              {
                if (readfds_array[i] == -1)   break;      //-1表示该位置未被使用
              }
 
              //如果pos
              if (pos < NUM)
              {
                readfds_array[pos] = sock;
              }
              else{
                //没有位置可以放说明服务器满载了
                close(sock);
              }
            }
          }
          else{
            //收到了对方发来的数据，此时可以调用recv/read
            char buffer[1024] = {0};
            ssize_t s = recv(readfds_array[i],buffer,sizeof(buffer)-1,0);
            if (s > 0)
            {
              // 将数据拷贝到上层，接下来可以处理数据了
            }
            else if (s == 0)
            {
              //对端关闭连接了
              close(readfds_array[i]);
              readfds_array[i] = -1;      //空出位置给其他fd使用
            }
            else{
              //读取失败
              close(readfds_array[i]);
              readfds_array[i] = -1;      //空出位置给其他fd使用
            }
          }
        }
 
        //判断是不是写事件就绪
        // ... ...
 
        //判断是不是异常事件就绪
        // ... ...
 
      }
      
      break;
    }
  }
 
  return 0;
}

三、select的优缺点

1、优点

可以一次等待多个fd，可以让我们等待的时间重叠，一定程度上可以提高IO的效率。尽管多线程也可以实现，但是多线程的运行是受到CPU调度约束的，阻塞等待的时候会被加入到等待队列，事件就绪的时候再回到运行队列，频繁换队列存在一定的损耗。

2、缺点

缺点一

每次都要重新设置哪些文件描述符需要被关注。以第二个参数readfds为例，readfds是一个输入输出型参数，输入时告诉哪些文件描述符需要被关注；输出的时候，内核通知我们哪些文件描述符上的事件就绪了。

但是这样一来，我们最开始设置的输入就被输出结果给覆盖了，因此，下一次调用select的时候我们要重新设置第二个参数。

缺点二

每次调用select都需要把fd集合从用户层拷贝到内核，这个开销在fd较多时会很大。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。

缺点三

fd_set是一个位图结构，每次可以让select 关注的文件描述符数是有限的，只有1024个。