说在前面

• 环境：windows10
• 参考: UNIX网络编程、linux manual page
• 目录：这里
• 测试平台：Manjaro-ARM-xfce-rpi4-20.02
• 测试用例代码：这里
• 吐槽：爷青回

基本说明

• 在上一节中我们对几种I/O模型进行的基本的了解，为了实现这些I/O模型，通常会用到一些函数或方法。select为其中一种。
• select函数允许进程 (process) 指示 (instruct) 内核等待多个事件中的任何一个发生，并在一个或多个事件发生或经历一段指定的时间后才唤醒它 (process) 。
• 举个栗子，可以使用select函数通知内核在以下事件发生时返回(或者说唤醒)进程：
  • 集合{1, 4, 5}中的任何描述符 读 就绪；
  • 集合{2, 7}中的任何描述符 写 就绪；
  • 集合{1, 4}中的任何描述符出现 异常;
  • 时间过去了11.4秒
• 也就是说，select可以将我们关注的描述符或者等待时长告知内核，这里的描述符不限于套接字，任何的文件描述符 (file descriptor) 都可以。

定义

// linux manual page
#include <sys/select.h>

int select(int nfds, fd_set *restrict readfds,
	fd_set *restrict writefds, fd_set *restrict errorfds,
    struct timeval *restrict timeout);
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// unix network programming
#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);
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• timeout参数说明

  该参数描述内核等待给定的描述符中任意一个就绪的最长时间。timeval结构用于描述时长的秒数以及微秒数：

  struct timeval {
   long tv_sec; /* seconds/秒 */
   long tv_usec; /* microseconds/微秒 */
  };
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  该参数存在三种情形：

  情形	描述
  永远等待	仅在有一个或多个描述符就绪时才返回；此时需要将该参数置为空指针
  等待一段固定时间	在timeval结构描述的时间范围内，如果有描述符就绪就返回
  不等待	检查描述符后立即返回，即轮询(polling)；此时需要将timeval结构描述的时长设置为0(即tv_sec和tv_usec为0)

  关于时间精准度：尽管timeval结构描述的最小单位是微秒(1ms=1000us)，但是实际上内核所支持的单位是没有这么精准的，有些Unix内核会将超时时长向上取整为10ms的倍数。并且在到达定时器时间后，由于内核还需要消耗一定的时间进行进程调度，这个误差也会进一步扩大。

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  关于时间值的最值：在有些系统中，如果timeval结构体中tv_sec超过一定大小(可能是100 million sec,1亿)，select函数会返回EINVAL错误。也就是说，timeval结构可以描述select函数不支持的时间长度。

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  关于const限定词：由于该参数是指针，若不加限定，那么在函数内部，该参数的值是可能会被修改的。添加const限定表示在select函数不会修改这个参数。举个栗子：如果timeout描述的是10s，但是在10s内函数已经返回，那么timeout参数在函数执行后还是10s，而不会返回剩余的秒数、或是消耗的秒数。如果需要知道剩余的时间或者消耗的时间，需要在调用前后记录时间点，并进行计算。
  有些Linux版本会修改该参数（例如本文引用的linux manual page），所以从移植性角度考虑，应假设该参数在调用select前未被定义，因此需要在每次调用前对其进行初始化。

• timeout参数举例

  // 简单测试
  void TestTimeout() 
  {
      struct timeval t;
  
      t.tv_sec = 10; // 改成1000000000 在该平台并不会返回错误
      t.tv_usec = 0;
  
      select(0, NULL, NULL, NULL, &t);
  }
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  [pi@RaspberryPI select_simple]$ ./server.out 
  Sun Jun 26 21:21:49 2022
  Sun Jun 26 21:21:59 2022
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  // 测试timeval是否被修改
  void TestFDTimeout()
  {
      struct timeval t;
  
      t.tv_sec = 10;
      t.tv_usec = 0;
  
      fd_set fset;
  
      FD_ZERO(&fset);													// 清空
      FD_SET(fileno(stdin), &fset);									// 设置
  
      int val;
      val = select(fileno(stdin)+1, &fset, NULL, NULL, &t); 			// 检测标准输入
  
      if (FD_ISSET(fileno(stdin), &fset)) { 							// 有输入时的处理
          char in[30];
          Fgets(in, 30, stdin); 										// 取出输入
  
          char str[30];
          sprintf(str, "sec:%d usec:%d\n", t.tv_sec, t.tv_usec); 		// 打印时间 该系统下改变了timeval，为剩余时间
          Fputs(str, stdout);
      }
  }
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  [pi@RaspberryPI select_simple]$ ./server.out 
  Sun Jun 26 22:01:51 2022
  a
  sec:5 usec:963559
  Sun Jun 26 22:01:55 2022
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• readset、writeset、exceptset参数说明

  这三个参数用于描述内核进行检测的描述符集合，分别为读、写以及异常条件（套接字外带数据 (out-of-band data) 的到达 以及另一种异常(说是本书不讨论)）。

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  如何表述一个或多个描述符是一个设计问题，select函数使用描述符集(descriptor sets)来解决这个问题。描述符集通常一个整型数组，每个整数中的每一位对应一个描述符。举个栗子：如果使用32位bit的整数(uint32)数组，那么数组的一个元素对应描述符0~31，第二个元素对应32~63。这些实现细节定义在数据类型fd_set以及几个宏定义中：

  void FD_ZERO(fd_set *fdset); /* clear all bits in fdset/清除所有描述符位 */
  void FD_SET(int fd, fd_set *fdset); /* turn on the bit for fd in fdset/设置对应的描述符位 */
  void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset); /* turn off the bit for fd in fdset/清除对应的描述符位 */
  int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset); /* is the bit for fd on in fdset ?/判断对应描述符位是否被设置 */
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  我们可以定义一个fd_set类型的变量，并使用这些宏来操作它，也可以使用赋值语句将其赋值给另一个变量；举个栗子：

  fd_set rset;
  
  FD_ZERO(&rset);
  FD_SET(1, &rset);
  FD_SET(2, &rset);
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  关于 fd_set的初始化：描述符集的初始化非常重要，由于我们定义的是一个自动变量，在未初始化的情况下，它的值是随机的，这将产生不可预知的后果。

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  如果不关注这三个参数中的某些参数，我们可以直接将其设置为空指针。当三个参数均为空指针时，我们就得到了一个比Unix的Sleep函数更精准的定时器（poll函数也有类似的功能）。

• readset、writeset、exceptset参数举例

  void TestFD() 
  {
      fd_set fset;
  
      printf("fdset[0] is %d.\n", fset.__fds_bits[0]);				// 访问成员
  
      FD_SET(3, &fset);												// 设置描述符3
  
      printf("fdset[0] is %d, after set 3.\n", fset.__fds_bits[0]);	// 再次访问成员
  }
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  [pi@RaspberryPI select_simple]$ ./server.out 
  Sun Jun 26 22:16:29 2022
  fdset[0] is 0.
  fdset[0] is 8, after set 3.
  Sun Jun 26 22:16:29 2022
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• maxfdp1参数说明

  该参数用于描述待测试的描述符个数，其值是待测试的最大描述符的值加上1，即0，1，2，…，maxfdp1-1将被检测。举个例子，假设我们关注的描述符的值是{1, 2, 24}，那么maxfdp1的值需要被置为25。

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  头文件<sys/select.h>中定义的FD_SETSIZE常数即fd_set数据类型中的描述符总数，通常是1024，不过很少有程序用到这么大的值 （这个说法现在可能有点过时，但是对于使用select的程序来说可能确实用不到这么多） 。该参数的存在迫使使用者计算其所关注的最大描述符值并通知内核。

  这个参数的意义在于提高内核效率。每个fd_set都有表示大量描述符的空间，但是一个进程使用到的却很少；内核可以通过该参数在进程和内核之间复制必要的部分，减少对那些总为0的数据的操作，进而提高效率。

• 返回值

  select函数会修改指针 readset、writeset、exceptset所指向的描述符集，因而这三个参数都是值-结果参数 (value-result arguments)。调用函数时，传入我们关心的描述符，函数返回时，结果将指示哪些描述符已经就绪。通常我们可以使用FD_ISSET来测试哪些描述符是就绪的。描述符集中其他任何未就绪的描述符都将置为0，因此，在每次重新调用函数前，都需要将参数置为我们关注的描述符集。

  注意事项：使用select函数的常见错误，maxfdp1参数未+1；忽略了描述符集是值-结果参数（即没有重置readset、writeset、exceptset为我们关注的描述符集，而使用函数返回后的值，导致函数忽略了原本那些参数）。

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  select函数的返回值表示所有描述符集（ readset、writeset、exceptset）中已就绪的的描述符总数。如果在任何描述符就绪前超时，那么返回0；如果出错，返回-1。