linux select 函数使用

I/O多路复用之select()系统调用
为什么要使用I/O多路复用

应用程序常常需要在多于一个文件描述符上阻塞：例如响应键盘输入（stdin）、进程间通信以及同时操作多个文件。

在不使用线程（怎么理解线程的存在呢？我么可以举一个例子。当我们运行qq这个进程的时候，是可以执行不同的任务的。例如，我们可以在使用qq发送消息的同时来收发文件。而这两个不同的任务就是利用线程来完成的），尤其是独立处理每一个文件的情况下，进程无法在多个文件描述符上同时阻塞。如果文件都处于准备好被读写的状态，同时操作多个文件描述符是没有问题的。但是，一旦在该过程中出现一个未准备好的文件描述符（就是说，如果一个read()被调用，但没有读入数据），则这个进程将会阻塞，不能再操作其他文件。可能阻塞只有几秒钟，但是应用无响应也会造成不好的用户体验。然而，如果文件描述符始终没有任何可用数据，就可能一直阻塞下去。

如果使用非阻塞I/O，应用可以发起I/O请求并返回一个特别的错误，从而避免阻塞。但是，从两个方面来讲，这种方法效率较差。首先，进程需要以某种不确定的方式不断发起I/O操作，直到某个打开的文件描述符准备好进行I/O。其次，如果程序可以睡眠的话将更加有效，可以让处理器进行其他工作，直到一个或更多文件描述符可以进行I/O时再唤醒。

 
三种I/O多路复用方案

I/O多路复用允许应用在多个文件描述符上同时阻塞，并在其中某个可以读写时收到通知。这时I/O多路复用就成了应用的关键所在。

I/O多路复用的设计遵循一下原则：

1、I/O多路复用：当任何文件描述符准备好I/O时告诉我

2、在一个或更多文件描述符就绪前始终处于睡眠状态

3、唤醒：哪个准备好了？

4、在不阻塞的情况下处理所有I/O就绪的文件描述符

5、返回第一步，重新开始

Linux提供了三种I/O多路复用方案：select、poll、epoll。
 

select函数使用

/* According to POSIX.1-2001 */
#include <sys/select.h>
 
/* According to earlier standards */
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
 
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,
           fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
/*
    nfds:       监控的文件描述符集里最大文件描述符加1，因为此参数会告诉内核检测前多少个文件描述符的状态
    readfds：    监控有读数据到达文件描述符集合，传入传出参数
    writefds：   监控写数据到达文件描述符集合，传入传出参数
    exceptfds：  监控异常发生达文件描述符集合,如带外数据到达异常，传入传出参数
    timeout：    定时阻塞监控时间，3种情况
                1.NULL，永远等下去
                2.设置timeval，等待固定时间
                3.设置timeval里时间均为0，检查描述字后立即返回，轮询
    struct timeval {
        long tv_sec; // seconds 
        long tv_usec; // microseconds 
    };
int类型返回值：超时返回0;失败返回-1；成功返回大于0的整数，这个整数表示就绪描述符的数目。
*/
void FD_CLR(int fd, fd_set *set);   // 把文件描述符集合里fd清0
int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set); // 测试文件描述符集合里fd是否置1
void FD_SET(int fd, fd_set *set);   // 把文件描述符集合里fd位置1
void FD_ZERO(fd_set *set);         //把文件描述符集合里所有位清0

其中fd_set是select机制中提供的一种数据结构，实际上是一long类型的数组，每一个数组元素都能与一打开的文件句柄（不仅是socket句柄，还是其他文件或命名管道或设备句柄）建立联系，建立联系的工作由程序员完成，当调用select()时，由内核根据IO状态修改fd_set的内容，由此来通知执行了select()的进程哪一个socket或文件发生了可读或可写事件

监测的文件描述符可以分为三类，分别等待不同的事件。监测readfds集合中的文件描述符，确认其中是否有可读数据（也就是说，确认好了的文件描述符的读操作可以无阻塞的完成）。监测writefds集合中的文件描述符，确认其中是否有一个写操作可以不阻塞地完成。监测exceptfds中的文件描述符，确认其中是否有出现异常发生或者出现带外数据（这种情况只适用于套接字）。指定的集合可能为空（NULL）。相应的，select()则不对此类事件进行监测。

成功返回时，每个集合只包含对应类型的I/O就绪的文件描述符。举个例子，readfds集合中有两个文件描述符：7和9.当调用返回时，如果7还在集合中，该文件描述符就准备好进行无阻塞I/O了。如果9已不在集合中，它可能在被读取时会发生阻塞。出现错误返回-1。

第一个参数n，等于所有集合中文件描述符的最大值加1。这样，select()的调用者需要找到最大的文件描述符值，并将其加1后传给第一个参数。
 

timeout参数是一个指向timeval结构体的指针，定义如下：

#include <sys/time.h>
struct timeval {
long tv_sec; /* seconds */
long tv_usec; /* microseconds */
};

如果这个参数不是NULL，即使此时没有文件描述符处于I/O就绪状态，select()调用也将在tv_sec秒、tv_usec微秒后返回。即 select在timeout时间内阻塞，超时时间之内有事件到来就返回了，否则在超时后不管怎样一定返回。

如果时限中的两个值都是0，调用会立即返回，并报告调用时所有事件对应的文件描述符均不可用，且不等待任何后续事件。

若将NULL以形参传入，即不传入时间结构，就是将select置于阻塞状态，一定等到监视文件描述符集合中某个文件描述符发生变化为止

fd_set结构体

  fd_set其实这是一个数组的宏定义，实际上是一long类型的数组，每一个数组元素都能与一打开的文件句柄(socket、文件、管道、设备等)建立联系，建立联系的工作由程序员完成，当调用select()时，由内核根据IO状态修改fd_set的内容，由此来通知执行了select()的进程哪个句柄可读。
 

#include <WINSOCK2.H> 
 
int main()
{   
    fd_set fdset;   
    FD_ZERO(&fdset);   
    FD_SET(1, &fdset);   
    FD_SET(2, &fdset);   
    FD_SET(3, &fdset);   
    FD_SET(7, &fdset);   
    int isset = FD_ISSET(3, &fdset);   
    printf("isset = %d\n", isset);   
    FD_CLR(3, &fdset);   
    isset = FD_ISSET(3, &fdset);   
    printf("isset = %d\n", isset);   
    return 0;
}

 然后经过FD_CLR以后，fd_array[2]就被清除了，数组后面的数据依次往前提，即7被放到了fd_array[2]
       所以isset前后两次打印的值分别为1和0

select模型

理解select模型的关键在于理解fd_set,为说明方便，取fd_set长度为1字节，fd_set中的每一bit可以对应一个文件描述符fd。则1字节长的fd_set最大可以对应8个fd。

（1）执行fd_set set; FD_ZERO(&set); 则set用位表示是0000,0000。

（2）若fd＝5,执行FD_SET(fd,&set);后set变为0001,0000(第5位置为1)

（3）若再加入fd＝2，fd=1,则set变为0001,0011

（4）执行select(6,&set,0,0,0)阻塞等待

（5）若fd=1,fd=2上都发生可读事件，则select返回，此时set变为0000,0011。注意：没有事件发生的fd=5被清空。

基于上面的讨论，可以轻松得出select模型的特点：

（1）可监控的文件描述符个数取决与sizeof(fd_set)的值。我这边服务器上sizeof(fd_set)＝512，每bit表示一个文件描述符，则我服务器上支持的最大文件描述符是512*8=4096。据说可调，另有说虽然可调，但调整上限受于编译内核时的变量值。

（2）将fd加入select监控集的同时，还要再使用一个数据结构array保存放到select监控集中的fd，一是用于再select返回后，array作为源数据和fd_set进行FD_ISSET判断。二是select返回后会把以前加入的但并无事件发生的fd清空，则每次开始select前都要重新从array取得fd逐一加入（FD_ZERO最先），扫描array的同时取得fd最大值maxfd，用于select的第一个参数。

（3）可见select模型必须在select前循环加fd，取maxfd，select返回后利用FD_ISSET判断是否有事件发生。