Linux编程之select

select系统调用的的用途是：在一段指定的时间内，监听用户感兴趣的文件描述符上可读、可写和异常等事件。

select 机制的优势

为什么会出现select模型？

先看一下下面的这句代码：

int iResult = recv(s, buffer,1024);

这是用来接收数据的，在默认的阻塞模式下的套接字里，recv会阻塞在那里，直到套接字连接上有数据可读，把数据读到buffer里后recv函数才会返回，不然就会一直阻塞在那里。在单线程的程序里出现这种情况会导致主线程（单线程程序里只有一个默认的主线程）被阻塞,这样整个程序被锁死在这里，如果永 远没数据发送过来，那么程序就会被永远锁死。这个问题可以用多线程解决，但是在有多个套接字连接的情况下，这不是一个好的选择，扩展性很差。

再看代码：

int iResult = ioctlsocket(s, FIOBIO, (unsigned long *)&ul);
iResult = recv(s, buffer,1024);

这一次recv的调用不管套接字连接上有没有数据可以接收都会马上返回。原因就在于我们用ioctlsocket把套接字设置为非阻塞模式了。不过你跟踪一下就会发现，在没有数据的情况下，recv确实是马上返回了，但是也返回了一个错误：WSAEWOULDBLOCK，意思就是请求的操作没有成功完成。

看到这里很多人可能会说，那么就重复调用recv并检查返回值，直到成功为止，但是这样做效率很成问题，开销太大。

select模型的出现就是为了解决上述问题。 select模型的关键是使用一种有序的方式，对多个套接字进行统一管理与调度 。

如上所示，用户首先将需要进行IO操作的socket添加到select中，然后阻塞等待select系统调用返回。当数据到达时，socket被激活，select函数返回。用户线程正式发起read请求，读取数据并继续执行。

从流程上来看，使用select函数进行IO请求和同步阻塞模型没有太大的区别，甚至还多了添加监视socket，以及调用select函数的额外操作，效率更差。但是，使用select以后最大的优势是用户可以在一个线程内同时处理多个socket的IO请求。用户可以注册多个socket，然后不断地调用select读取被激活的socket，即可达到在同一个线程内同时处理多个IO请求的目的。而在同步阻塞模型中，必须通过多线程的方式才能达到这个目的。

select流程伪代码如下：

{
    select(socket);
    while(1) 
    {
        sockets = select();
        for(socket in sockets) 
        {
            if(can_read(socket)) 
            {
                read(socket, buffer);
                process(buffer);
            }
        }
    }
}

select相关API介绍与使用

#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int select(int maxfdp, fd_set *readset, fd_set *writeset, fd_set *exceptset,struct timeval *timeout);

参数说明：

maxfdp：被监听的文件描述符的总数，它比所有文件描述符集合中的文件描述符的最大值大1，因为文件描述符是从0开始计数的；

readfds、writefds、exceptset：分别指向可读、可写和异常等事件对应的描述符集合。

timeout:用于设置select函数的超时时间，即告诉内核select等待多长时间之后就放弃等待。timeout == NULL 表示等待无限长的时间

timeval结构体定义如下：

struct timeval
{      
    long tv_sec;   /*秒 */
    long tv_usec;  /*微秒 */   
};

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。

以下介绍与select函数相关的常见的几个宏：

#include <sys/select.h>   
int FD_ZERO(int fd, fd_set *fdset);   //一个 fd_set类型变量的所有位都设为 0
int FD_CLR(int fd, fd_set *fdset);  //清除某个位时可以使用
int FD_SET(int fd, fd_set *fd_set);   //设置变量的某个位置位
int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset); //测试某个位是否被置位

select使用范例： 当声明了一个文件描述符集后，必须用FD_ZERO将所有位置零。之后将我们所感兴趣的描述符所对应的位置位，操作如下：

fd_set rset;   
int fd;   
FD_ZERO(&rset);   
FD_SET(fd, &rset);   
FD_SET(stdin, &rset);

然后调用select函数，拥塞等待文件描述符事件的到来；如果超过设定的时间，则不再等待，继续往下执行。

select(fd+1, &rset, NULL, NULL,NULL);

select返回后，用FD_ISSET测试给定位是否置位：

if(FD_ISSET(fd, &rset)   
{ 
    ... 
    //do something  
}

下面是一个最简单的select的使用例子：

#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

int main()
{
    fd_set rd;
    struct timeval tv;
    int err;
    

    FD_ZERO(&rd);
    FD_SET(0,&rd);
    
    tv.tv_sec = 5;
    tv.tv_usec = 0;
    err = select(1,&rd,NULL,NULL,&tv);
    
    if(err == 0) //超时
    {
        printf("select time out!\n");
    }
    else if(err == -1)  //失败
    {
        printf("fail to select!\n");
    }
    else  //成功
    {
        printf("data is available!\n");
    }

    
    return 0;
}

我们运行该程序并且随便输入一些数据，程序就提示收到数据了。

深入理解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。

用select处理带外数据

网络程序中，select能处理的异常情况只有一种：socket上接收到带外数据。

什么是带外数据？

带外数据(out—of—band data)，有时也称为加速数据(expedited data)， 是指连接双方中的一方发生重要事情，想要迅速地通知对方。 这种通知在已经排队等待发送的任何“普通”(有时称为“带内”)数据之前发送。 带外数据设计为比普通数据有更高的优先级。 带外数据是映射到现有的连接中的，而不是在客户机和服务器间再用一个连接。

我们写的select程序经常都是用于接收普通数据的，当我们的服务器需要同时接收普通数据和带外数据，我们如何使用select进行处理二者呢？

下面给出一个小demo：

#include <stdio.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>


int main(int argc, char* argv[])
{
    if(argc <= 2)
    {
        printf("usage: ip address + port numbers\n");
        return -1;
    }
    
    const char* ip = argv[1];
    int port = atoi(argv[2]);

        printf("ip: %s\n",ip);
        printf("port: %d\n",port);
    
    int ret = 0;
    struct sockaddr_in address;
    bzero(&address,sizeof(address));
    address.sin_family = AF_INET;
    inet_pton(AF_INET,ip,&address.sin_addr);
    address.sin_port = htons(port);
    
    int listenfd = socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0);
    if(listenfd < 0)
    {
        printf("Fail to create listen socket!\n");
        return -1;
    }
    
    ret = bind(listenfd,(struct sockaddr*)&address,sizeof(address));
    if(ret == -1)
    {
        printf("Fail to bind socket!\n");
        return -1;
    }
    
    ret = listen(listenfd,5); //监听队列最大排队数设置为5
    if(ret == -1)
    {
        printf("Fail to listen socket!\n");
        return -1;
    }
    
    struct sockaddr_in client_address;  //记录进行连接的客户端的地址
    socklen_t client_addrlength = sizeof(client_address);
    int connfd = accept(listenfd,(struct sockaddr*)&client_address,&client_addrlength);
    if(connfd < 0)
    {
        printf("Fail to accept!\n");
        close(listenfd);
    }
    
    char buff[1024]; //数据接收缓冲区
    fd_set read_fds;  //读文件操作符
    fd_set exception_fds; //异常文件操作符
    FD_ZERO(&read_fds);
    FD_ZERO(&exception_fds);
    
    while(1)
    {
        memset(buff,0,sizeof(buff));
        /*每次调用select之前都要重新在read_fds和exception_fds中设置文件描述符connfd，因为事件发生以后，文件描述符集合将被内核修改*/
        FD_SET(connfd,&read_fds);
        FD_SET(connfd,&exception_fds);
        
        ret = select(connfd+1,&read_fds,NULL,&exception_fds,NULL);
        if(ret < 0)
        {
            printf("Fail to select!\n");
            return -1;
        }
        
        
        if(FD_ISSET(connfd, &read_fds))
        {
            ret = recv(connfd,buff,sizeof(buff)-1,0);
            if(ret <= 0)
            {
                break;
            }
            
            printf("get %d bytes of normal data: %s \n",ret,buff);
            
        }
        else if(FD_ISSET(connfd,&exception_fds)) //异常事件
        {
            ret = recv(connfd,buff,sizeof(buff)-1,MSG_OOB);
            if(ret <= 0)
            {
                break;
            }
            
            printf("get %d bytes of exception data: %s \n",ret,buff);
        }
        
    }
    
    close(connfd);
    close(listenfd);
    
    
    return 0;
}

用select来解决socket中的多客户问题

上面提到过，，使用select以后最大的优势是用户可以在一个线程内同时处理多个socket的IO请求。在网络编程中，当涉及到多客户访问服务器的情况，我们首先想到的办法就是fork出多个进程来处理每个客户连接。现在，我们同样可以使用select来处理多客户问题，而不用fork。

服务器端

#include <sys/types.h> 
#include <sys/socket.h> 
#include <stdio.h> 
#include <netinet/in.h> 
#include <sys/time.h> 
#include <sys/ioctl.h> 
#include <unistd.h> 
#include <stdlib.h>

int main() 
{ 
    int server_sockfd, client_sockfd; 
    int server_len, client_len; 
    struct sockaddr_in server_address; 
    struct sockaddr_in client_address; 
    int result; 
    fd_set readfds, testfds; 
    server_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);//建立服务器端socket 
    server_address.sin_family = AF_INET; 
    server_address.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); 
    server_address.sin_port = htons(8888); 
    server_len = sizeof(server_address); 
    bind(server_sockfd, (struct sockaddr *)&server_address, server_len); 
    listen(server_sockfd, 5); //监听队列最多容纳5个 
    FD_ZERO(&readfds); 
    FD_SET(server_sockfd, &readfds);//将服务器端socket加入到集合中
    while(1) 
    {
        char ch; 
        int fd; 
        int nread; 
        testfds = readfds;//将需要监视的描述符集copy到select查询队列中，select会对其修改，所以一定要分开使用变量 
        printf("server waiting\n"); 

        /*无限期阻塞，并测试文件描述符变动 */
        result = select(FD_SETSIZE, &testfds, (fd_set *)0,(fd_set *)0, (struct timeval *) 0); //FD_SETSIZE：系统默认的最大文件描述符
        if(result < 1) 
        { 
            perror("server5"); 
            exit(1); 
        } 

        /*扫描所有的文件描述符*/
        for(fd = 0; fd < FD_SETSIZE; fd++) 
        {
            /*找到相关文件描述符*/
            if(FD_ISSET(fd,&testfds)) 
            { 
              /*判断是否为服务器套接字，是则表示为客户请求连接。*/
                if(fd == server_sockfd) 
                { 
                    client_len = sizeof(client_address); 
                    client_sockfd = accept(server_sockfd, 
                    (struct sockaddr *)&client_address, &client_len); 
                    FD_SET(client_sockfd, &readfds);//将客户端socket加入到集合中
                    printf("adding client on fd %d\n", client_sockfd); 
                } 
                /*客户端socket中有数据请求时*/
                else 
                { 
                    ioctl(fd, FIONREAD, &nread);//取得数据量交给nread
                    
                    /*客户数据请求完毕，关闭套接字，从集合中清除相应描述符 */
                    if(nread == 0) 
                    { 
                        close(fd); 
                        FD_CLR(fd, &readfds); //去掉关闭的fd
                        printf("removing client on fd %d\n", fd); 
                    } 
                    /*处理客户数据请求*/
                    else 
                    { 
                        read(fd, &ch, 1); 
                        sleep(5); 
                        printf("serving client on fd %d\n", fd); 
                        ch++; 
                        write(fd, &ch, 1); 
                    } 
                } 
            } 
        } 
    } 

    return 0;
}

客户端

//客户端
#include <sys/types.h> 
#include <sys/socket.h> 
#include <stdio.h> 
#include <netinet/in.h> 
#include <arpa/inet.h> 
#include <unistd.h> 
#include <stdlib.h>
#include <sys/time.h>

int main() 
{ 
    int client_sockfd; 
    int len; 
    struct sockaddr_in address;//服务器端网络地址结构体 
     int result; 
    char ch = 'A'; 
    client_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);//建立客户端socket 
    address.sin_family = AF_INET; 
    address.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
    address.sin_port = htons(8888); 
    len = sizeof(address); 
    result = connect(client_sockfd, (struct sockaddr *)&address, len); 
    if(result == -1) 
    { 
         perror("oops: client2"); 
         exit(1); 
    } 
    //第一次读写
    write(client_sockfd, &ch, 1); 
    read(client_sockfd, &ch, 1); 
    printf("the first time: char from server = %c\n", ch); 
    sleep(5);
    
    //第二次读写
    write(client_sockfd, &ch, 1); 
    read(client_sockfd, &ch, 1); 
    printf("the second time: char from server = %c\n", ch);
    
    close(client_sockfd); 
   
    return 0; 
}

运行流程：

客户端：启动->连接服务器->发送A->等待服务器回复->收到B->再发B给服务器->收到C->结束

服务器：启动->select->收到A->发A+1回去->收到B->发B+1过去

测试：我们先运行服务器，再运行客户端

select总结：

select本质上是通过设置或者检查存放fd标志位的数据结构来进行下一步处理。这样所带来的缺点是：

1、单个进程可监视的fd数量被限制，即能监听端口的大小有限。一般来说这个数目和系统内存关系很大，具体数目可以cat/proc/sys/fs/file-max察看。32位机默认是1024个。64位机默认是2048.

2、 对socket进行扫描时是线性扫描，即采用轮询的方法，效率较低：当套接字比较多的时候，每次select()都要通过遍历FD_SETSIZE个Socket来完成调度,不管哪个Socket是活跃的,都遍历一遍。这会浪费很多CPU时间。如果能给套接字注册某个回调函数，当他们活跃时，自动完成相关操作，那就避免了轮询，这正是epoll与kqueue做的。

3、需要维护一个用来存放大量fd的数据结构，这样会使得用户空间和内核空间在传递该结构时复制开销大。