IO多路复用之select总结

1、基本概念

　　IO多路复用是指内核一旦发现进程指定的一个或者多个IO条件准备读取，它就通知该进程。IO多路复用适用如下场合：

　　（1）当客户处理多个描述字时（一般是交互式输入和网络套接口），必须使用I/O复用。

　　（2）当一个客户同时处理多个套接口时，而这种情况是可能的，但很少出现。

　　（3）如果一个TCP服务器既要处理监听套接口，又要处理已连接套接口，一般也要用到I/O复用。

　　（4）如果一个服务器即要处理TCP，又要处理UDP，一般要使用I/O复用。

　　（5）如果一个服务器要处理多个服务或多个协议，一般要使用I/O复用。

　　与多进程和多线程技术相比，I/O多路复用技术的最大优势是系统开销小，系统不必创建进程/线程，也不必维护这些进程/线程，从而大大减小了系统的开销。

2、select函数

　　该函数准许进程指示内核等待多个事件中的任何一个发送，并只在有一个或多个事件发生或经历一段指定的时间后才唤醒。函数原型如下：

#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)
返回值：就绪描述符的数目，超时返回0，出错返回-1

函数参数介绍如下：

（1）第一个参数maxfdp1指定待测试的描述字个数，它的值是待测试的最大描述字加1（因此把该参数命名为maxfdp1），描述字0、1、2...maxfdp1-1均将被测试。

因为文件描述符是从0开始的。

（2）中间的三个参数readset、writeset和exceptset指定我们要让内核测试读、写和异常条件的描述字。如果对某一个的条件不感兴趣，就可以把它设为空指针。struct fd_set可以理解为一个集合，这个集合中存放的是文件描述符，可通过以下四个宏进行设置：

          void FD_ZERO(fd_set *fdset);           //清空集合

          void FD_SET(int fd, fd_set *fdset);   //将一个给定的文件描述符加入集合之中

          void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset);   //将一个给定的文件描述符从集合中删除

          int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset);   // 检查集合中指定的文件描述符是否可以读写 

（3）timeout告知内核等待所指定描述字中的任何一个就绪可花多少时间。其timeval结构用于指定这段时间的秒数和微秒数。

         struct timeval{

                   long tv_sec;   //seconds

                   long tv_usec;  //microseconds

       };

这个参数有三种可能：

（1）永远等待下去：仅在有一个描述字准备好I/O时才返回。为此，把该参数设置为空指针NULL。

（2）等待一段固定时间：在有一个描述字准备好I/O时返回，但是不超过由该参数所指向的timeval结构中指定的秒数和微秒数。

（3）根本不等待：检查描述字后立即返回，这称为轮询。为此，该参数必须指向一个timeval结构，而且其中的定时器值必须为0。

 原理图：

3、测试程序

　　写一个TCP回射程序，程序的功能是：客户端向服务器发送信息，服务器接收并原样发送给客户端，客户端显示出接收到的信息。

服务端程序如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/select.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <assert.h>

#define IPADDR      "127.0.0.1"
#define PORT        8787
#define MAXLINE     1024
#define LISTENQ     5
#define SIZE        10

typedef struct server_context_st
{
    int cli_cnt;        /*客户端个数*/
    int clifds[SIZE];   /*客户端的个数*/
    fd_set allfds;      /*句柄集合*/
    int maxfd;          /*句柄最大值*/
} server_context_st;
static server_context_st *s_srv_ctx = NULL;
/*===========================================================================
 * ==========================================================================*/
static int create_server_proc(const char* ip,int port)
{
    int  fd;
    struct sockaddr_in servaddr;
    fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM,0);
    if (fd == -1) {
        fprintf(stderr, "create socket fail,erron:%d,reason:%s
",
                errno, strerror(errno));
        return -1;
    }

    /*一个端口释放后会等待两分钟之后才能再被使用，SO_REUSEADDR是让端口释放后立即就可以被再次使用。*/
    int reuse = 1;
    if (setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &reuse, sizeof(reuse)) == -1) {
        return -1;
    }

    bzero(&servaddr,sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    inet_pton(AF_INET,ip,&servaddr.sin_addr);
    servaddr.sin_port = htons(port);

    if (bind(fd,(struct sockaddr*)&servaddr,sizeof(servaddr)) == -1) {
        perror("bind error: ");
        return -1;
    }

    listen(fd,LISTENQ);

    return fd;
}

static int accept_client_proc(int srvfd)
{
    struct sockaddr_in cliaddr;
    socklen_t cliaddrlen;
    cliaddrlen = sizeof(cliaddr);
    int clifd = -1;

    printf("accpet clint proc is called.
");

ACCEPT:
    clifd = accept(srvfd,(struct sockaddr*)&cliaddr,&cliaddrlen);

    if (clifd == -1) {
        if (errno == EINTR) {
            goto ACCEPT;
        } else {
            fprintf(stderr, "accept fail,error:%s
", strerror(errno));
            return -1;
        }
    }

    fprintf(stdout, "accept a new client: %s:%d
",
            inet_ntoa(cliaddr.sin_addr),cliaddr.sin_port);

    //将新的连接描述符添加到数组中
    int i = 0;
    for (i = 0; i < SIZE; i++) {
        if (s_srv_ctx->clifds[i] < 0) {
            s_srv_ctx->clifds[i] = clifd;
            s_srv_ctx->cli_cnt++;
            break;
        }
    }

    if (i == SIZE) {
        fprintf(stderr,"too many clients.
");
        return -1;
    }

}

static int handle_client_msg(int fd, char *buf) 
{
    assert(buf);
    printf("recv buf is :%s
", buf);
    write(fd, buf, strlen(buf) +1);
    return 0;
}

static void recv_client_msg(fd_set *readfds)
{
    int i = 0, n = 0;
    int clifd;
    char buf[MAXLINE] = {0};
    for (i = 0;i <= s_srv_ctx->cli_cnt;i++) {
        clifd = s_srv_ctx->clifds[i];
        if (clifd < 0) {
            continue;
        }
        /*判断客户端套接字是否有数据*/
        if (FD_ISSET(clifd, readfds)) {
            //接收客户端发送的信息
            n = read(clifd, buf, MAXLINE);
            if (n <= 0) {
                /*n==0表示读取完成，客户都关闭套接字*/
                FD_CLR(clifd, &s_srv_ctx->allfds);
                close(clifd);
                s_srv_ctx->clifds[i] = -1;
                continue;
            }
            handle_client_msg(clifd, buf);
        }
    }
}
static void handle_client_proc(int srvfd)
{
    int  clifd = -1;
    int  retval = 0;
    fd_set *readfds = &s_srv_ctx->allfds;
    struct timeval tv;
    int i = 0;

    while (1) {
        /*每次调用select前都要重新设置文件描述符和时间，因为事件发生后，文件描述符和时间都被内核修改啦*/
        FD_ZERO(readfds);
        /*添加监听套接字*/
        FD_SET(srvfd, readfds);
        s_srv_ctx->maxfd = srvfd;

        tv.tv_sec = 30;
        tv.tv_usec = 0;
        /*添加客户端套接字*/
        for (i = 0; i < s_srv_ctx->cli_cnt; i++) {
            clifd = s_srv_ctx->clifds[i];
            /*去除无效的客户端句柄*/
            if (clifd != -1) {
                FD_SET(clifd, readfds);
            }
            s_srv_ctx->maxfd = (clifd > s_srv_ctx->maxfd ? clifd : s_srv_ctx->maxfd);
        }

        /*开始轮询接收处理服务端和客户端套接字*/
        retval = select(s_srv_ctx->maxfd + 1, readfds, NULL, NULL, &tv);
        if (retval == -1) {
            fprintf(stderr, "select error:%s.
", strerror(errno));
            return;
        }
        if (retval == 0) {
            fprintf(stdout, "select is timeout.
");
            continue;
        }
        if (FD_ISSET(srvfd, readfds)) {
            /*监听客户端请求*/
            accept_client_proc(srvfd);
        } else {
            /*接受处理客户端消息*/
            recv_client_msg(readfds);
        }
    }
}

static void server_uninit()
{
    if (s_srv_ctx) {
        free(s_srv_ctx);
        s_srv_ctx = NULL;
    }
}

static int server_init()
{
    s_srv_ctx = (server_context_st *)malloc(sizeof(server_context_st));
    if (s_srv_ctx == NULL) {
        return -1;
    }

    memset(s_srv_ctx, 0, sizeof(server_context_st));

    int i = 0;
    for (;i < SIZE; i++) {
        s_srv_ctx->clifds[i] = -1;
    }

    return 0;
}

int main(int argc,char *argv[])
{
    int  srvfd;
    /*初始化服务端context*/
    if (server_init() < 0) {
        return -1;
    }
    /*创建服务,开始监听客户端请求*/
    srvfd = create_server_proc(IPADDR, PORT);
    if (srvfd < 0) {
        fprintf(stderr, "socket create or bind fail.
");
        goto err;
    }
    /*开始接收并处理客户端请求*/
    handle_client_proc(srvfd);
    server_uninit();
    return 0;
err:
    server_uninit();
    return -1;
}

客户端程序如下：

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

#define MAXLINE 1024
#define IPADDRESS "127.0.0.1"
#define SERV_PORT 8787

#define max(a,b) (a > b) ? a : b

static void handle_recv_msg(int sockfd, char *buf) 
{
printf("client recv msg is:%s
", buf);
sleep(5);
write(sockfd, buf, strlen(buf) +1);
}

static void handle_connection(int sockfd)
{
char sendline[MAXLINE],recvline[MAXLINE];
int maxfdp,stdineof;
fd_set readfds;
int n;
struct timeval tv;
int retval = 0;

while (1) {

FD_ZERO(&readfds);
FD_SET(sockfd,&readfds);
maxfdp = sockfd;

tv.tv_sec = 5;
tv.tv_usec = 0;

retval = select(maxfdp+1,&readfds,NULL,NULL,&tv);

if (retval == -1) {
return ;
}

if (retval == 0) {
printf("client timeout.
");
continue;
}

if (FD_ISSET(sockfd, &readfds)) {
n = read(sockfd,recvline,MAXLINE);
if (n <= 0) {
fprintf(stderr,"client: server is closed.
");
close(sockfd);
FD_CLR(sockfd,&readfds);
return;
}

handle_recv_msg(sockfd, recvline);
}
}
}

int main(int argc,char *argv[])
{
int sockfd;
struct sockaddr_in servaddr;

sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);

bzero(&servaddr,sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
inet_pton(AF_INET,IPADDRESS,&servaddr.sin_addr);

int retval = 0;
retval = connect(sockfd,(struct sockaddr*)&servaddr,sizeof(servaddr));
if (retval < 0) {
fprintf(stderr, "connect fail,error:%s
", strerror(errno));
return -1;
}

printf("client send to server .
");
write(sockfd, "hello server", 32);

handle_connection(sockfd);

return 0;
}

4、程序结果

　　启动服务程序，执行三个个客户程序进行测试，结果如下图所示：

参考：

http://konglingchun.is-programmer.com/posts/12146.html

http://blog.163.com/smileface100@126/blog/static/27720874200951024532966/

备注：

（1）2016-10-23修改服务端,添加注释，非法客户端的处理。