linux select()函数实现分析

linux select()函数实现分析
  int select(int n,fd_set * readfds,fd_set * writefds,fd_set * exceptfds,struct timeval * timeout);
select()函数是linux下实现异步I/O的一种机制，最重要的使用场合是高效的网络编程。在这里不谈论select()
的具体用法，而是看看select()机制的内部实现。
  我个人认为把select()看成是建立在linux文件系统的一个库函数更合适，虽然select()的代码位于内核(文件系统部分)，但是和内核本身的联系还是很小的。
  我们从函数的定义入手，先看看函数的参数，第一个是一个进程内的文件描述符数组最大下标加1，第二个参数实际是一个无符号长整型数组。

  

  以上的图描述了第一个参数maxfd,和fd_set的作用。file_struct是文件描述符指针数组，0-2分别是输入，输出和出错文件描述符。所以在

你添加第一要监听的描述符的时候，它的下标是3，也就是第四个。select的工作原理是循环的扫描文件描述符，就是从[0,maxfd+1),凡是

fd_set中所对应的位被置 1(最终循环的时候fd_set的结果是后三个参数的合集),select都会调用相应的poll()函数(fd[4]->file->f_op-

>file_operations->poll()),poll是具体文件相关的函数，对于TCP就是tcp_poll().tcp_poll()会返回被监听socket的状态，比如可写或可读

。然后返回相关的状态给应用程序。之后应用程序就可以通过相关的宏来检测文件描述符的状态是否有被改变了。
  上图是select()函数的程序执行流程。从中可以看出，select()是先轮循了所有的描述符后才判断时间的，为了比较好的控制select()在循

环中所花费的时间，循环的次数一定不能太大，这也就是最大循环次数被定为1024的原因。
  
     我们总结下select()所存在的一些问题。
    1.每次调用时要重复地从用户态读入参数。
    fd_set * readfds,fd_set * writefds,fd_set * exceptfds 这三个参数其实都是长整型数组，每次 调用的时候都会从用户空间拷贝

置内存空间。这也是一个比较耗费时间的操作。

    2.每次调用时要重复地扫描文件描述符。
    其实在很多时候，大部分的文件描述符的状态是没有改变的，但是还是进行了相应的poll()操作，这里也浪费了不必要的时间。
   

    3.每次在调用开始时，要把当前进程放入各个文件描述符的等待队列。在调用结束后，又把进程从各个等待  队列中删除。
    对于这点我们可以看看下面的图。task1的开了n个文件。现在它要监听file4-file9,那么操作系统就会把task1连接进要监听的文件的等待

队列中。在阻塞模式下，只要其中一个文件的状态改变，改进程就会被唤醒，投入运行，所以这个时候，又会将该进程从所有的等待对列中移

出。从源代码的执行看，即使是非阻塞模式下，这中情况还是会发生，因为，连入的操作是在文件相关的poll()函数中进行的，而每次循环都

会执行poll().
     针对以上的缺点，linux上引入了epoll.

Linux 2.6.25中的select系统调用 
主要有4个函数: 
sys_select：处理时间参数，调用core_sys_select。 
core_sys_select：处理三个fd_set参数，调用do_select。 
do_select：做select/poll的工作。在合适的时机把自己挂起等待，调用sock_poll。 
sock_poll：用函数指针分派到具体的协议层函数tcp_poll、udp_poll、datagram_poll。 
层层分工明确，我也要多学习这种方式啊。

/*sys_select(fs/select.c)处理了超时值（如果有）,将struct timeval转换成了时钟周期数,调用core_sys_select,然后检查剩余时间,处理时间*/asmlinkage long sys_select(int n, fd_set __user *inp, fd_set __user *outp,   fd_set __user *exp, struct timeval __user *tvp){s64 timeout = -1;struct timeval tv;int ret;if (tvp) {/*如果有超时值*/if (copy_from_user(&tv, tvp, sizeof(tv)))return -EFAULT;if (tv.tv_sec < 0 || tv.tv_usec < 0)/*时间无效*/return -EINVAL;/* Cast to u64 to make GCC stop complaining */if ((u64)tv.tv_sec >= (u64)MAX_INT64_SECONDS)timeout = -1;/* 无限等待*/else {timeout = DIV_ROUND_UP(tv.tv_usec, USEC_PER_SEC/HZ);timeout += tv.tv_sec * HZ;/*计算出超时的相对时间,单位为时钟周期数*/}}/*主要工作都在core_sys_select中做了*/ret = core_sys_select(n, inp, outp, exp, &timeout);if (tvp) {/*如果有超时值*/struct timeval rtv;if (current->personality & STICKY_TIMEOUTS)/*模拟bug的一个机制,不详细描述*/goto sticky;/*rtv中是剩余的时间*/rtv.tv_usec = jiffies_to_usecs(do_div((*(u64*)&timeout), HZ));rtv.tv_sec = timeout;if (timeval_compare(&rtv, &tv) >= 0)/*如果core_sys_select超时返回,更新时间*/rtv = tv;/*拷贝更新后的时间到用户空间*/if (copy_to_user(tvp, &rtv, sizeof(rtv))) {sticky:/** If an application puts its timeval in read-only* memory, we don't want the Linux-specific update to* the timeval to cause a fault after the select has* completed successfully. However, because we're not* updating the timeval, we can't restart the system* call.*/if (ret == -ERESTARTNOHAND)/*ERESTARTNOHAND表明,被中断的系统调用*/ret = -EINTR;}}return ret;}/*core_sys_select为do_select准备好了位图,然后调用do_select,将返回的结果集,返回到用户空间*/static int core_sys_select(int n, fd_set __user *inp, fd_set __user *outp,   fd_set __user *exp, s64 *timeout){fd_set_bits fds;void *bits;int ret, max_fds;unsigned int size;struct fdtable *fdt;/* Allocate small arguments on the stack to save memory and be faster *//*SELECT_STACK_ALLOC 定义为256*/long stack_fds[SELECT_STACK_ALLOC/sizeof(long)];ret = -EINVAL;if (n < 0)goto out_nofds;/* max_fds can increase, so grab it once to avoid race */rcu_read_lock();fdt = files_fdtable(current->files);/*获取当前进程的文件描述符表*/max_fds = fdt->max_fds;rcu_read_unlock();if (n > max_fds)/*修正用户传入的第一个参数：fd_set中文件描述符的最大值*/n = max_fds;/** We need 6 bitmaps (in/out/ex for both incoming and outgoing),* since we used fdset we need to allocate memory in units of* long-words. *//*如果stack_fds数组的大小不能容纳下所有的fd_set,就用kmalloc重新分配一个大数组。然后将位图平均分成份,并初始化fds结构*/size = FDS_BYTES(n);bits = stack_fds;if (size > sizeof(stack_fds) / 6) {/* Not enough space in on-stack array; must use kmalloc */ret = -ENOMEM;bits = kmalloc(6 * size, GFP_KERNEL);if (!bits)goto out_nofds;}fds.in      = bits;fds.out     = bits +   size;fds.ex      = bits + 2*size;fds.res_in  = bits + 3*size;fds.res_out = bits + 4*size;fds.res_ex  = bits + 5*size;/*get_fd_set仅仅调用copy_from_user从用户空间拷贝了fd_set*/if ((ret = get_fd_set(n, inp, fds.in)) ||(ret = get_fd_set(n, outp, fds.out)) ||(ret = get_fd_set(n, exp, fds.ex)))goto out;zero_fd_set(n, fds.res_in);zero_fd_set(n, fds.res_out);zero_fd_set(n, fds.res_ex);/*接力棒传给了do_select*/ret = do_select(n, &fds, timeout);if (ret < 0)goto out;/*do_select返回,是一种异常状态*/if (!ret) {/*记得上面的sys_select不？将ERESTARTNOHAND转换成了EINTR并返回。EINTR表明系统调用被中断*/ret = -ERESTARTNOHAND;if (signal_pending(current))/*当当前进程有信号要处理时,signal_pending返回真,这符合了EINTR的语义*/goto out;ret = 0;}/*把结果集,拷贝回用户空间*/if (set_fd_set(n, inp, fds.res_in) ||set_fd_set(n, outp, fds.res_out) ||set_fd_set(n, exp, fds.res_ex))ret = -EFAULT;out:if (bits != stack_fds)kfree(bits);/*对应上面的kmalloc*/out_nofds:return ret;}/*do_select真正的select在此,遍历了所有的fd,调用对应的xxx_poll函数*/int do_select(int n, fd_set_bits *fds, s64 *timeout){struct poll_wqueues table;poll_table *wait;int retval, i;rcu_read_lock();/*根据已经打开fd的位图检查用户打开的fd, 要求对应fd必须打开, 并且返回最大的fd*/retval = max_select_fd(n, fds);rcu_read_unlock();if (retval < 0)return retval;n = retval;/*将当前进程放入自已的等待队列table, 并将该等待队列加入到该测试表wait*/poll_initwait(&table);wait = &table.pt;if (!*timeout)wait = NULL;retval = 0;for (;;) {/*死循环*/unsigned long *rinp, *routp, *rexp, *inp, *outp, *exp;long __timeout;/*注意:可中断的睡眠状态*/set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);inp = fds->in; outp = fds->out; exp = fds->ex;rinp = fds->res_in; routp = fds->res_out; rexp = fds->res_ex;for (i = 0; i < n; ++rinp, ++routp, ++rexp) {/*遍历所有fd*/unsigned long in, out, ex, all_bits, bit = 1, mask, j;unsigned long res_in = 0, res_out = 0, res_ex = 0;const struct file_operations *f_op = NULL;struct file *file = NULL;in = *inp++; out = *outp++; ex = *exp++;all_bits = in | out | ex;if (all_bits == 0) {/*__NFDBITS定义为(8 * sizeof(unsigned long)),即long的位数。因为一个long代表了__NFDBITS位，所以跳到下一个位图i要增加__NFDBITS*/i += __NFDBITS;continue;}for (j = 0; j < __NFDBITS; ++j, ++i, bit <<= 1) {int fput_needed;if (i >= n)break;/*测试每一位*/if (!(bit & all_bits))continue;/*得到file结构指针，并增加引用计数字段f_count*/file = fget_light(i, &fput_needed);if (file) {f_op = file->f_op;mask = DEFAULT_POLLMASK;/*对于socket描述符,f_op->poll对应的函数是sock_poll注意第三个参数是等待队列，在poll成功后会将本进程唤醒执行*/if (f_op && f_op->poll)mask = (*f_op->poll)(file, retval ? NULL : wait);/*释放file结构指针，实际就是减小他的一个引用计数字段f_count*/fput_light(file, fput_needed);/*根据poll的结果设置状态,要返回select出来的fd数目，所以retval++。注意：retval是in out ex三个集合的总和*/if ((mask & POLLIN_SET) && (in & bit)) {res_in |= bit;retval++;}if ((mask & POLLOUT_SET) && (out & bit)) {res_out |= bit;retval++;}if ((mask & POLLEX_SET) && (ex & bit)) {res_ex |= bit;retval++;}}/*注意前面的set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);因为已经进入TASK_INTERRUPTIBLE状态,所以cond_resched回调度其他进程来运行，这里的目的纯粹是为了增加一个抢占点。被抢占后，由等待队列机制唤醒。在支持抢占式调度的内核中（定义了CONFIG_PREEMPT），cond_resched是空操作*/ cond_resched();}/*根据poll的结果写回到输出位图里*/if (res_in)*rinp = res_in;if (res_out)*routp = res_out;if (res_ex)*rexp = res_ex;}wait = NULL;if (retval || !*timeout || signal_pending(current))/*signal_pending前面说过了*/break;if(table.error) {retval = table.error;break;}if (*timeout < 0) {/*无限等待*/__timeout = MAX_SCHEDULE_TIMEOUT;} else if (unlikely(*timeout >= (s64)MAX_SCHEDULE_TIMEOUT - 1)) {/* 时间超过MAX_SCHEDULE_TIMEOUT,即schedule_timeout允许的最大值，用一个循环来不断减少超时值*/__timeout = MAX_SCHEDULE_TIMEOUT - 1;*timeout -= __timeout;} else {/*等待一段时间*/__timeout = *timeout;*timeout = 0;}/*TASK_INTERRUPTIBLE状态下，调用schedule_timeout的进程会在收到信号后重新得到调度的机会，即schedule_timeout返回,并返回剩余的时钟周期数*/__timeout = schedule_timeout(__timeout);if (*timeout >= 0)*timeout += __timeout;}/*设置为运行状态*/__set_current_state(TASK_RUNNING);/*清理等待队列*/poll_freewait(&table);return retval;}static unsigned int sock_poll(struct file *file, poll_table *wait){struct socket *sock;/*约定socket的file->private_data字段放着对应的socket结构指针*/sock = file->private_data;/*对应了三个协议的函数tcp_poll,udp_poll,datagram_poll，其中udp_poll几乎直接调用了datagram_poll累了，先休息一下，这三个函数以后分析*/return sock->ops->poll(file, sock, wait);}