基本套接字编程（3） -- select篇

1. I/O复用

我们学习了I/o复用的基本知识，了解到目前支持I/O复用的系统调用有select、pselect、poll、epoll。而epoll技术以其独特的优势被越来越多的应用到各大企业服务器。（后面将有poll & epoll单独学习笔记）

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技术

select()函数确定一个或多个套接口的状态，本函数用于确定一个或多个套接口的状态，对每一个套接口，调用者可查询它的可读性、可写性及错误状态信息，用fd_set结构来表示一组等待检查的套接口，在调用返回时，这个结构存有满足一定条件的套接口组的子集，并且select()返回满足条件的套接口的数目。

 2.1函数原型

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。

有关select更加详细的讲解请参考《Unix网络编程 -- 卷一》第六章 Page127 ~ 142；

2.2 select原理流程图

3. TCP回射程序实例

本例是基本套接字编程（1） -- tcp篇中回射程序的改写，其中server端采用select技术，实现I/O复用，可同时为多个客户程序服务！

3.1 server.c

#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <string.h>#include <errno.h>#include <unistd.h>#include <time.h>#include <sys/socket.h>#include <sys/select.h>#include <sys/types.h>#include <netinet/in.h>#include <arpa/inet.h>#include <netdb.h>#include <fcntl.h>#define PORT 8888#define MAX_LINE 2048#define LISTENQ 20int main(int argc , char **argv){int i, maxi, maxfd, listenfd, connfd, sockfd;int nready , client[FD_SETSIZE];ssize_t n, ret;fd_set rset , allset;char buf[MAX_LINE];socklen_t clilen;struct sockaddr_in servaddr , cliaddr;/*(1) 得到监听描述符*/listenfd = socket(AF_INET , SOCK_STREAM , 0);/*(2) 绑定套接字*/bzero(&servaddr , sizeof(servaddr));servaddr.sin_family = AF_INET;servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);servaddr.sin_port = htons(PORT);bind(listenfd , (struct sockaddr *)&servaddr , sizeof(servaddr));/*(3) 监听*/listen(listenfd , LISTENQ);/*(4) 设置select*/maxfd = listenfd;maxi = -1;for(i=0 ; i<FD_SETSIZE ; ++i){client[i] = -1;}//forFD_ZERO(&allset);FD_SET(listenfd , &allset);/*(5) 进入服务器接收请求死循环*/while(1){rset = allset;nready = select(maxfd+1 , &rset , NULL , NULL , NULL);if(FD_ISSET(listenfd , &rset)){/*接收客户端的请求*/clilen = sizeof(cliaddr);printf("\naccpet connection~\n");if((connfd = accept(listenfd , (struct sockaddr *)&cliaddr , &clilen)) < 0){perror("accept error.\n");exit(1);}//ifprintf("accpet a new client: %s:%d\n", inet_ntoa(cliaddr.sin_addr) , cliaddr.sin_port);/*将客户链接套接字描述符添加到数组*/for(i=0 ; i<FD_SETSIZE ; ++i){if(client[i] < 0){client[i] = connfd;break;}//if}//forif(FD_SETSIZE == i){perror("too many connection.\n");exit(1);}//ifFD_SET(connfd , &allset);if(connfd > maxfd)maxfd = connfd;if(i > maxi)maxi = i;if(--nready < 0)continue;}//iffor(i=0; i<=maxi ; ++i){if((sockfd = client[i]) < 0)continue;if(FD_ISSET(sockfd , &rset)){/*处理客户请求*/printf("\nreading the socket~~~ \n");bzero(buf , MAX_LINE);if((n = read(sockfd , buf , MAX_LINE)) <= 0){close(sockfd);FD_CLR(sockfd , &allset);client[i] = -1;}//ifelse{printf("clint[%d] send message: %s\n", i , buf);if((ret = write(sockfd , buf , n)) != n){printf("error writing to the sockfd!\n");break;}//if}//elseif(--nready <= 0)break;}//if}//for}//while}

3.2 client.c

#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <string.h>#include <errno.h>#include <unistd.h>#include <time.h>#include <sys/socket.h>#include <sys/select.h>#include <sys/types.h>#include <netinet/in.h>#include <arpa/inet.h>#include <netdb.h>#include <fcntl.h>#define PORT 8888#define MAX_LINE 2048int max(int a , int b){return a > b ? a : b;}/*readline函数实现*/ssize_t readline(int fd, char *vptr, size_t maxlen){ssize_tn, rc;charc, *ptr;ptr = vptr;for (n = 1; n < maxlen; n++) {if ( (rc = read(fd, &c,1)) == 1) {*ptr++ = c;if (c == '\n')break;/* newline is stored, like fgets() */} else if (rc == 0) {*ptr = 0;return(n - 1);/* EOF, n - 1 bytes were read */} elsereturn(-1);/* error, errno set by read() */}*ptr = 0;/* null terminate like fgets() */return(n);}/*普通客户端消息处理函数*/void str_cli(int sockfd){/*发送和接收缓冲区*/char sendline[MAX_LINE] , recvline[MAX_LINE];while(fgets(sendline , MAX_LINE , stdin) != NULL){write(sockfd , sendline , strlen(sendline));bzero(recvline , MAX_LINE);if(readline(sockfd , recvline , MAX_LINE) == 0){perror("server terminated prematurely");exit(1);}//ifif(fputs(recvline , stdout) == EOF){perror("fputs error");exit(1);}//ifbzero(sendline , MAX_LINE);}//while}/*采用select的客户端消息处理函数*/void str_cli2(FILE* fp , int sockfd){int maxfd;fd_set rset;/*发送和接收缓冲区*/char sendline[MAX_LINE] , recvline[MAX_LINE];FD_ZERO(&rset);while(1){/*将文件描述符和套接字描述符添加到rset描述符集*/FD_SET(fileno(fp) , &rset);FD_SET(sockfd , &rset);maxfd = max(fileno(fp) , sockfd) + 1;select(maxfd , &rset , NULL , NULL , NULL);if(FD_ISSET(fileno(fp) , &rset)){if(fgets(sendline , MAX_LINE , fp) == NULL){printf("read nothing~\n");close(sockfd); /*all done*/return ;}//ifsendline[strlen(sendline) - 1] = '\0';write(sockfd , sendline , strlen(sendline));}//ifif(FD_ISSET(sockfd , &rset)){if(readline(sockfd , recvline , MAX_LINE) == 0){perror("handleMsg: server terminated prematurely.\n");exit(1);}//ifif(fputs(recvline , stdout) == EOF){perror("fputs error");exit(1);}//if}//if}//while}int main(int argc , char **argv){/*声明套接字和链接服务器地址*/    int sockfd;    struct sockaddr_in servaddr;    /*判断是否为合法输入*/    if(argc != 2)    {        perror("usage:tcpcli <IPaddress>");        exit(1);    }//if    /*(1) 创建套接字*/    if((sockfd = socket(AF_INET , SOCK_STREAM , 0)) == -1)    {        perror("socket error");        exit(1);    }//if    /*(2) 设置链接服务器地址结构*/    bzero(&servaddr , sizeof(servaddr));    servaddr.sin_family = AF_INET;    servaddr.sin_port = htons(PORT);    if(inet_pton(AF_INET , argv[1] , &servaddr.sin_addr) < 0)    {        printf("inet_pton error for %s\n",argv[1]);        exit(1);    }//if    /*(3) 发送链接服务器请求*/    if(connect(sockfd , (struct sockaddr *)&servaddr , sizeof(servaddr)) < 0)    {        perror("connect error");        exit(1);    }//if/*调用普通消息处理函数*/str_cli(sockfd);/*调用采用select技术的消息处理函数*///str_cli2(stdin , sockfd);exit(0);}

3.3 运行结果

服务器监听终端：

两个客户链接服务器：

GitHub源码地址

注：以上部分理论内容来自参考博客，多谢原博主！