IO多路复用 - select

主要方法：

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。

使用例程：

int main (){    int keyboard;    int ret,i;    char c;    fd_set readfd;    struct timeval timeout;    keyboard = open("/dev/tty",O_RDONLY | O_NONBLOCK);    assert(keyboard>0);    while(1){        timeout.tv_sec=1;        timeout.tv_usec=0;        /*将fd_set清空*/        FD_ZERO(&readfd);        /*将键盘文件描述符加入fd_set*/        /*每次调用select，都需要把fd集合从用户态拷贝到内核态，这个开销在fd很多时会很大*/        FD_SET(keyboard,&readfd);        /*select()监视字符描述符集合。并返回准备就绪的句柄个数*/        ret=select(keyboard+1,&readfd,NULL,NULL,&timeout);        /*检测键盘是否就绪*/        if(FD_ISSET(keyboard,&readfd)) {              i=read(keyboard,&c,1);              if('\n'==c)                  continue;              printf("input is %c\n",c);              if ('q'==c)                  break;         }    }}

源码：

/*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);    /*retval的含义为就绪的文件描述符的个数*/    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);}

缺点：

select的几大缺点：
1. 每次调用select，都需要把fd集合从用户态拷贝到内核态，这个开销在fd很多时会很大（查看例程）
2. 同时每次调用select都需要在内核遍历传递进来的所有fd，这个开销在fd很多时也很大（查看源码）
3. select支持的文件描述符数量太小了，默认是1024