Linux I/O复用之select函数详解

来源：互联网发布：cms视频监控解码编辑：程序博客网时间：2024/05/11 04:10

select函数的功能和调用顺序

使用select函数时统一监视多个文件描述符的：
1、是否存在套接字接收数据？
2、无需阻塞传输数据的套接字有哪些?
3、哪些套接字发生了异常？

select函数调用过程：
这里写图片描述
由上图知，调用select函数需要一些准备工作，调用后还需要查看结果。

设置文件描述符

select可以同时监视多个文件描述符（套接字）。
此时需要先将文件描述符集中到一起。集中时也要按照监视项（接收，传输，异常）进行区分，即按照上述3种监视项分成三类。
使用fd_set数组变量执行此项操作，该数组是存有0和1的位数组。

这里写图片描述

最左端的位表示文件描述符0（位置）。如果该位值为1，则表示该文件描述符是监视对象。
图上显然监视对象为fd1和fd3。

“是否应当通过文件描述符的数字直接将值注册到fd_set变量？”
当然不是！操作fd_set的值由如下宏来完成：

FD_ZERO(fd_set* fdset)：将fd_set变量的所有位初始化为0。
FD_SET（int fd, fd_set* fdset）:在参数fdset指向的变量中注册文件描述符fd的信息。
FD_CLR(int fd, fd_set* fdset)：参数fdset指向的变量中清除文件描述符fd的信息。
FD_ISSET(int fd, fd_set* fdset): 若参数fdset指向的变量中包含文件描述符fd的信息，则返回真。

画图解释：
这里写图片描述

设置监视范围及超时

select函数：

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

其中参数和返回值：
maxfd：监视对象文件描述符数量。
readset: 将所有关注“是否存在待读取数据”的文件描述符注册到fd_set变量，并传递其地址值。
writeset: 将所有关注“是否可传输无阻塞数据”的文件描述符注册到fd_set变量，并传递其地址值。
exceptset: 将所有关注“是否发生异常”的文件描述符注册到fd_set变量，并传递其地址值。
timeout: 调用select后，为防止陷入无限阻塞状态，传递超时信息。
返回值：错误返回-1，超时返回0。因关注的事件返回时，返回大于0的值，该值是发生事件的文件描述符数。

select函数用来验证3种监视项的变化情况。根据监视项声明3个fd_set变量，分别向其注册文件描述符信息，并把变量的地址传递到函数的第二到第四个参数。但是，在调用select函数前需要决定2件事：
“文件描述符的监视范围是？”
“如何设定select函数的超时时间？”

第一，文件描述符的监视范围与第一个参数有关，实际上,select函数要求通过第一个参数传递监视对象文件描述符的数量。因此，需要得到注册在fd_set变量中的文件描述符数。但每次新建文件描述符时，其值都会增1，故只需将最大的文件描述符值加1再传递到select函数即可。（加1是因为文件描述符的值从0开始）
第二，超时时间与最后一个参数有关，其中timeval结构体如下：

struct timeval{    long tv_sec;    long tv_usec;};

本来select函数只有在监视文件描述符发生变化时才返回，未发生变化会进入阻塞状态。指定超时时间就是为了防止这种情况发生。
将上述结构体填入时间值，然后将结构体地址值传给select函数的最后一个参数，此时，即使文件描述符中未发生变化，只要过了指定时间，也可以从函数返回。不过这种情况下，select函数返回0。
不想设置超时最后一个参数只需要传递NULL。

调用select函数后查看结果

如果select返回值大于0，说明文件描述符发生了变化。

关于文件描述符变化：    文件描述符变化是指监视的文件描述符中发生了相应的监视事件。    例如通过select的第二个参数传递的集合中存在需要读取数据的描述符时，就意味着文件描述符发生变化。

怎样获知哪些文件描述符发生了变化？向select函数的第二到第四个参数传递的fd_set变量中将产生变化，如下图：

这里写图片描述

select函数调用完成后，向其传递的fd_set变量中将发生变化。原来为1的所有位均变为0，但发生变化的文件描述符对应位除外。因此，可以认为值为1的位置上的文件描述符发生了变化。

select函数调用实例

#include <stdio.h>#include <unistd.h>#include <sys/time.h>#include <sys/select.h>#define BUF_SIZE 30int main(int argc, char* argv[]){    fd_set reads, temps;    int result, str_len;    char buf[BUF_SIZE];    struct timeval timeout;    FD_ZERO(&reads);    FD_SET(0, &reads);//监视文件描述符0的变化, 即标准输入的变化    /*    超时不能在此设置！    因为调用select后，结构体timeval的成员tv_sec和tv_usec的值将被替换为超时前剩余时间.    调用select函数前，每次都需要初始化timeval结构体变量.    timeout.tv_sec = 5;    timeout.tv_usec = 5000;    */    while(1)    {        /*将准备好的fd_set变量reads的内容复制到temps变量，因为调用select函数后，除了发生变化的fd对应位外，剩下的所有位        都将初始化为0，为了记住初始值，必须经过这种复制过程。        */        temps = reads;        //设置超时        timeout.tv_sec = 5;        timeout.tv_usec = 0;        //调用select函数. 若有控制台输入数据，则返回大于0的整数，如果没有输入数据而引发超时，返回0.        result = select(1, &temps, 0, 0, &timeout);        if(result == -1)        {            perror("select() error");            break;        }        else if(result == 0)        {            puts("timeout");        }        else        {            //读取数据并输出            if(FD_ISSET(0, &temps))            {                str_len = read(0, buf, BUF_SIZE);                buf[str_len] = 0;                printf("message from console: %s", buf);            }        }    }    return 0;}程序运行结果：/*nihaomessage from console: nihaogoodbyemessage from console: goodbyetimeouttimeout*/

select函数实现I/O复用服务端

服务端代码：

//server.c#include <stdio.h>#include <string.h>#include <unistd.h>#include <stdlib.h>#include <arpa/inet.h>#include <sys/time.h>#include <sys/socket.h>#include <sys/select.h>#define BUF_SIZE 100void error_handing(char* buf);int main(int argc, char* argv[]){    int serv_sock, clnt_sock;    struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;    struct timeval timeout;    fd_set reads, cpy_reads;    socklen_t adr_sz;    int fd_max, str_len, fd_num, i;    char buf[BUF_SIZE];    if(argc != 2)    {        printf("Usage: %s <port> \n", argv[0]);        exit(1);    }    serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);    memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));    serv_adr.sin_family = AF_INET;    serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);    serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));    if(bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1)        error_handing("bind() error");    if(listen(serv_sock, 5) == -1)        error_handing("listen() error");    FD_ZERO(&reads);    FD_SET(serv_sock, &reads); //将服务端套接字注册入fd_set,即添加了服务器端套接字为监视对象    fd_max = serv_sock;    while(1)    {        cpy_reads = reads;        timeout.tv_sec = 5;        timeout.tv_usec = 5000;        //无限循环调用select 监视可读事件        if((fd_num = select(fd_max+1, &cpy_reads, 0, 0, &timeout)) == -1)        {            perror("select error");break;        }        if(fd_num == 0)            continue;        for(i = 0; i < fd_max + 1; i++)        {            if(FD_ISSET(i, &cpy_reads))            {                /*发生状态变化时,首先验证服务器端套接字中是否有变化.                ①若是服务端套接字变化，接受连接请求。                ②若是新客户端连接，注册与客户端连接的套接字文件描述符.                */                if(i == serv_sock)                {                    adr_sz = sizeof(clnt_adr);                    clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr*)&clnt_adr, &adr_sz);                    FD_SET(clnt_sock, &reads);                    if(fd_max < clnt_sock)                        fd_max = clnt_sock;                    printf("connected client: %d \n", clnt_sock);                }                else                    {                    str_len = read(i, buf, BUF_SIZE);                    if(str_len == 0)    //读取数据完毕关闭套接字                    {                        FD_CLR(i, &reads);//从reads中删除相关信息                        close(i);                        printf("closed client: %d \n", i);                    }                    else                    {                        write(i, buf, str_len);//执行回声服务  即echo                    }                }            }        }    }    close(serv_sock);    return 0;}void error_handing(char* buf){    fputs(buf, stderr);    fputc('\n', stderr);    exit(1);}

客户端代码：

//client.c#include <stdlib.h>#include <stdio.h>#include <unistd.h>#include <arpa/inet.h>#include <sys/socket.h>#include <string.h>#define BUF_SIZE 1024void error_handling(char* message);int main(int argc, char* argv[]){    int sock;    char message[BUF_SIZE];    int str_len;    struct sockaddr_in serv_adr;    if(argc != 3)    {        printf("Usage: %s <IP> <port> \n", argv[0]);        exit(1);    }    sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);    if(sock==-1)        error_handling("socket error");    memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));    serv_adr.sin_family = AF_INET;    serv_adr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);    serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));    if(connect(sock, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr))==-1)        error_handling("connect() error!");    else        puts("connected....");    while(1)    {        fputs("Input message:(输入Q退出):", stdout);        fgets(message, BUF_SIZE, stdin);        if(!strcmp(message, "q\n") || !strcmp(message, "Q\n"))            break;        write(sock, message, strlen(message));        str_len = read(sock, message, BUF_SIZE-1);        message[str_len] = 0;        printf("Message from server: %s", message);    }    close(sock);    return 0;}void error_handling(char* message){    fputs(message, stderr);    fputc('\n', stderr);    exit(1);}

编译执行测试：

编译程序：gcc server.c –o servergcc client.c –o client启动服务端：yu@ubuntu:~/qtProjects/echo_selectserv$ ./server 8899启动客户端1：yu@ubuntu:~/qtProjects/echo_selectserv$ ./client 127.0.0.1 8899connected....Input message:(输入Q退出):你好哇2017年2月12日20:25:43Message from server: 你好哇2017年2月12日20:25:43Input message:(输入Q退出):你好哇2017-02-12 20:25:52Message from server: 你好哇2017-02-12 20:25:52Input message:(输入Q退出):q启动客户端2：yu@ubuntu:~/qtProjects/echo_selectserv$ ./client 127.0.0.1 8899connected....Input message:(输入Q退出):你好2017年2月12日20:25:11Message from server: 你好2017年2月12日20:25:11Input message:(输入Q退出):你好2017年2月12日20:25:24Message from server: 你好2017年2月12日20:25:24Input message:(输入Q退出):q服务端情况：yu@ubuntu:~/qtProjects/echo_selectserv$ ./server 8899connected client: 4 connected client: 5 closed client: 5 closed client: 4

学习自《TCP/IP网络编程》

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