【Windows编程】-I/O模型-01.Select模型实现

时间：2022-06-06 23:55:36

1.传统阻塞的Socket中存在的问题

  1. 每个Socket连接在Recv过程中，存在无数据一直阻塞问题；
    （当然，这个可以通过ioctlsocket()函数修改Socket属性为非阻塞，但会产生WSAEWOULDBLOCK错误。）
  2. 多个Socket管理不方便问题，不能在一个线程中同时监视多个Socket；
    （注意，我们可以通过为每个Socket都创建一个线程的办法实现同步监视（即一Socket一线程的方法），但这样过于消耗系统资源。）

基于传统的Socket中存在的问题，我们就要就要设计出相应的解决方案。在Windows下，主要有以下5种I/O模型：

  1. Select模型；
  2. 异步选择（WSAAsyncSelect）模型；
  3. 事件选择（WSAEventSelect）模型；
  4. 重叠I/O（Overlapped I/O）；
  5. 完成端口（Completion Port)；

本文主要介绍最基本的Select模型。

2.Select模型设计思路

【Windows编程】-I/O模型-01.Select模型实现

Select模型是Winsock中最常见的 I/O模型。核心便是利用 select 函数，实现对 I/O的管理。

每次调用Select之前，需将需要监听的Socket放入一个fd_set结构中，利用 select 函数来判断某Socket上是否有数据可读/可写，其（Select）内部通过轮询的方式，实现了同时等待多个套接字，当某个或者多个套接字满足可读写条件时，Select函数返回。这样，同时防止了在套接字处于非阻塞模式中时，产生WSAEWOULDBLOCK错误。

//fd_set 结构的定义如下：
typedef struct fd_set 
{ 
    u_int fd_count;
    SOCKET fd_array[FD_SETSIZE];  // 其实是将Socket放入数组中
} fd_set;
// Select模型实现 - 核心代码如下：
//（因与Linux下的Select相似，此处直接借用Linux下的C代码）
// C语言代码实现
while (1)
    {
// 定义fd_set集合
        fd_set client;
        FD_ZERO(&client);

/* fill client 将所有需要监视的Socket填充进fd_set集合（内含Socket数组）
 * 变量说明：client_count为client_set中所包含的Socket数量。
 * 变量说明：client_set数组中是客户端已连接的Socket。
 */
for (i = 0; i < *(p->client_count);++i)
        {
            FD_SET(p->client_set[i] , &client);  
        }

/* call select
 * 如果有Socket发生了事件，就将那些没有发生事件的Socket从fd_set集合中清除 （注意这里是把集合的地址传入的 &client）
 *
 * Q：Select内部是如何实现这种监视的？是通过Socket主动发送信号相应信号么？还是轮询？
 * 这里留了这么一个疑问，如果哪位伙伴知道，请在下方留言 ~~ 感激 ~~
 */

        ret = select(get_max(p->client_set , *(p->client_count)) + 1, &client , NULL , NULL , &time_val);   
if ( SOCKET_ERROR == ret)
        {
if (errno == EINVAL)
            {
                usleep(10);
continue;
            }
            printf("select fail![%s]\n" , strerror(errno));
break;
        }

// check 查看返回的集合中，有哪些Socket还在，就说明有关于ta的事件发生。
for (i = 0 ; i < *(p->client_count); ++i)
        {
if (FD_ISSET(p->client_set[i] , &client) > 0)
            {
// recv
                ret = recv(p->client_set[i] , buf , sizeof(buf) , 0);
if (DEF_STD_ERROR == ret || 0 == ret)
                {
// TODO:clear current client
continue;
                }
                printf("recv data:%s\n" , buf);
            }
        }

// 处理完毕，下次循环将会重新填充fd_set集合，并再次轮询。
    }

select 函数返回值：
select 成功完成后，会在 fdset 结构中，返回刚好有未完成的 I/O操作的所有套接字句柄的总量。
若超过 timeval 设定的时间，便会返回0。若 select 调用失败，都会返回 SOCKET_ERROR，应该调用 WSAGetLastError 获取错误码！

用 select 对套接字进行监视之前，必须将套接字句柄分配给一个fdset的结构集合，之后再来调用 select，便可知道一个套接字上是否正在发生上述的 I/O 活动。

Winsock 提供了下列宏操作，可用来针对 I/O活动，对 fdset 进行处理与检查：
● FD_CLR(s, *set)：从set中删除套接字s。
● FD_ISSET(s, *set)：检查s是否set集合的一名成员；如答案是肯定的是，则返回TRUE。
● FD_SET(s, *set)：将套接字s加入集合set。
● FD_ZERO( * set)：将set初始化成空集合。

3.select模式的优势和不足

优势：
1.可以同时对多个建立起来的套接字进行有序的管理。

不足：
1.每次调用Select之前都需要将所有Socket放入fd_set结构集合中，这样每次都需要遍历一次数组，但可能每次这个数组都没有变，或只有少部分变化；
2.Select函数返回时，并不知道是哪个Socket发生了事件，所以需要再次遍历Socket数组，找到发生事件的Socket，这个过程中会对没有发生事件的Socket也进行判断，而这个判断是无效的；
（所以，一次Select过程需要轮询遍历两次Socket数组，这样大大降低了CPU的有效效率。）

PS：以上内容如有不足，请多多指正！ –netosoul

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