IO多路复用之select总结

1、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函数

　　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。

原理图：

3、测试程序

　　写一个TCP回射程序，程序的功能是：客户端向服务器发送信息，服务器接收并原样发送给客户端，客户端显示出接收到的信息。

服务端程序如下：

 #include <stdio.h>
 #include <stdlib.h>
 #include <string.h>
 #include <errno.h>
 #include <netinet/in.h>
 #include <sys/socket.h>
 #include <sys/select.h>
 #include <sys/types.h>
 #include <netinet/in.h>
 #include <arpa/inet.h>
 #include <unistd.h>
 #include <assert.h>

 #define IPADDR      "127.0.0.1"
 #define PORT        8787
 #define MAXLINE     1024
 #define LISTENQ     5
 #define SIZE        10

 typedef struct server_context_st
 {
     int cli_cnt;        /*客户端个数*/
     int clifds[SIZE];   /*客户端的个数*/
     fd_set allfds;      /*句柄集合*/
     int maxfd;          /*句柄最大值*/
 } server_context_st;
 static server_context_st *s_srv_ctx = NULL;
 /*===========================================================================
  * ==========================================================================*/
 static int create_server_proc(const char* ip,int port)
 {
     int  fd;
     struct sockaddr_in servaddr;
     fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM,);
     if (fd == -) {
         fprintf(stderr, "create socket fail,erron:%d,reason:%s\n",
                 errno, strerror(errno));
         return -;
     }

     /*一个端口释放后会等待两分钟之后才能再被使用，SO_REUSEADDR是让端口释放后立即就可以被再次使用。*/
     int reuse = ;
     if (setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &reuse, sizeof(reuse)) == -) {
         return -;
     }

     bzero(&servaddr,sizeof(servaddr));
     servaddr.sin_family = AF_INET;
     inet_pton(AF_INET,ip,&servaddr.sin_addr);
     servaddr.sin_port = htons(port);

     if (bind(fd,(struct sockaddr*)&servaddr,sizeof(servaddr)) == -) {
         perror("bind error: ");
         return -;
     }

     listen(fd,LISTENQ);

     return fd;
 }

 static int accept_client_proc(int srvfd)
 {
     struct sockaddr_in cliaddr;
     socklen_t cliaddrlen;
     cliaddrlen = sizeof(cliaddr);
     int clifd = -;

     printf("accpet clint proc is called.\n");

 ACCEPT:
     clifd = accept(srvfd,(struct sockaddr*)&cliaddr,&cliaddrlen);

     if (clifd == -) {
         if (errno == EINTR) {
             goto ACCEPT;
         } else {
             fprintf(stderr, "accept fail,error:%s\n", strerror(errno));
             return -;
         }
     }

     fprintf(stdout, "accept a new client: %s:%d\n",
             inet_ntoa(cliaddr.sin_addr),cliaddr.sin_port);

     //将新的连接描述符添加到数组中
     int i = ;
     for (i = ; i < SIZE; i++) {
         if (s_srv_ctx->clifds[i] < ) {
             s_srv_ctx->clifds[i] = clifd;
             s_srv_ctx->cli_cnt++;
             break;
         }
     }

     if (i == SIZE) {
         fprintf(stderr,"too many clients.\n");
         return -;
     }

 }

 static int handle_client_msg(int fd, char *buf)
 {
     assert(buf);
     printf("recv buf is :%s\n", buf);
     write(fd, buf, strlen(buf) +);
     return ;
 }

 static void recv_client_msg(fd_set *readfds)
 {
     int i = , n = ;
     int clifd;
     char buf[MAXLINE] = {};
     for (i = ;i <= s_srv_ctx->cli_cnt;i++) {
         clifd = s_srv_ctx->clifds[i];
         if (clifd < ) {
             continue;
         }
         /*判断客户端套接字是否有数据*/
         if (FD_ISSET(clifd, readfds)) {
             //接收客户端发送的信息
             n = read(clifd, buf, MAXLINE);
             if (n <= ) {
                 /*n==0表示读取完成，客户都关闭套接字*/
                 FD_CLR(clifd, &s_srv_ctx->allfds);
                 close(clifd);
                 s_srv_ctx->clifds[i] = -;
                 continue;
             }
             handle_client_msg(clifd, buf);
         }
     }
 }
 static void handle_client_proc(int srvfd)
 {
     int  clifd = -;
     int  retval = ;
     fd_set *readfds = &s_srv_ctx->allfds;
     struct timeval tv;
     int i = ;

     while () {
         /*每次调用select前都要重新设置文件描述符和时间，因为事件发生后，文件描述符和时间都被内核修改啦*/
         FD_ZERO(readfds);
         /*添加监听套接字*/
         FD_SET(srvfd, readfds);
         s_srv_ctx->maxfd = srvfd;

         tv.tv_sec = ;
         tv.tv_usec = ;
         /*添加客户端套接字*/
         for (i = ; i < s_srv_ctx->cli_cnt; i++) {
             clifd = s_srv_ctx->clifds[i];
             /*去除无效的客户端句柄*/
             if (clifd != -) {
                 FD_SET(clifd, readfds);
             }
             s_srv_ctx->maxfd = (clifd > s_srv_ctx->maxfd ? clifd : s_srv_ctx->maxfd);
         }

         /*开始轮询接收处理服务端和客户端套接字*/
         retval = select(s_srv_ctx->maxfd + , readfds, NULL, NULL, &tv);
         if (retval == -) {
             fprintf(stderr, "select error:%s.\n", strerror(errno));
             return;
         }
         if (retval == ) {
             fprintf(stdout, "select is timeout.\n");
             continue;
         }
         if (FD_ISSET(srvfd, readfds)) {
             /*监听客户端请求*/
             accept_client_proc(srvfd);
         } else {
             /*接受处理客户端消息*/
             recv_client_msg(readfds);
         }
     }
 }

 static void server_uninit()
 {
     if (s_srv_ctx) {
         free(s_srv_ctx);
         s_srv_ctx = NULL;
     }
 }

 static int server_init()
 {
     s_srv_ctx = (server_context_st *)malloc(sizeof(server_context_st));
     if (s_srv_ctx == NULL) {
         return -;
     }

     memset(s_srv_ctx, , sizeof(server_context_st));

     int i = ;
     for (;i < SIZE; i++) {
         s_srv_ctx->clifds[i] = -;
     }

     return ;
 }

 int main(int argc,char *argv[])
 {
     int  srvfd;
     /*初始化服务端context*/
     if (server_init() < ) {
         return -;
     }
     /*创建服务,开始监听客户端请求*/
     srvfd = create_server_proc(IPADDR, PORT);
     if (srvfd < ) {
         fprintf(stderr, "socket create or bind fail.\n");
         goto err;
     }
     /*开始接收并处理客户端请求*/
     handle_client_proc(srvfd);
     server_uninit();
     return ;
 err:
     server_uninit();
     return -;
 }

客户端程序如下：

 #include <netinet/in.h>
 #include <sys/socket.h>
 #include <stdio.h>
 #include <string.h>
 #include <stdlib.h>
 #include <sys/select.h>
 #include <time.h>
 #include <unistd.h>
 #include <sys/types.h>
 #include <errno.h>

 #define MAXLINE 1024
 #define IPADDRESS "127.0.0.1"
 #define SERV_PORT 8787

 #define max(a,b) (a > b) ? a : b

 static void handle_recv_msg(int sockfd, char *buf)
 {
 printf("client recv msg is:%s\n", buf);
 sleep();
 write(sockfd, buf, strlen(buf) +);
 }

 static void handle_connection(int sockfd)
 {
 char sendline[MAXLINE],recvline[MAXLINE];
 int maxfdp,stdineof;
 fd_set readfds;
 int n;
 struct timeval tv;
 int retval = ;

 while () {

 FD_ZERO(&readfds);
 FD_SET(sockfd,&readfds);
 maxfdp = sockfd;

 tv.tv_sec = ;
 tv.tv_usec = ;

 retval = select(maxfdp+,&readfds,NULL,NULL,&tv);

 if (retval == -) {
 return ;
 }

 if (retval == ) {
 printf("client timeout.\n");
 continue;
 }

 if (FD_ISSET(sockfd, &readfds)) {
 n = read(sockfd,recvline,MAXLINE);
 if (n <= ) {
 fprintf(stderr,"client: server is closed.\n");
 close(sockfd);
 FD_CLR(sockfd,&readfds);
 return;
 }

 handle_recv_msg(sockfd, recvline);
 }
 }
 }

 int main(int argc,char *argv[])
 {
 int sockfd;
 struct sockaddr_in servaddr;

 sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,);

 bzero(&servaddr,sizeof(servaddr));
 servaddr.sin_family = AF_INET;
 servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
 inet_pton(AF_INET,IPADDRESS,&servaddr.sin_addr);

 int retval = ;
 retval = connect(sockfd,(struct sockaddr*)&servaddr,sizeof(servaddr));
 if (retval < ) {
 fprintf(stderr, "connect fail,error:%s\n", strerror(errno));
 return -;
 }

 printf("client send to server .\n");
 write(sockfd, "hello server", );

 handle_connection(sockfd);

 return ;
 }

4、程序结果

　　启动服务程序，执行三个个客户程序进行测试，结果如下图所示：

参考：

http://konglingchun.is-programmer.com/posts/12146.html

http://blog.163.com/smileface100@126/blog/static/27720874200951024532966/

备注：

（1）2016-10-23修改服务端,添加注释，非法客户端的处理。