IO多路复用——select
IO多路复用编程
是同步IO的一种,用一个进程一次等待多个IO就绪事件的发生，加大几率，尽量高效的等。数组
适用场景服务器
（1）当客户处理多个描述字时（通常是交互式输入和网络套接口），必须使用I/O复用。网络
（2）当一个客户同时处理多个套接口时，而这种状况是可能的，但不多出现。多线程
（3）若是一个TCP服务器既要处理监听套接口，又要处理已链接套接口，通常也要用到I/O复用。并发
（4）若是一个服务器即要处理TCP，又要处理UDP，通常要使用I/O复用。socket
（5）若是一个服务器要处理多个服务或多个协议，通常要使用I/O复用。ide
与多进程和多线程技术相比，I/O多路复用技术的最大优点是系统开销小，系统没必要建立进程/线程，也没必要维护这些进程/线程，从而大大减少了系统的开销。函数
select函数测试
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。函数原型以下：
#include <sys/.h>
<sys/>
( maxfdp1,fd_set *readset,fd_set *writeset,fd_set *exceptset,返回值：就绪描述符的数目，超时返回0，出错返回-1
函数参数介绍以下：
（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（所以把该参数命名为maxfdp1），描述字0、一、2...maxfdp1-1均将被测试。由于文件描述符是从0开始的。
（2）中间的三个参数readset、writeset和exceptset指定咱们要让内核测试读、写和异常条件的描述字。若是对某一个的条件不感兴趣，就能够把它设为空指针。struct fd_set能够理解为一个集合，这个集合中存放的是文件描述符，可经过如下四个宏进行设置：
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能够读写
fd_set结构体是文件描述符集，该结构体其实是一个整型数组，数组中的每一个元素的每一位标记一个文件描述符。fd_set能容纳的文件描述符 数量由FD_SETSIZE指定，通常状况下，FD_SETSIZE等 于1024，这就限制了select能同时处理的文件描述符的总量。
（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，可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：检查描述字后当即返回，这称为轮询。为此，该参数必须指向一个timeval结构，并且其中的定时器值必须为0。
(4)返回值状况：
a)超时时间内，若是文件描述符就绪，select返回就绪的文件描述符总数（包括可读、可写和异常），若是没有文件描述符就绪，select返回0；
b)select调用失败时，返回 -1并设置errno，若是收到信号，select返回 -1并设置errno为EINTR。
(5)文件描述符的就绪条件：
在网络编程中，
1）下列状况下socket可读：
a) socket内核接收缓冲区的字节数大于或等于其低水位标记SO_RCVLOWAT；
b) socket通讯的对方关闭链接，此时该socket可读，可是一旦读该socket，会当即返回0（能够用这个方法判断client端是否断开链接）；
c) 监听socket上有新的链接请求；
d) socket上有未处理的错误。
2）下列状况下socket可写：
a) socket内核发送缓冲区的可用字节数大于或等于其低水位标记SO_SNDLOWAT；
b) socket的读端关闭，此时该socket可写，一旦对该socket进行操做，该进程会收到SIGPIPE信号；
c) socket使用connect链接成功以后；
d) socket上有未处理的错误。
selelct原理图
说明：
一、select只负责等待IO，不负责对IO进行操做，由recv/send等函数进行
二、select一共有两次系统调用：1）select系统调用 2）recvfrom系统调用
select原理概述
调用select时，会发生如下事情：
从用户空间拷贝fd_set到内核空间；
注册回调函数__pollwait；
遍历全部fd，对所有指定设备作一次poll（这里的poll是一个文件操做，它有两个参数，一个是文件fd自己，一个是当设备还没有就绪时调用的回调函数__pollwait，这个函数把设备本身特有的等待队列传给内核，让内核把当前的进程挂载到其中）；
当设备就绪时，设备就会唤醒在本身特有等待队列中的【全部】节点，因而当前进程就获取到了完成的信号。poll文件操做返回的是一组标准的掩码，其中的各个位指示当前的不一样的就绪状态（全0为没有任何事件触发），根据mask可对fd_set赋值；
若是全部设备返回的掩码都没有显示任何的事件触发，就去掉回调函数的函数指针，进入有限时的睡眠状态，再恢复和不断作poll，再做有限时的睡眠，直到其中一个设备有事件触发为止。
只要有事件触发，系统调用返回，将fd_set从内核空间拷贝到用户空间，回到用户态，用户就能够对相关的fd做进一步的读或者写操做了。
select优势
select模型是Windows sockets中最多见的IO模型。它利用select函数实现IO 管理。经过对select函数的调用，应用程序能够判断套接字是否存在数据、可否向该套接字写入据。
如：在调用recv函数以前，先调用select函数，若是系统没有可读数据那么select函数就会阻塞在这里。当系统存在可读或可写数据时，select函数返回，就能够调用recv函数接 收数据了。
能够看出使用select模型，须要两次调用函数。第一次调用select函数第二次socket API。使用该模式的好处是：能够等待多个套接字。
select缺点
最大并发数限制：使用32个整数的32位，即32*32=1024来标识fd；
效率低：每次都会线性扫描整个fd_set，集合越大速度越慢；
内核/用户空间内存拷贝问题。
select实现TCP服务器
代码：
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/select.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
int fds[64];
const fds_nums=sizeof(fds)/sizeof(fds[0]);
static int startup(const char *ip,int port)
{
int sock=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
if(sock<0)
{
perror("socket");
exit(2);
}
int opt = 1;
setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));
struct sockaddr_in local;
local.sin_family=AF_INET;
local.sin_port=htons(port);
local.sin_addr.s_addr=inet_addr(ip);
if(bind(sock,(struct sockaddr *)&local,sizeof(local))<0)
{
perror("bind");
exit(3);
}
if(listen(sock,5)<0)
{
perror("listen");
exit(4);
}
return sock;
}
static void usage(const char *proc)
{
printf("%s [ip] [port]\n",proc);
}
int main(int argc,char *argv[])
{
if(argc!=3)
{
usage(argv[0]);
exit(1);
}
int listen_sock=startup(argv[1],atoi(argv[2]));
fd_set rset;
int i=0;
FD_ZERO(&rset);
FD_SET(listen_sock,&rset);
//initial fds
for(;i<fds_nums;i++)
{
fds[i]= -1;
}
fds[0]=listen_sock;
int done=0;
while(!done)
{
//reset current rset
int max_fd= -1;
for(i=0;i<fds_nums;i++)
{
if(fds[i]>0)
{
FD_SET(fds[i],&rset);
max_fd=max_fd<fds[i]?fds[i]:max_fd;
}
}
//struct timeval _ti={5,0};
switch(select(max_fd+1,&rset,NULL,NULL,NULL))
{
case 0:
printf("time out...\n");
break;
case -1:
perror("select");
break;
default:
for(i=0;i<fds_nums;i++)
{
//listen_fd
if(i==0&&FD_ISSET(listen_sock,&rset))
{
//printf("there\n");
struct sockaddr_in peer;
socklen_t len=sizeof(peer);
int newfd=accept(listen_sock,(struct sockaddr *)&peer,&len);
if(newfd>0)
{
printf("get a new client$ socket->%s:%d\n",inet_ntoa(peer.sin_addr),ntohs(peer.sin_port));
}
int j=0;
for(j;j<fds_nums;j++)
{
if(fds[j]== -1)
{
fds[j]=newfd;
break;
}
}
//mfull of queue
if(j==fds_nums)
{
close(newfd);
}
}
else//normal accept_fd
{
// printf("there\n");
if(FD_ISSET(fds[i],&rset))
{
char buf[1024];
memset(buf,'\0',sizeof(buf));
ssize_t _s=read(fds[i],buf,sizeof(buf)-1);
if(_s>0)
{
buf[_s-1]='\0';
printf("client$ %s\n",buf);
}
else if(_s==0)
{
printf("%d is read done..\n",fds[i]);
close(fds[i]);
fds[i]= -1;
}
else{
perror("read");
}
}
}
}
break;
}
}
return 0;
}
结果：