【原】Select()系統調用及文件描述符集fd_set的應用
湖南省衡陽市環境工程公司網絡中心 張 卿
在網絡程序中，一個進程同時處理多個文件描述符是很常見的情況。select()系統調用可以使進程檢測同時等待的多個I/O設備，當沒有設備准備好時，select()阻塞，其中任一設備准備好時，select()就返回。
select()的調用形式為：
#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
int select(int maxfd, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fe_set *exceptfds, const struct timeval *timeout);
select的第一個參數是文件描述符集中要被檢測的比特數，這個值必須至少比待檢測的最大文件描述符大1；參數readfds指定了被讀監控的文件描述符集；參數writefds指定了被寫監控的文件描述符集；而參數exceptfds指定了被例外條件監控的文件描述符集。
參數timeout起了定時器的作用：到了指定的時間，無論是否有設備准備好，都返回調用。timeval的結構定義如下：
struct timeval{
long tv_sec; //表示幾秒
long tv_usec; //表示幾微妙
}
timeout取不同的值，該調用就表現不同的性質：
1．timeout為0，調用立即返回；
2．timeout為NULL，select()調用就阻塞，直到知道有文件描述符就緒；
3．timeout為正整數，就是一般的定時器。
select調用返回時，除了那些已經就緒的描述符外，select將清除readfds、writefds和exceptfds中的所有沒有就緒的描述符。select的返回值有如下情況：
1．正常情況下返回就緒的文件描述符個數；
2．經過了timeout時長后仍無設備准備好，返回值為0；
3．如果select被某個信號中斷，它將返回-1並設置errno為EINTR。
4．如果出錯，返回-1並設置相應的errno。
系統提供了4個宏對描述符集進行操作：
#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
void FD_SET(int fd, fd_set *fdset);
void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset);
void FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset);
void FD_ZERO(fd_set *fdset);
宏FD_SET設置文件描述符集fdset中對應於文件描述符fd的位(設置為1)，宏FD_CLR清除文件描述符集fdset中對應於文件描述符fd的位（設置為0），宏FD_ZERO清除文件描述符集fdset中的所有位(既把所有位都設置為0)。使用這3個宏在調用select前設置描述符屏蔽位，在調用select后使用FD_ISSET來檢測文件描述符集fdset中對應於文件描述符fd的位是否被設置。
過去，描述符集被作為一個整數位屏蔽碼得到實現，但是這種實現對於多於32個的文件描述符將無法工作。描述符集現在通常用整數數組中的位域表示，數組元素的每一位對應一個文件描述符。例如，一個整數占32位，那么整數數組的第一個元素代表文件描述符0到31，數組的第二個元素代表文件描述符32到63，以此類推。宏FD_SET設置整數數組中對應於fd文件描述符的位為1，宏FD_CLR設置整數數組中對應於fd文件描述符的位為0，宏FD_ZERO設置整數數組中的所有位都為0。假設執行如下程序后：
#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
fd_set readset;
FD_ZERO(&readset);
FD_SET(5, &readset);
FD_SET(33, &readset);
則文件描述符集readset中對應於文件描述符6和33的相應位被置為1，如圖1所示：
再執行如下程序后：
FD_CLR(5, &readset);
則文件描述符集readset對應於文件描述符6的相應位被置為0，如圖2所示：
通常，操作系統通過宏FD_SETSIZE來聲明在一個進程中select所能操作的文件描述符的最大數目。例如：
在4.4BSD的頭文件中我們可以看到：
＃ifndef FD_SETSIZE
#define FD_SETSIZE 1024
#endif
在紅帽Linux的頭文件<bits/types.h>中我們可以看到：
＃define __FD_SETSIZE 1024
以及在頭文件<sys/select.h>中我們可以看到：
#include <bits/types.h>
#define FD_SETSIZE __FD_SETSIZE
既定義FD_SETSIZE為1024，一個整數占4個字節，既32位，那么就是用包含32個元素的整數數組來表示文件描述符集。我們可以在頭文件中修改這個值來改變select使用的文件描述符集的大小，但是必須重新編譯內核才能使修改后的值有效。當前版本的unix操作系統沒有限制FD_SETSIZE的最大值，通常只受內存以及系統管理上的限制。
我們明白了文件描述符集的實現機制之后，就可對其進行靈活運用。（以下程序在紅帽Linux 6.0下運行通過，函數fd_isempty用於判斷文件描述符集是否為空；函數fd_fetch取出文件描述符集中的所有文件描述符）
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/select.h>
struct my_fd_set{
fd_set fs; //定義文件描述符集fs
unsigned int nconnect; //文件描述符集fs中文件描述符的個數
unsigned int nmaxfd; //文件描述符集fs中最大的文件描述符
};
/* 函數fd_isempty用於判斷文件描述符集是否為空，為空返回1，不為空則返回0 */
int fd_isempty(struct my_fd_set *pfs)
{
int i;
/* 文件描述符集fd_set是通過整數數組來實現的，所以定義整數數組myset的元素個數為文件描述符集fd_set所占內存空間的字節數除以整數所占內存空間的字節數。
*/
unsigned int myset[sizeof(fd_set) / sizeof(int)];
/* 把文件描述符集pfs->fs 拷貝到數組myset */
memcpy(myset, &pfs->fs, sizeof(fd_set));
for(i = 0; i < sizeof(fd_set) / sizeof(int); i++)
/* 如果myset的某個元素不為0，說明文件描述符集不為空，則函數返回0 */
if (myset[i])
return 0;
return 1; /* 如果myset的所有元素都為0，說明文件描述符集為空，則函數返回1 */
}
/* 函數fd_fetch對文件描述符集進行位操作，把為1的位換算成相應的文件描述符，然后就可對其進行I/O操作 */
void fd_fetch(struct my_fd_set *pfs)
{
struct my_fd_set *tempset; //定義一個臨時的結構指針
unsigned int myset[sizeof(fd_set)/sizeof(unsigned int)];
unsigned int i, nbit, nfind, ntemp;
tempset = pfs;
memcpy(myset, &tempset->fs, sizeof(fd_set));
/* 把最大的文件描述符maxfd除以整數所占的位數，得出maxfd在文件描述符集中相應的位對應於整數數組myset的相應元素的下標，目的是為了減少檢索的次數 */
nfind = tempset->nmaxfd / (sizeof(int)*8);
for (i = 0; i <= nfind; i++) {
/* 如果數組myset的某個元素為0，說明這個元素所對應的文件描述符集的32位全為0，則繼續判斷下一元素。*/
if (myset[i] == 0) continue;
/* 如果數組myset的某個元素不為0，說明這個元素所對應的文件描述符集的32位中有為1的，把myset[i]賦值給臨時變量ntemp，對ntemp進行位運算，把為1的位換算成相應的文件描述符 */
ntemp = myset[i];
/* nbit記錄整數的二進制位數，對ntemp從低到高位進行&1運算，直到整數的最高位,或直到文件描述符集中文件描述符的個數等於0 */
for (nbit = 0; tempset->nconnect && (nbit < sizeof(int)*8); nbit++) {
if (ntemp & 1) {
/* 如果某位為1，則可得到對應的文件描述符為nbit + 32*I，然后我們可對其進行I/O操作。這里我只是做了簡單的顯示。*/
printf("i = %d, nbit = %d, The file description is %d\n", i, nbit, nbit + 32*i);
/* 取出一個文件描述符后，將文件描述符集中文件描述符的個數減1 */
tempset->nconnect--; }
ntemp >>= 1; // ntemp右移一位
}
}
}
/* 下面的主程序是對以上兩個函數的測試 */
main()
{
/* 假設fd1，fd2，fd3為3個文件描述符，實際運用中可為Socket描述符等 */
int fd1 = 7, fd2 = 256, fd3 = 1023, isempty;
struct my_fd_set connect_set;
connect_set.nconnect = 0;
connect_set.nmaxfd = 0;
FD_ZERO(&connect_set.fs);
/* FD_SET操作前對函數fd_isempty進行測試 */
isempty = fd_isempty(&connect_set);
printf("isempty = %d\n", isempty);
FD_SET(fd1, &connect_set.fs);
FD_SET(fd2, &connect_set.fs);
FD_SET(fd3, &connect_set.fs);
connect_set.nconnect = 3;
connect_set.nmaxfd = fd3 ;
/* FD_SET操作后，既把文件描述符加入到文件描述符集之后，對函數fd_isempty進行測試 */
isempty = fd_isempty(&connect_set);
printf("isempty = %d\n", isempty);
/* 對函數fd_ fetch進行測試 */
fd_fetch(&connect_set);
}
/* 程序輸出結果為 ：*/
isempty is 1
isempty is 0
i = 0, nbit = 7, The file description is 7
i = 8, nbit = 0, The file description is 256
i = 31, nbit = 31, The file description is 1023