Socket編程中select函數用法詳解(轉)


    select()在SOCKET編程中還是比較重要的,可是對於初學 SOCKET 的人來說都不太愛用select()寫程序,他們只是習慣寫諸如conncet()、accept()、recv()或recvfrom()這樣的阻塞程序(所謂阻塞方式 block,顧名思義,就是進程或是線程執行到這些函數時必須等待某個事件發生,如果事件沒有發生,進程或線程就被阻塞,函數不能立即返回)。可是使用 select() 就可以完成非阻塞(所謂非阻塞方式 non-block,就是進程或線程執行此函數時不必非要等待事件的發生,一旦執行肯定返回,以返回值的不同來反映函數的執行情況。如果事件發生則與阻塞方式相同,若事件沒有發生則返回一個代碼來告知事件未發生,而進程或線程繼續執行,所以效率高)方式工作的程序,它能夠監視我們需要監視的文件描述符的變化情況——讀寫或是異常。

下面詳細介紹一下!

select()函數的格式(我所說的是Unix系統下的Berkeley Socket編程,和Windows下的有區別,一會兒說明):
int select(int maxfdp, fd_set* readfds, fd_set* writefds, fd_set* errorfds, struct timeval* timeout);

先說明兩個結構體:
    第一:struct fd_set 可以理解為一個集合,這個集合中存放的是文件描述符(file descriptor),即文件句柄,這可以是我們所說的普通意義的文件,當然 Unix 下任何設備、管道、FIFO 等都是文件形式,全部包括在內,所以,毫無疑問,一個socket就是一個文件,socket句柄就是一個文件描述符。fd_set集合可以通過一些宏由人為來操作,比如清空集合:FD_ZERO(fd_set*),將一個給定的文件描述符加入集合之中FD_SET(int, fd_set*),將一個給定的文件描述符從集合中刪除 FD_CLR(int, fd_set*),檢查集合中指定的文件描述符是否可以讀寫 FD_ISSET(int, fd_set*)。一會兒舉例說明。
    第二:struct timeval 是一個大家常用的結構,用來代表時間值,有兩個成員,一個是秒數,另一個是微妙數(不是毫秒)。

具體解釋select的參數:

int maxfdp 是一個整數值,是指集合中所有文件描述符的范圍,即所有文件描述符的最大值加1,不能錯!在 Windows 中這個參數值無所謂,可以設置不正確。
fd_set* readfds 是指向fd_set結構的指針,這個集合中應該包括文件描述符,我們是要監視這些文件描述符的讀變化的,即我們關心是否可以從這些文件中讀取數據了,如果這個集合中有一個文件可讀,select 就會返回一個大於 0 的值,表示可讀取的文件數量,如果沒有可讀的文件,則根據 timeout 參數再判斷是否超時,若超出 timeout 的時間,select 返回 0,若發生錯誤返回負值。這個參數也可以傳入 NULL 值,表示不關心任何文件的讀變化。
fd_set* writefds 是指向fd_set結構的指針,這個集合中應該包括文件描述符,我們是要監視這些文件描述符的寫變化的,即我們關心是否可以向這些文件中寫入數據了,如果這個集合中有一個文件可寫,select 就會返回一個大於 0 的值,表示可寫入的文件數量,如果沒有可寫的文件,則根據 timeout 參數再判斷是否超時,若超出 timeout 的時間,select 返回 0,若發生錯誤返回負值。這個參數也可以傳入 NULL值,表示不關心任何文件的寫變化。
fe_set* errorfds 同上面兩個參數的一樣,用來監視文件錯誤異常。

struct timeval* timeout 是 select 的超時時間,這個參數至關重要,它可以使 select 處於三種狀態。
    第一:若將 NULL 以形參傳入,即不傳入時間結構,就是將 select 置於阻塞狀態,一定等到監視文件描述符集合中某個文件描述符發生變化為止;
    第二:若將時間值設為 0 秒 0 微妙,就變成一個純粹的非阻塞函數,不管文件描述符是否有變化,都立刻返回繼續執行,文件無變化返回 0,有變化返回一個正值;
    第三:timeout 的值大於 0,這就是等待的超時時間,即 select 在 timeout 時間內阻塞,超時時間之內有事件到來就返回了,否則在超時后不管怎樣一定返回,返回值同上述。

返回值:
    負值:select錯誤
    正值:某些文件可讀寫或出錯
    0:等待超時,沒有可讀寫或錯誤的文件

在有了 select 后可以寫出像樣的網絡程序來!舉個簡單的例子,就是從網絡上接受數據寫入一個文件中。

例子:
=============無連接============

 1 int main(int argc, char** args)
 2 {
 3     int sock;
 4     FILE* fp;
 5     struct fd_set fds;
 6     struct timeval timeout = {3, 0}; // select 等待 3 秒,3 秒輪詢, 要非阻塞就置 0
 7     char buffer[256] = {0};             // 256 字節的接收緩沖區
 8     /* 假設已經建立 UDP 連接,具體過程不寫,簡單,當然 TCP 也同理,主機 IP 和 port 都已經給定,要寫的文件已經打開 */
 9     sock = socket(...);
10     bind(...);
11     fp = fopen(...); */
12     while(1)
13     {
14         FD_ZERO(&fds);        // 每次循環都要清空,否則不能檢測描述符變化
15         FD_SET(sock, &fds); // 添加套接字描述符
16         FD_SET(fp, &fds);     // 添加文件描述符
17         maxfdp = sock>fp ? sock+1 : fp+1;  //描述符最大值加1
18         switch(select(maxfdp, &fds, &fds, NULL, &timeout)) // select 使用
19         {
20             case SOCKET_ERROR: exit(-1); break; //select 錯誤,退出程序
21             case 0: break; //再次輪詢
22             default:
23                 if(FD_ISSET(sock, &fds)) // 測試sock是否可讀,即是否網絡上有數據
24                 {
25                     recvfrom(sock, buffer, 256, .... ); //接受網絡數據
26                     if(FD_ISSET(fp, &fds)) //測試文件是否可寫
27                     fwrite(fp, buffer...); //寫入文件
28                     // buffer清空;
29                 } //end if break
30         } //end switch
31     } //end while
32     return 0;
33 } //end main

==================面向連接===================

 1 #include <winsock.h> 
 2 #include <stdio.h>
 3 
 4 #define PORT          5150 
 5 #define MSGSIZE     1024
 6 
 7 #pragma comment(lib, "ws2_32.lib")
 8 
 9 int     g_iTotalConn = 0; 
10 SOCKET g_CliSocketArr[FD_SETSIZE]; 
11 DWORD WINAPI WorkerThread(LPVOID lpParameter);
12 
13 int main(int argc, char** args) 
14 {   
15     WSADATA         wsaData;   
16     SOCKET          sListen, sClient;   
17     SOCKADDR_IN local, client;   
18     int             iaddrSize = sizeof(SOCKADDR_IN);   
19     DWORD           dwThreadId;  
20 
21 
22     // Initialize Windows socket library   
23     WSAStartup(0x0202, &wsaData);   
24     // Create listening socket   
25     sListen = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);   
26     // Bind   
27     local.sin_addr.S_un.S_addr = htonl(INADDR_ANY); 
28     local.sin_family = AF_INET; 
29     local.sin_port = htons(PORT);   
30     bind(sListen, (struct sockaddr *)&local, sizeof(SOCKADDR_IN));   
31     // Listen   
32     listen(sListen, 3);   
33     // Create worker thread   
34     CreateThread(NULL, 0, WorkerThread, NULL, 0, &dwThreadId);     
35     while (TRUE)   
36     {   
37         // Accept a connection     
38         sClient = accept(sListen, (struct sockaddr *)&client, &iaddrSize);     
39         printf("Accepted client:%s:%d\n", inet_ntoa(client.sin_addr), ntohs(client.sin_port));     
40         // Add socket to g_CliSocketArr     
41         g_CliSocketArr[g_iTotalConn++] = sClient;   
42     }     
43     return 0; 
44 }
45 
46 DWORD WINAPI WorkerThread(LPVOID lpParam) 
47 {   
48     int                  i;   
49     fd_set            fdread;   
50     int                  ret;   
51     struct timeval tv = {1, 0};  
52     char               szMessage[MSGSIZE];   
53          
54     while (TRUE)   
55     {     
56         FD_ZERO(&fdread); 
57         for (i = 0; i < g_iTotalConn; i++) 
58         { 
59                FD_SET(g_CliSocketArr[i], &fdread); 
60         }                     // We only care read event 
61         ret = select(0, &fdread, NULL, NULL, &tv); 
62         if (ret == 0) 
63         {       // Time expired 
64             continue; 
65         } 
66         for (i = 0; i < g_iTotalConn; i++) 
67         { 
68             if (FD_ISSET(g_CliSocketArr[i], &fdread)) 
69               {     // A read event happened on g_CliSocketArr 
70                     ret = recv(g_CliSocketArr[i], szMessage, MSGSIZE, 0); 
71                     if (ret == 0 || (ret == SOCKET_ERROR && WSAGetLastError() == WSAECONNRESET)) 
72                     { 
73                         // Client socket closed 
74                         printf("Client socket %d closed.\n", g_CliSocketArr); 
75                         closesocket(g_CliSocketArr[i]); 
76                         if (i < --g_iTotalConn) 
77                         { 
78                             g_CliSocketArr[i] = g_CliSocketArr[g_iTotalConn]; 
79                         } 
80                     } 
81                     else
82                     { 
83                           // We received a message from client 
84                           szMessage[ret] = '\0'; 
85                           send(g_CliSocketArr[i], szMessage, strlen(szMessage), 0); 
86                     } 
87               } //if 
88         }//for 
89     }//while     
90     return 0; 
91 } 

服務器的幾個主要動作如下:
    1.創建監聽套接字,綁定,監聽;
    2.創建工作者線程;
    3.創建一個套接字數組,用來存放當前所有活動的客戶端套接字,每 accept 一個連接就更新一次數組;
    4.接受客戶端的連接。
這里有一點需要注意的,就是我沒有重新定義FD_SETSIZE宏,所以服務器最多支持的並發連接數為64。而且,這里決不能無條件的accept,服務器應該根據當前的連接數來決定是否接受來自某個客戶端的連接。一種比較好的實現方案就是采用 WSAAccept 函數,而且讓WSAAccept 回調自己實現的 Condition Function。

如下所示:

int CALLBACK ConditionFunc(LPWSABUF lpCallerId,LPWSABUF lpCallerData, LPQOS lpSQOS,LPQOS lpGQOS,LPWSABUF lpCalleeId, LPWSABUF lpCalleeData,GROUP FAR * 
g,DWORD dwCallbackData) 
{ 
     if (當前連接數 < FD_SETSIZE) 
         return CF_ACCEPT; 
     else   
         return CF_REJECT; 
} 

工作者線程里面是一個死循環,一次循環完成的動作是:
    1.將當前所有的客戶端套接字加入到讀集fdread中;
    2.調用select函數;
    3.查看某個套接字是否仍然處於讀集中,如果是,則接收數據。如果接收的數據長度為 0,或者發生 WSAECONNRESET 錯誤,則表示客戶端套接字主動關閉,這時需要將服務器中對應的套接字所綁定的資源釋放掉,然后調整我們的套接字數組(將數組中最后一個套接字挪到當前的位置上)。

除了需要有條件接受客戶端的連接外,還需要在連接數為 0 的情形下做特殊處理,因為如果讀集中沒有任何套接字,select 函數會立刻返回,這將導致工作者線程成為一個毫無停頓的死循環,CPU 的占用率馬上達到 100%。
關系到套接字列表的操作都需要使用循環,在輪詢的時候,需要遍歷一次,再新的一輪開始時,將列表加入隊列又需要遍歷一次。也就是說,Select在工作一次時,需要至少遍歷2次列表,這是它效率較低的原因之一。

在大規模的網絡連接方面,還是推薦使用 IOCP 或 EPOLL 模型。但是 Select 模型可以使用在諸如對戰類游戲上,比如類似星際這種,因為它小巧易於實現,且對戰類游戲的網絡連接量並不大。對於 Select 模型想要突破Windows 64個限制的話,可以采取分段輪詢,一次輪詢64個。例如套接字列表為128個,在第一次輪詢時,將前64個放入隊列中用 Select 進行狀態查詢,待本次操作全部結束后,將后64個再加入輪詢隊列中進行輪詢處理。這樣處理需要在非阻塞式下工作。以此類推,Select也能支持無限多個。

 


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