windows和linux套接字中的select機制淺析

先來談談為什么會出現select函數，也就是select是解決什么問題的？

平常使用的recv函數時阻塞的，也就是如果沒有數據可讀，recv就會一直阻塞在那里，這是如果有另外一個連接過來，就得一直等待，這樣實時性就不是太好。

這個問題的幾個解決方法：1. 使用ioctlsocket函數，將recv函數設置成非阻塞的，這樣不管套接字上有沒有數據都會立刻返回，可以重復調用recv函數，這種方式叫做輪詢（polling），但是這樣效率很是問題，因為，大多數時間實際上是無數據可讀的，花費時間不斷反復執行read系統調用，這樣就比較浪費CPU的時間。並且循環之間的間隔不好確定。2. 使用fork，使用多進程來解決，這里終止會比較復雜（待研究）。 3.使用多線程來解決，這樣避免了終止的復雜性，但卻要求處理線程之間的同步，在減少復雜性方面這可能會得不償失。4. 使用異步IO（待研究）。5. 就是本文所使用的I/O多路轉接（多路復用）--其實就是在套接字阻塞和非阻塞之間做了一個均衡，我們稱之為半阻塞。

經過對select的初步了解，在windows和linux下的實現小有區別，所以分開來寫。這里先寫windows下的select機制。

select的大概思想：將多個套接字放在一個集合里，然后統一檢查這些套接字的狀態（可讀、可寫、異常等），調用select后，會更新這些套接字的狀態，然后做判斷，如果套接字可讀，就執行read操作。這樣就巧妙地避免了阻塞，達到同時處理多個連接的目的。當然如果沒有事件發生，select會一直阻塞，如果不想一直讓它等待，想去處理其它事情，可以設置一個最大的等待時間。

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下面具體講講函數的參數，參見MSDN的解釋http://msdn.microsoft.com/en-us/library/windows/desktop/ms740141(v=vs.85).aspx：

 

int select(
  _In_     int nfds,
  _Inout_  fd_set *readfds,
  _Inout_  fd_set *writefds,
  _Inout_  fd_set *exceptfds,
  _In_     const struct timeval *timeout
);

函數的返回值，表示准備好的套接字的個數，如果是0，則表示沒有一個准備好（超時就是一種情況），如果是-1（SOCKET_ERROR），表示有錯誤發生，可以使用WSAGetLastError（）函數來得到錯誤代碼，從而知道是什么錯誤。

 

函數的參數，第一個是輸入參數nfds，表示滿足條件的套接字的個數，windows下可以設置為0，因為fd_set結構體中已經包含了這個參數，這個參數已經是多余的了，之所以還存在，只是是為了與FreeBSD兼容。

第二三四參數都是輸入輸出參數（值-結果參數，輸入和輸出會不一樣），表示套接字的可讀、可寫和異常三種狀態的集合。調用select之后，如果指定套接字不可讀或者不可寫，就會從相應隊列中清除，這樣就可以判斷哪些套接字可讀或者可寫。 

說明一下，這里的可讀性是指：如果有客戶的連接請求到達，套接口就是可讀的，調用accept能夠立即完成，而不發生阻塞；如果套接口接收隊列緩沖區中的字節數大於0，調用recv或者recvfrom就不會阻塞。可寫性是指，可以向套接字發送數據（套接字創建成功后，就是可寫的）。當然不是套接字可寫就會去發送數據，就像不是看到電話就去打電話一樣，而是由打電話的需求了，才去看電話是否可打；可讀就不一樣了，電話響了，自然要去接電話（除非，你有事忙或者不想接，一般都是要接的)。可讀已經包含了緩沖區中有數據可以讀取，可寫只是說明了緩沖區有空間讓你寫，你需不需要寫就要看你有沒有數據要寫了.關於異常，就是指一些意外情況，自己用的比較少，以后用到了，再過來補上。

第五個參數是等待的最大時間，是一個結構體：struct timeval，它的定義是：

 

/*
* Structure used in select() call, taken from the BSD file sys/time.h.
*/
struct timeval {
        long    tv_sec;         /* seconds */
        long    tv_usec;        /* and microseconds */
};

具體到秒和微妙，按照等待的時間長短可以分為不等待、等待一定時間、一直等待。對應的設置分別為，（0，0）是不等待，這是select是非阻塞的，（x,y）最大等待時間x秒y微妙（如果有事件就會提前返回，而不繼續等待），NULL表示一直等待，直到有事件發生。這里可以將timeout分別設置成0（不阻塞）或者1微妙（阻塞很短的時間），然后觀察CPU的使用率，會發現設置成非阻塞后，CPU的使用率已下載就上升到了50%左右，這樣可以看出非阻塞占用CPU很多，但利用率不高。

 

/***********************************************************************************************************/

跟select配合使用的幾個宏和fd_set結構體介紹：

套接字描述符為了方便管理是放在一個集合里的，這個集合是fd_set，它的具體定義是：

 

typedef struct fd_set {
        u_int   fd_count;               /* how many are SET? */
        SOCKET  fd_array[FD_SETSIZE];   /* an array of SOCKETs */
} fd_set;

fd_count是集合中已經設置的套接口描述符的數量。fd_array數組保存已經設置的套接口描述符，其中FD_SETSIZE的定義是：

 

 

#ifndef FD_SETSIZE
#define FD_SETSIZE      64
#endif /* FD_SETSIZE */

這個默認值在一般的程序中已經夠用，如果需要，可以將其更改為更大的值。

 

集合的管理操作，比如元素的清空、加入、刪除以及判斷元素是否在集合中都是用宏來完成的。四個宏是：

 

FD_ZERO(*set)
FD_SET(s, *set)
FD_ISSET(s, *set)
FD_CLR(s, *set)

下面一一介紹這些宏的作用和定義：

 

FD_ZERO(*set)，是把集合清空（初始化為0，確切的說，是把集合中的元素個數初始化為0，並不修改描述符數組).使用集合前，必須用FD_ZERO初始化，否則集合在棧上作為自動變量分配時，fd_set分配的將是隨機值，導致不可預測的問題。它的宏定義如下：

 

#define FD_ZERO(set) (((fd_set FAR *)(set))->fd_count=0)

FD_SET(s,*set)，向集合中加入一個套接口描述符（如果該套接口描述符s沒在集合中，並且數組中已經設置的個數小於最大個數時，就把該描述符加入到集合中，集合元素個數加1）。這里是將s的值直接放入數組中。它的宏定義如下：

 

 

#define FD_SET(fd, set) do { \
    if (((fd_set FAR *)(set))->fd_count < FD_SETSIZE) \
        ((fd_set FAR *)(set))->fd_array[((fd_set FAR *)(set))->fd_count++]=(fd);\
} while(0)

FD_ISSET(s,*set)，檢查描述符是否在集合中，如果在集合中返回非0值，否則返回0. 它的宏定義並沒有給出具體實現，但實現的思路很簡單，就是搜索集合，判斷套接字s是否在數組中。它的宏定義是：

 

 

#define FD_ISSET(fd, set) __WSAFDIsSet((SOCKET)(fd), (fd_set FAR *)(set))

FD_CLR(s,*set)，從集合中移出一個套接口描述符（比如一個套接字連接中斷后，就應該移除它）。實現思路是，在數組集合中找到對應的描述符，然后把后面的描述依次前移一個位置，最后把描述符的個數減1. 它的宏定義是：

 

 

#define FD_CLR(fd, set) do { \
    u_int __i; \
    for (__i = 0; __i < ((fd_set FAR *)(set))->fd_count ; __i++) { \
        if (((fd_set FAR *)(set))->fd_array[__i] == fd) { \
            while (__i < ((fd_set FAR *)(set))->fd_count-1) { \
                ((fd_set FAR *)(set))->fd_array[__i] = \
                    ((fd_set FAR *)(set))->fd_array[__i+1]; \
                __i++; \
            } \
            ((fd_set FAR *)(set))->fd_count--; \
            break; \
        } \
    } \
} while(0)

/***********************************************************************************************************/

 

至此，一些基礎的點基本就講完了，然后給出大概流程和一個示例：

1.調用FD_ZERO來初始化套接字狀態；

2.調用FD_SET將感興趣的套接字描述符加入集合中（每次循環都要重新加入，因為select更新后，會將一些沒有滿足條件的套接字移除隊列）；

3.設置等待時間后，調用select函數--更新套接字的狀態；

4.調用FD_ISSET，來判斷套接字是否有相應狀態，然后做相應操作，比如，如果套接字可讀，就調用recv函數去接收數據。

關鍵技術：套接字隊列和狀態的表示與處理。

server端得程序如下（套接字管理隊列一個很重要的作用就是保存套接字描述符，因為accept得到的套接字描述符會覆蓋掉原來的套接字描述符，而readfs中的描述符在select后會刪除這些套接字描述符）：

 

// server.cpp :
//程序中加入了套接字管理隊列，這樣管理起來更加清晰、方便，當然也可以不用這個東西

#include "winsock.h"
#include "stdio.h"
#pragma comment (lib,"wsock32.lib")
struct socket_list{
    SOCKET MainSock;
    int num;
    SOCKET sock_array[64];
};
void init_list(socket_list *list)
{
    int i;
    list->MainSock = 0;
    list->num = 0;
    for(i = 0;i < 64;i ++){
        list->sock_array[i] = 0;
    }
}
void insert_list(SOCKET s,socket_list *list)
{
    int i;
    for(i = 0;i < 64; i++){
        if(list->sock_array[i] == 0){
            list->sock_array[i] = s;
            list->num += 1;
            break;
        }
    }
}
void delete_list(SOCKET s,socket_list *list)
{
    int i;
    for(i = 0;i < 64; i++){
        if(list->sock_array[i] == s){
            list->sock_array[i] = 0;
            list->num -= 1;
            break;
        }
    }
}
void make_fdlist(socket_list *list,fd_set *fd_list)
{
    int i;
    FD_SET(list->MainSock,fd_list);
    for(i = 0;i < 64;i++){
        if(list->sock_array[i] > 0){
            FD_SET(list->sock_array[i],fd_list);
        }
    }
}
int main(int argc, char* argv[])
{
    SOCKET s,sock;
    struct sockaddr_in ser_addr,remote_addr;
    int len;
    char buf[128];
    WSAData wsa;
    int retval;
    struct socket_list sock_list;
    fd_set readfds,writefds,exceptfds;
    timeval timeout;        //select的最多等待時間，防止一直等待
    int i;
    unsigned long arg;

    WSAStartup(0x101,&wsa);
    s = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    ser_addr.sin_family = AF_INET;
    ser_addr.sin_addr.S_un.S_addr = htonl(INADDR_ANY);
    ser_addr.sin_port = htons(0x1234);
    bind(s,(sockaddr*)&ser_addr,sizeof(ser_addr));

    listen(s,5);
    timeout.tv_sec = 5;     //如果套接字集合中在1s內沒有數據，select就會返回，超時select返回0
    timeout.tv_usec = 0;
    init_list(&sock_list);
    FD_ZERO(&readfds);
    FD_ZERO(&writefds);
    FD_ZERO(&exceptfds);
    sock_list.MainSock = s;
    arg = 1;
    ioctlsocket(sock_list.MainSock,FIONBIO,&arg);
    while(1){
        make_fdlist(&sock_list,&readfds);
        //make_fdlist(&sock_list,&writefds);
        //make_fdlist(&sock_list,&exceptfds);

        retval = select(0,&readfds,&writefds,&exceptfds,&timeout);     //超過這個時間，就不阻塞在這里，返回一個0值。
        if(retval == SOCKET_ERROR){
            retval = WSAGetLastError();
            break;
        }
        else if(retval == 0) {
            printf("select() is time-out! There is no data or new-connect coming!\n");
            continue;
        }
        if(FD_ISSET(sock_list.MainSock,&readfds)){
            len = sizeof(remote_addr);
            sock = accept(sock_list.MainSock,(sockaddr*)&remote_addr,&len);
            if(sock == SOCKET_ERROR)
                continue;
            printf("accept a connection\n");
            insert_list(sock,&sock_list);
        }
        for(i = 0;i < 64;i++){
            if(sock_list.sock_array[i] == 0)
                continue;
            sock = sock_list.sock_array[i];
            if(FD_ISSET(sock,&readfds)){
                retval = recv(sock,buf,128,0);
                if(retval == 0){
                    closesocket(sock);
                    printf("close a socket\n");
                    delete_list(sock,&sock_list);
                    continue;
                }else if(retval == -1){
                    retval = WSAGetLastError();
                    if(retval == WSAEWOULDBLOCK)
                        continue;
                    closesocket(sock);
                    printf("close a socket\n");
                    delete_list(sock,&sock_list);   //連接斷開后，從隊列中移除該套接字
                    continue;
                }
                buf[retval] = 0;
                printf("->%s\n",buf);
                send(sock,"ACK by server",13,0);
            }
            //if(FD_ISSET(sock,&writefds)){
            //}
            //if(FD_ISSET(sock,&exceptfds)){

        }
        FD_ZERO(&readfds);
        FD_ZERO(&writefds);
        FD_ZERO(&exceptfds);
    }
    closesocket(sock_list.MainSock);
    WSACleanup();
    return 0;
}

 

關於linux下的select跟windows下的區別還有待學習。

 

參考書籍：

《WinSock網絡編程經絡》第19章

《UNIX環境高級編程》