IO多路復用之select總結

1、基本概念

　　IO多路復用是指內核一旦發現進程指定的一個或者多個IO條件准備讀取，它就通知該進程。IO多路復用適用如下場合：

　　（1）當客戶處理多個描述字時（一般是交互式輸入和網絡套接口），必須使用I/O復用。

　　（2）當一個客戶同時處理多個套接口時，而這種情況是可能的，但很少出現。

　　（3）如果一個TCP服務器既要處理監聽套接口，又要處理已連接套接口，一般也要用到I/O復用。

　　（4）如果一個服務器即要處理TCP，又要處理UDP，一般要使用I/O復用。

　　（5）如果一個服務器要處理多個服務或多個協議，一般要使用I/O復用。

　　與多進程和多線程技術相比，I/O多路復用技術的最大優勢是系統開銷小，系統不必創建進程/線程，也不必維護這些進程/線程，從而大大減小了系統的開銷。

2、select函數

　　該函數准許進程指示內核等待多個事件中的任何一個發送，並只在有一個或多個事件發生或經歷一段指定的時間后才喚醒。函數原型如下：

#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：就緒描述符的數目，超時返回0，出錯返回-1

函數參數介紹如下：

（1）第一個參數maxfdp1指定待測試的描述字個數，它的值是待測試的最大描述字加1（因此把該參數命名為maxfdp1），描述字0、1、2...maxfdp1-1均將被測試。

因為文件描述符是從0開始的。

（2）中間的三個參數readset、writeset和exceptset指定我們要讓內核測試讀、寫和異常條件的描述字。如果對某一個的條件不感興趣，就可以把它設為空指針。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，可通過以下四個宏進行設置：

          void FD_ZERO(fd_set *fdset);           //清空集合

          void FD_SET(int fd, fd_set *fdset);   //將一個給定的文件描述符加入集合之中

          void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset);   //將一個給定的文件描述符從集合中刪除

          int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset);   // 檢查集合中指定的文件描述符是否可以讀寫 

（3）timeout告知內核等待所指定描述字中的任何一個就緒可花多少時間。其timeval結構用於指定這段時間的秒數和微秒數。

         struct timeval{

                   long tv_sec;   //seconds

                   long tv_usec;  //microseconds

       };

這個參數有三種可能：

（1）永遠等待下去：僅在有一個描述字准備好I/O時才返回。為此，把該參數設置為空指針NULL。

（2）等待一段固定時間：在有一個描述字准備好I/O時返回，但是不超過由該參數所指向的timeval結構中指定的秒數和微秒數。

（3）根本不等待：檢查描述字后立即返回，這稱為輪詢。為此，該參數必須指向一個timeval結構，而且其中的定時器值必須為0。

 原理圖：

3、測試程序

setsockopt()用法鏈接 https://blog.csdn.net/weixin_30546189/article/details/95619453

　　寫一個TCP回射程序，程序的功能是：客戶端向服務器發送信息，服務器接收並原樣發送給客戶端，客戶端顯示出接收到的信息。

服務端程序如下：

#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;        /*客戶端個數*/
    int clifds[SIZE];   /*客戶端的個數*/
    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,0);
    if (fd == -1) {
        fprintf(stderr, "create socket fail,erron:%d,reason:%s\n",
                errno, strerror(errno));
        return -1;
    }

    /*一個端口釋放后會等待兩分鍾之后才能再被使用，SO_REUSEADDR是讓端口釋放后立即就可以被再次使用。*/
    int reuse = 1;
    if (setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &reuse, sizeof(reuse)) == -1) {
        return -1;
    }

    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)) == -1) {
        perror("bind error: ");
        return -1;
    }

    listen(fd,LISTENQ);

    return fd;
}

static int accept_client_proc(int srvfd)
{
    struct sockaddr_in cliaddr;
    socklen_t cliaddrlen;
    cliaddrlen = sizeof(cliaddr);
    int clifd = -1;

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

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

    if (clifd == -1) {
        if (errno == EINTR) {
            goto ACCEPT;
        } else {
            fprintf(stderr, "accept fail,error:%s\n", strerror(errno));
            return -1;
        }
    }

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

    //將新的連接描述符添加到數組中
    int i = 0;
    for (i = 0; i < SIZE; i++) {
        if (s_srv_ctx->clifds[i] < 0) {
            s_srv_ctx->clifds[i] = clifd;
            s_srv_ctx->cli_cnt++;
            break;
        }
    }

    if (i == SIZE) {
        fprintf(stderr,"too many clients.\n");
        return -1;
    }
101 }

static int handle_client_msg(int fd, char *buf) 
{
    assert(buf);
    printf("recv buf is :%s\n", buf);
    write(fd, buf, strlen(buf) +1);
    return 0;
}

static void recv_client_msg(fd_set *readfds)
{
    int i = 0, n = 0;
    int clifd;
    char buf[MAXLINE] = {0};
    for (i = 0;i <= s_srv_ctx->cli_cnt;i++) {
        clifd = s_srv_ctx->clifds[i];
        if (clifd < 0) {
            continue;
        }
        /*判斷客戶端套接字是否有數據*/
        if (FD_ISSET(clifd, readfds)) {
            //接收客戶端發送的信息
            n = read(clifd, buf, MAXLINE);
            if (n <= 0) {
                /*n==0表示讀取完成，客戶都關閉套接字*/
                FD_CLR(clifd, &s_srv_ctx->allfds);
                close(clifd);
                s_srv_ctx->clifds[i] = -1;
                continue;
            }
            handle_client_msg(clifd, buf);
        }
    }
}
static void handle_client_proc(int srvfd)
{
    int  clifd = -1;
    int  retval = 0;
    fd_set *readfds = &s_srv_ctx->allfds;
    struct timeval tv;
    int i = 0;

    while (1) {
        /*每次調用select前都要重新設置文件描述符和時間，因為事件發生后，文件描述符和時間都被內核修改啦*/
        FD_ZERO(readfds);
        /*添加監聽套接字*/
        FD_SET(srvfd, readfds);
        s_srv_ctx->maxfd = srvfd;

        tv.tv_sec = 30;
        tv.tv_usec = 0;
        /*添加客戶端套接字*/
        for (i = 0; i < s_srv_ctx->cli_cnt; i++) {
            clifd = s_srv_ctx->clifds[i];
            /*去除無效的客戶端句柄*/
            if (clifd != -1) {
                FD_SET(clifd, readfds);
            }
            s_srv_ctx->maxfd = (clifd > s_srv_ctx->maxfd ? clifd : s_srv_ctx->maxfd);
        }

        /*開始輪詢接收處理服務端和客戶端套接字*/
        retval = select(s_srv_ctx->maxfd + 1, readfds, NULL, NULL, &tv);
        if (retval == -1) {
            fprintf(stderr, "select error:%s.\n", strerror(errno));
            return;
        }
        if (retval == 0) {
            fprintf(stdout, "select is timeout.\n");
            continue;
        }
        if (FD_ISSET(srvfd, readfds)) {
            /*監聽客戶端請求*/
            accept_client_proc(srvfd);
        } else {
            /*接受處理客戶端消息*/
            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 -1;
    }

    memset(s_srv_ctx, 0, sizeof(server_context_st));

    int i = 0;
    for (;i < SIZE; i++) {
        s_srv_ctx->clifds[i] = -1;
    }

    return 0;
}

int main(int argc,char *argv[])
{
    int  srvfd;
    /*初始化服務端context*/
    if (server_init() < 0) {
        return -1;
    }
    /*創建服務,開始監聽客戶端請求*/
    srvfd = create_server_proc(IPADDR, PORT);
    if (srvfd < 0) {
        fprintf(stderr, "socket create or bind fail.\n");
        goto err;
    }
    /*開始接收並處理客戶端請求*/
    handle_client_proc(srvfd);
    server_uninit();
    return 0;
err:
    server_uninit();
    return -1;
}

　　客戶端程序如下：

#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(5);
write(sockfd, buf, strlen(buf) +1);
}

static void handle_connection(int sockfd)
{
char sendline[MAXLINE],recvline[MAXLINE];
int maxfdp,stdineof;
fd_set readfds;
int n;
struct timeval tv;
int retval = 0;

while (1) {

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

tv.tv_sec = 5;
tv.tv_usec = 0;

retval = select(maxfdp+1,&readfds,NULL,NULL,&tv);

if (retval == -1) {
return ;
}

if (retval == 0) {
printf("client timeout.\n");
continue;
}

if (FD_ISSET(sockfd, &readfds)) {
n = read(sockfd,recvline,MAXLINE);
if (n <= 0) {
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,0);

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 = 0;
retval = connect(sockfd,(struct sockaddr*)&servaddr,sizeof(servaddr));
if (retval < 0) {
fprintf(stderr, "connect fail,error:%s\n", strerror(errno));
return -1;
}

printf("client send to server .\n");
write(sockfd, "hello server", 32);

handle_connection(sockfd);

return 0;
}

　　

4、程序結果

　　啟動服務程序，執行三個個客戶程序進行測試，結果如下圖所示：

參考：

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

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