Linux編程之select

select系統調用的的用途是：在一段指定的時間內，監聽用戶感興趣的文件描述符上可讀、可寫和異常等事件。

select 機制的優勢

爲什麼會出現select模型？先看一下下面的這句代碼：

int iResult = recv(s, buffer,1024);

這是用來接收數據的，在默認的阻塞模式下的套接字裏，recv會阻塞在那裏，直到套接字連接上有數據可讀，把數據讀到buffer裏後recv函數纔會返回，不然就會一直阻塞在那裏。在單線程的程序裏出現這種情況會導致主線程（單線程程序裏只有一個默認的主線程）被阻塞,這樣整個程序被鎖死在這裏，如果永遠沒數據發送過來，那麼程序就會被永遠鎖死。這個問題可以用多線程解決，但是在有多個套接字連接的情況下，這不是一個好的選擇，擴展性很差。

再看代碼：

int iResult = ioctlsocket(s, FIOBIO, (unsigned long *)&ul);
iResult = recv(s, buffer,1024);

這一次recv的調用不管套接字連接上有沒有數據可以接收都會馬上返回。原因就在於我們用ioctlsocket把套接字設置爲非阻塞模式了。不過你跟蹤一下就會發現，在沒有數據的情況下，recv確實是馬上返回了，但是也返回了一個錯誤：WSAEWOULDBLOCK，意思就是請求的操作沒有成功完成。

看到這裏很多人可能會說，那麼就重複調用recv並檢查返回值，直到成功爲止，但是這樣做效率很成問題，開銷太大。

select模型的出現就是爲了解決上述問題。
select模型的關鍵是使用一種有序的方式，對多個套接字進行統一管理與調度 。

如上所示，用戶首先將需要進行IO操作的socket添加到select中，然後阻塞等待select系統調用返回。當數據到達時，socket被激活，select函數返回。用戶線程正式發起read請求，讀取數據並繼續執行。

從流程上來看，使用select函數進行IO請求和同步阻塞模型沒有太大的區別，甚至還多了添加監視socket，以及調用select函數的額外操作，效率更差。但是，使用select以後最大的優勢是用戶可以在一個線程內同時處理多個socket的IO請求。用戶可以註冊多個socket，然後不斷地調用select讀取被激活的socket，即可達到在同一個線程內同時處理多個IO請求的目的。而在同步阻塞模型中，必須通過多線程的方式才能達到這個目的。

select流程僞代碼如下：

{
    select(socket);
    while(1) 
    {
        sockets = select();
        for(socket in sockets) 
        {
            if(can_read(socket)) 
            {
                read(socket, buffer);
                process(buffer);
            }
        }
    }
}

select相關API介紹與使用

#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int select(int maxfdp, fd_set *readset, fd_set *writeset, fd_set *exceptset,struct timeval *timeout);

參數說明：

maxfdp：被監聽的文件描述符的總數，它比所有文件描述符集合中的文件描述符的最大值大1，因爲文件描述符是從0開始計數的；

readfds、writefds、exceptset：分別指向可讀、可寫和異常等事件對應的描述符集合。

timeout:用於設置select函數的超時時間，即告訴內核select等待多長時間之後就放棄等待。timeout == NULL 表示等待無限長的時間

timeval結構體定義如下：

struct timeval
{      
    long tv_sec;   /*秒 */
    long tv_usec;  /*微秒 */   
};

返回值：超時返回0;失敗返回-1；成功返回大於0的整數，這個整數表示就緒描述符的數目。

以下介紹與select函數相關的常見的幾個宏：

#include <sys/select.h>   
int FD_ZERO(int fd, fd_set *fdset);   //一個 fd_set類型變量的所有位都設爲 0
int FD_CLR(int fd, fd_set *fdset);  //清除某個位時可以使用
int FD_SET(int fd, fd_set *fd_set);   //設置變量的某個位置位
int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset); //測試某個位是否被置位

select使用範例：
當聲明瞭一個文件描述符集後，必須用FD_ZERO將所有位置零。之後將我們所感興趣的描述符所對應的位置位，操作如下：

fd_set rset;   
int fd;   
FD_ZERO(&rset);   
FD_SET(fd, &rset);   
FD_SET(stdin, &rset);

然後調用select函數，擁塞等待文件描述符事件的到來；如果超過設定的時間，則不再等待，繼續往下執行。

select(fd+1, &rset, NULL, NULL,NULL);

select返回後，用FD_ISSET測試給定位是否置位：

if(FD_ISSET(fd, &rset)   
{ 
    ... 
    //do something  
}

下面是一個最簡單的select的使用例子：

#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

int main()
{
    fd_set rd;
    struct timeval tv;
    int err;
    

    FD_ZERO(&rd);
    FD_SET(0,&rd);
    
    tv.tv_sec = 5;
    tv.tv_usec = 0;
    err = select(1,&rd,NULL,NULL,&tv);
    
    if(err == 0) //超時
    {
        printf("select time out!\n");
    }
    else if(err == -1)  //失敗
    {
        printf("fail to select!\n");
    }
    else  //成功
    {
        printf("data is available!\n");
    }

    
    return 0;
}

我們運行該程序並且隨便輸入一些數據，程序就提示收到數據了。

深入理解select模型：

理解select模型的關鍵在於理解fd_set,爲說明方便，取fd_set長度爲1字節，fd_set中的每一bit可以對應一個文件描述符fd。則1字節長的fd_set最大可以對應8個fd。

（1）執行fd_set set; FD_ZERO(&set); 則set用位表示是0000,0000。

（2）若fd＝5,執行FD_SET(fd,&set);後set變爲0001,0000(第5位置爲1)

（3）若再加入fd＝2，fd=1,則set變爲0001,0011

（4）執行select(6,&set,0,0,0)阻塞等待

（5）若fd=1,fd=2上都發生可讀事件，則select返回，此時set變爲0000,0011。注意：沒有事件發生的fd=5被清空。

基於上面的討論，可以輕鬆得出select模型的特點：

（1）可監控的文件描述符個數取決與sizeof(fd_set)的值。我這邊服務器上sizeof(fd_set)＝512，每bit表示一個文件描述符，則我服務器上支持的最大文件描述符是512*8=4096。據說可調，另有說雖然可調，但調整上限受於編譯內核時的變量值。

（2）將fd加入select監控集的同時，還要再使用一個數據結構array保存放到select監控集中的fd，一是用於再select返回後，array作爲源數據和fd_set進行FD_ISSET判斷。二是select返回後會把以前加入的但並無事件發生的fd清空，則每次開始select前都要重新從array取得fd逐一加入（FD_ZERO最先），掃描array的同時取得fd最大值maxfd，用於select的第一個參數。

（3）可見select模型必須在select前循環加fd，取maxfd，select返回後利用FD_ISSET判斷是否有事件發生。

用select處理帶外數據

網絡程序中，select能處理的異常情況只有一種：socket上接收到帶外數據。

什麼是帶外數據？

帶外數據(out—of—band data)，有時也稱爲加速數據(expedited data)，
是指連接雙方中的一方發生重要事情，想要迅速地通知對方。
這種通知在已經排隊等待發送的任何“普通”(有時稱爲“帶內”)數據之前發送。
帶外數據設計爲比普通數據有更高的優先級。
帶外數據是映射到現有的連接中的，而不是在客戶機和服務器間再用一個連接。

我們寫的select程序經常都是用於接收普通數據的，當我們的服務器需要同時接收普通數據和帶外數據，我們如何使用select進行處理二者呢？

下面給出一個小demo：

#include <stdio.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>


int main(int argc, char* argv[])
{
    if(argc <= 2)
    {
        printf("usage: ip address + port numbers\n");
        return -1;
    }
    
    const char* ip = argv[1];
    int port = atoi(argv[2]);

        printf("ip: %s\n",ip);
        printf("port: %d\n",port);
    
    int ret = 0;
    struct sockaddr_in address;
    bzero(&address,sizeof(address));
    address.sin_family = AF_INET;
    inet_pton(AF_INET,ip,&address.sin_addr);
    address.sin_port = htons(port);
    
    int listenfd = socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0);
    if(listenfd < 0)
    {
        printf("Fail to create listen socket!\n");
        return -1;
    }
    
    ret = bind(listenfd,(struct sockaddr*)&address,sizeof(address));
    if(ret == -1)
    {
        printf("Fail to bind socket!\n");
        return -1;
    }
    
    ret = listen(listenfd,5); //監聽隊列最大排隊數設置爲5
    if(ret == -1)
    {
        printf("Fail to listen socket!\n");
        return -1;
    }
    
    struct sockaddr_in client_address;  //記錄進行連接的客戶端的地址
    socklen_t client_addrlength = sizeof(client_address);
    int connfd = accept(listenfd,(struct sockaddr*)&client_address,&client_addrlength);
    if(connfd < 0)
    {
        printf("Fail to accept!\n");
        close(listenfd);
    }
    
    char buff[1024]; //數據接收緩衝區
    fd_set read_fds;  //讀文件操作符
    fd_set exception_fds; //異常文件操作符
    FD_ZERO(&read_fds);
    FD_ZERO(&exception_fds);
    
    while(1)
    {
        memset(buff,0,sizeof(buff));
        /*每次調用select之前都要重新在read_fds和exception_fds中設置文件描述符connfd，因爲事件發生以後，文件描述符集合將被內核修改*/
        FD_SET(connfd,&read_fds);
        FD_SET(connfd,&exception_fds);
        
        ret = select(connfd+1,&read_fds,NULL,&exception_fds,NULL);
        if(ret < 0)
        {
            printf("Fail to select!\n");
            return -1;
        }
        
        
        if(FD_ISSET(connfd, &read_fds))
        {
            ret = recv(connfd,buff,sizeof(buff)-1,0);
            if(ret <= 0)
            {
                break;
            }
            
            printf("get %d bytes of normal data: %s \n",ret,buff);
            
        }
        else if(FD_ISSET(connfd,&exception_fds)) //異常事件
        {
            ret = recv(connfd,buff,sizeof(buff)-1,MSG_OOB);
            if(ret <= 0)
            {
                break;
            }
            
            printf("get %d bytes of exception data: %s \n",ret,buff);
        }
        
    }
    
    close(connfd);
    close(listenfd);
    
    
    return 0;
}

用select來解決socket中的多客戶問題

上面有提到過，使用select以後最大的優勢是用戶可以在一個線程內同時處理多個socket的IO請求。在網絡編程中，當涉及到多客戶訪問服務器的情況，我們首先想到的辦法就是fork出多個進程來處理每個客戶連接。現在，我們同樣可以使用select來處理多客戶問題，而不用fork。

服務器端：

#include <sys/types.h> 
#include <sys/socket.h> 
#include <stdio.h> 
#include <netinet/in.h> 
#include <sys/time.h> 
#include <sys/ioctl.h> 
#include <unistd.h> 
#include <stdlib.h>

int main() 
{ 
    int server_sockfd, client_sockfd; 
    int server_len, client_len; 
    struct sockaddr_in server_address; 
    struct sockaddr_in client_address; 
    int result; 
    fd_set readfds, testfds; 
    server_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);//建立服務器端socket 
    server_address.sin_family = AF_INET; 
    server_address.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); 
    server_address.sin_port = htons(8888); 
    server_len = sizeof(server_address); 
    bind(server_sockfd, (struct sockaddr *)&server_address, server_len); 
    listen(server_sockfd, 5); //監聽隊列最多容納5個 
    FD_ZERO(&readfds); 
    FD_SET(server_sockfd, &readfds);//將服務器端socket加入到集合中
    while(1) 
    {
        char ch; 
        int fd; 
        int nread; 
        testfds = readfds;//將需要監視的描述符集copy到select查詢隊列中，select會對其修改，所以一定要分開使用變量 
        printf("server waiting\n"); 

        /*無限期阻塞，並測試文件描述符變動 */
        result = select(FD_SETSIZE, &testfds, (fd_set *)0,(fd_set *)0, (struct timeval *) 0); //FD_SETSIZE：系統默認的最大文件描述符
        if(result < 1) 
        { 
            perror("server5"); 
            exit(1); 
        } 

        /*掃描所有的文件描述符*/
        for(fd = 0; fd < FD_SETSIZE; fd++) 
        {
            /*找到相關文件描述符*/
            if(FD_ISSET(fd,&testfds)) 
            { 
              /*判斷是否爲服務器套接字，是則表示爲客戶請求連接。*/
                if(fd == server_sockfd) 
                { 
                    client_len = sizeof(client_address); 
                    client_sockfd = accept(server_sockfd, 
                    (struct sockaddr *)&client_address, &client_len); 
                    FD_SET(client_sockfd, &readfds);//將客戶端socket加入到集合中
                    printf("adding client on fd %d\n", client_sockfd); 
                } 
                /*客戶端socket中有數據請求時*/
                else 
                { 
                    ioctl(fd, FIONREAD, &nread);//取得數據量交給nread
                    
                    /*客戶數據請求完畢，關閉套接字，從集合中清除相應描述符 */
                    if(nread == 0) 
                    { 
                        close(fd); 
                        FD_CLR(fd, &readfds); //去掉關閉的fd
                        printf("removing client on fd %d\n", fd); 
                    } 
                    /*處理客戶數據請求*/
                    else 
                    { 
                        read(fd, &ch, 1); 
                        sleep(5); 
                        printf("serving client on fd %d\n", fd); 
                        ch++; 
                        write(fd, &ch, 1); 
                    } 
                } 
            } 
        } 
    } 

    return 0;
}

客戶端：

//客戶端
#include <sys/types.h> 
#include <sys/socket.h> 
#include <stdio.h> 
#include <netinet/in.h> 
#include <arpa/inet.h> 
#include <unistd.h> 
#include <stdlib.h>
#include <sys/time.h>

int main() 
{ 
    int client_sockfd; 
    int len; 
    struct sockaddr_in address;//服務器端網絡地址結構體 
     int result; 
    char ch = 'A'; 
    client_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);//建立客戶端socket 
    address.sin_family = AF_INET; 
    address.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
    address.sin_port = htons(8888); 
    len = sizeof(address); 
    result = connect(client_sockfd, (struct sockaddr *)&address, len); 
    if(result == -1) 
    { 
         perror("oops: client2"); 
         exit(1); 
    } 
    //第一次讀寫
    write(client_sockfd, &ch, 1); 
    read(client_sockfd, &ch, 1); 
    printf("the first time: char from server = %c\n", ch); 
    sleep(5);
    
    //第二次讀寫
    write(client_sockfd, &ch, 1); 
    read(client_sockfd, &ch, 1); 
    printf("the second time: char from server = %c\n", ch);
    
    close(client_sockfd); 
   
    return 0; 
}

運行流程：

客戶端：啓動->連接服務器->發送A->等待服務器回覆->收到B->再發B給服務器->收到C->結束

服務器：啓動->select->收到A->發A+1回去->收到B->發B+1過去

測試：我們先運行服務器，再運行客戶端

select總結：

select本質上是通過設置或者檢查存放fd標誌位的數據結構來進行下一步處理。這樣所帶來的缺點是：

1、單個進程可監視的fd數量被限制，即能監聽端口的大小有限。一般來說這個數目和系統內存關係很大，具體數目可以cat/proc/sys/fs/file-max察看。32位機默認是1024個。64位機默認是2048.

2、 對socket進行掃描時是線性掃描，即採用輪詢的方法，效率較低：當套接字比較多的時候，每次select()都要通過遍歷FD_SETSIZE個Socket來完成調度,不管哪個Socket是活躍的,都遍歷一遍。這會浪費很多CPU時間。如果能給套接字註冊某個回調函數，當他們活躍時，自動完成相關操作，那就避免了輪詢，這正是epoll與kqueue做的。

3、需要維護一個用來存放大量fd的數據結構，這樣會使得用戶空間和內核空間在傳遞該結構時複製開銷大。