【计算机网络】select/poll
一、I/O 多路转接之 select
多路转接属于 IO 复用方式的一种。系统提供 select() 函数来实现多路复用输入/输出模型。select 系统调用是用来让我们的程序监视多个文件描述符的状态变化的。程序会停在 select 这里等待，直到被监视的文件描述符有一个或多个发生了状态改变。
1. select 接口
select 只负责等待，而且一次可以等待多个文件描述符。其中接口如下：
其中第一个参数 nfds 表示 select 等待的多个文件描述符的最大值+1，例如需要 select 等待的 fd 有 1、2、3、4、5，那么 nfds 这个参数就是 6.
返回值如果大于0，代表有 n 个 fd 就绪了；如果返回值等于 0，代表超时，表示没有错误，也没有 fd 就绪；如果小于 0，表示等待出错。
关于最后一个参数 struct timeval，我们需要另外介绍一下，在 Linux 中有对应的接口可以让我们获取时间，例如 gettimeofday() 可以获取特定时区下的特定时间，如下：
其中它的参数中也有 struct timeval 结构，该结构中的字段如下：
其中 tv_sec 表示时间戳，以秒为单位；tv_usec 以微秒为单位。
所以回到 select 接口中，最后一个参数 struct timeval 表示给 select 设置等待方式，例如设为 struct timeval timeout = {5, 0} 表示每隔 5 秒，timeout 一次，也就是在这 5 秒期间，没有任何一个文件描述符就绪，select 就会直接返回，然后再重新进入，设置 5 秒的时候，就重复刚才的工作。如果在等待 5 秒期间有文件描述符就绪了，那么就会立即返回。如果我们设为 {0, 0} 代表立马返回，非阻塞的一种。-1 表示阻塞等待。
另外，如果我们设置了，这个参数是一个输入输出型参数。例如我们设置每隔 5 秒 timeout 一次，可是刚过去 2 秒就有文件描述符就绪了，此时 timeout 输出时就变成了 3 秒。
最后，第二、三、四个参数都是同一个类型 fd_set，fd_set 是内核提供的一种数据类型，它是位图。我们目前关心的 fd 上面的读写事件，要么特定的 fd 上读事件就绪，要么特定的 fd 上写事件就绪，要么特定的 fd 上有异常事件。所以对于任何一个文件描述符，如果只准它关心一种事件，那么就是这三种的其中一种。所以如果我们关心特定一个 fd 上读事件就绪，就让 select 来通知我们，我们就应该把文件描述符设置进第二个参数中。如果我们关心写事件就绪，就把文件描述符设置进第三个参数中。如果我们既关心读又关心写，我们可以同时设置进第二和第三个参数中。
下面我们单独拿第二个参数 readfds 来讲，这个集合也是输入输出型参数。当它是输入时，表示的是，用户告诉内核，我给你的一个或者多个 fd，你要帮我关心 fd 上面的读事件，如果事件就绪了，你就要告诉我！当它是输出时，也就是返回时，内核告诉用户，你让我关心的多个 fd 中，有哪些已经就绪了，你赶紧读取吧！其中这个位图传入的时候，比特位的位置，就表示文件描述符编号，比特位的内容，0 或者 1，就表示是否需要内核关心！ 当有 fd 就绪时，操作系统就直接修改该位图中的内容，将已经就绪的 fd 在该位图的位置不变，也就是还是 1，将没有就绪的位置清0，也就是返回输出的时候，0 还是 1，表示哪些用户关心的 fd 上面的读事件已经就绪了！所以 fd_set 是一张位图，是为了让用户和内核传递 fd 是否就绪的信息的！
所以这就注定了使用 select 的时候，一定会有大量的位图操作，所以操作系统给我们提供了一系列的位图操作接口，如下：
- FD_CLR：用来清除集合 set 中相关 fd 的位，比如 fd = 3，就是将 set 中的编号为 3 的位置由 1 改为 0 即可
- FD_ISSET：用来测试集合 set 中相关 fd 的位是否为真，即判断是否在集合中
- FD_SET：用来设置集合 set 中相关 fd 的位，也就是将 fd 添加到集合中
- FD_ZERO：用来清除集合 set 的全部位，也就是全部清零
最后我们知道，fd_set 是一个位图，并且是一个具体的类型，所以 fd_set 就一定有具体的大小，只要有实际的大小，那么 fd_set 就一定有它位图中比特位的个数，也就是说 select 等待多个文件描述符一定是有上限的！下面我们验证一下 select 最多可以等待多少个文件描述符，如下代码：
int main()
{
std::cout << "fd_set bits num: " << sizeof(fd_set) * 8 << std::endl;
return 0;
}结果如下：
所以在我们当前机器的 select 能够等待的文件描述符个数是 1024 个。
2. select 的使用
下面我们写一段简单的代码使用 select 完成多个文件描述符的等待，详细解析参考代码注释，代码如下：
封装的 socket 套接字 Socket.hpp：
#pragma once
#include <iostream>
#include <string>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include "log.hpp"
enum
{
SocketErr = 2,
BindErr,
ListenErr,
};
const int backlog = 10;
class Sock
{
public:
Sock()
{}
~Sock()
{}
public:
void Socket()
{
_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if(_sockfd < 0)
{
lg(Fatal, "socket error, %s: %d", strerror(errno), errno);
exit(SocketErr);
}
int opt = 1;
setsockopt(_sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR | SO_REUSEPORT, &opt, sizeof(opt));
}
void Bind(uint16_t port)
{
sockaddr_in local;
memset(&local, 0, sizeof(local));
local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
local.sin_family = AF_INET;
local.sin_port = htons(port);
if(bind(_sockfd, (const sockaddr*)&local, sizeof(local)) < 0)
{
lg(Fatal, "bind error, %s: %d", strerror(errno), errno);
exit(BindErr);
}
}
void Listen()
{
if(listen(_sockfd, backlog) < 0)
{
lg(Fatal, "listen error, %s: %d", strerror(errno), errno);
exit(ListenErr);
}
}
int Accept(std::string* client_ip, uint16_t* client_port)
{
sockaddr_in peer;
socklen_t len = sizeof(peer);
int newfd = accept(_sockfd, (sockaddr*)&peer, &len);
if(newfd < 0)
{
lg(Warning, "accept error, %s: %d", strerror(errno), errno);
return -1;
}
char buffer[64];
inet_ntop(AF_INET, &peer.sin_addr, buffer, sizeof(buffer));
*client_ip = buffer;
*client_port = ntohs(peer.sin_port);
return newfd;
}
void Close()
{
close(_sockfd);
}
bool Connect(std::string serverip, uint16_t serverport)
{
sockaddr_in peer;
memset(&peer, 0, sizeof(peer));
inet_pton(AF_INET, serverip.c_str(), &(peer.sin_addr));
peer.sin_family = AF_INET;
peer.sin_port = htons(serverport);
int n = connect(_sockfd, (const sockaddr*)&peer, sizeof(peer));
if(n < 0)
{
lg(Fatal, "connect error, %s: %d", strerror(errno), errno);
return false;
}
return true;
}
int GetFd()
{
return _sockfd;
}
private:
int _sockfd;
};对 select 封装的 SelectServer.hpp：
#pragma once
#include <iostream>
#include <string>
#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
#include "Socket.hpp"
#include "log.hpp"
static const uint16_t defaultport = 8888;
static const int fd_set_max = (sizeof(fd_set) * 8);
int default_fd = -1;
class SelectServer
{
public:
SelectServer(uint16_t port = defaultport)
: _port(port)
{
for (int i = 0; i < fd_set_max; ++i)
{
fd_array[i] = default_fd;
}
}
bool Init()
{
_listenSock.Socket();
_listenSock.Bind(8888);
_listenSock.Listen();
return true;
}
void Start()
{
int listenSock = _listenSock.GetFd();
fd_array[0] = listenSock;
while (true)
{
fd_set rfds;
FD_ZERO(&rfds); // 清空集合
int maxfd = fd_array[0];
for (int i = 0; i < fd_set_max; ++i)
{
if (fd_array[i] == default_fd)
continue;
FD_SET(fd_array[i], &rfds); // 向集合添加指定fd
// 更新最大的 fd
if (maxfd < fd_array[i])
{
maxfd = fd_array[i];
lg(Info, "max fd update, max fd is: %d", maxfd);
}
}
struct timeval timeout = {2, 0}; // 输入输出，可能要进行周期重复设置
// select 告诉我们就绪了，接下来的一次读取，我们读取 fd 的时候，不会被阻塞
// rfds 是输入输出型参数，所以在输入时可能是 1111，返回时可能只有一个fd就绪，那么就被覆盖成 0001
// 所以 rfds 原来的位图中的值就不见了，也就是需要内核关心的fd不见了！
// 所以就要求 select 每次返回处理完之后，回到循环开始，每一次都要把 rfds 的参数重新设置！
int n = select(maxfd + 1, &rfds, nullptr, nullptr, &timeout);
switch (n)
{
case 0:
// std::cout << "time out, timeout: " << timeout.tv_sec << "." << timeout.tv_usec << std::endl;
break;
case -1:
std::cerr << "select error" << std::endl;
break;
default:
// 有事件就绪了，交给事件派发器 Dispatcher
std::cout << "get a new link!" << std::endl;
Dispatcher(rfds);
break;
}
}
}
~SelectServer()
{
_listenSock.Close();
}
private:
Sock _listenSock;
uint16_t _port;
// 辅助数组，为了将合法的文件描述符添加到 rfds 中
int fd_array[fd_set_max];
};事件派发器 Dispatcher()
void Dispatcher(fd_set &rfds)
{
for (int i = 0; i < fd_set_max; ++i)
{
int fd = fd_array[i];
if (fd == default_fd)
continue;
// 如果当前 fd 在 rfds 中已经就绪
if (FD_ISSET(fd, &rfds))
{
// 处理 listen 套接字
if (fd == _listenSock.GetFd())
{
// 连接管理器
Accepter();
}
// 其他文件描述符就绪, 也就是读事件就绪
else
{
Recver(fd, i);
}
}
}
}连接管理器 Accepter()
void Accepter()
{
// 连接事件就绪
std::string clientip;
uint16_t clientport = 0;
int sock = _listenSock.Accept(&clientip, &clientport); // 这里不会阻塞，因为事件已经就绪
if (sock < 0) return;
lg(Info, "accept success, %s: %d", clientip.c_str(), clientport);
// 将已经就绪的 sock 添加到辅助数组中即可，当 select 下一次设置的时候就会将该 fd 设置到 rfds 中！
int pos = 1;
for (; pos < fd_set_max; ++pos)
{
if (fd_array[pos] != default_fd)
continue;
else
break;
}
if (pos == fd_set_max)
{
lg(Warning, "server is full, close %d now!", sock);
close(sock);
}
else
{
fd_array[pos] = sock;
}
}读事件处理器 Recver()
void Recver(int fd, int pos)
{
char buffer[1024];
ssize_t n = read(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);
if (n > 0)
{
buffer[n] = 0;
std::cout << "get a message: " << buffer << std::endl;
}
else if (n == 0)
{
lg(Info, "client quit, me too, close fd is: %d", fd);
close(fd);
fd_array[pos] = default_fd; // 本质从 rfds 中移除
}
else
{
lg(Warning, "recv error, fd is: %d", fd);
close(fd);
fd_array[pos] = default_fd; // 本质从 rfds 中移除
}
}3. select 的优缺点
- 优点
- select 已经是一种多路转接的方案了，在单进程的同时也能多用户的请求。select 一次可以等待多个文件描述符，IO 等于等待+拷贝，所以 select 可以知道多个文件描述符上的 IO 事件是否就绪，也就是把所有的等待时间重叠起来。这样如果有任何一个事件就绪，我们就可以知道这个事件就绪，然后把事件派发上来，让上层进行处理，要么是获取新连接，要么是读写数据。
- 缺点
- select 能够等待的 fd 是有上限的
- 输入输出型参数比较多，数据拷贝的频率比较高
- 输入输出型参数比较多，每次都要对关心的 fd 进行事件重置，也就是需要大量的循环
- 用户层使用第三方数组管理用户的 fd，用户层需要很多次遍历；内核中检测 fd 事件就绪，也要遍历
二、I/O 多路转接之 poll
poll 也是多路转接方案的一种，它主要解决的就是 select 中的等待 fd 有上限的问题，以及每次都要对关心的 fd 进行事件重置的问题。
1. poll 接口
下面我们看看 poll 的接口：
首先 poll 的返回值和 select 的返回值一模一样。
第三个参数 timeout 其实是一个整型，表示的是时间，单位为毫秒，含义和 select 中的 timeout 一样。
而我们发现，poll 的第一个参数，专门设计了一个结构体 struct pollfd，其实我们可以理解成这个结构体是一个数组，而第一个参数就表示第一个元素的地址。
第二个参数 nfds 代表第一个参数的数组中有多少个元素。
我们知道，多路转接无非包括两点，第一，用户告诉内核；第二，内核告诉用户。poll 和 select 一样，只不过 select 用位图，而 poll 用结构体数组。所以 poll 在用户传给内核的时候，表示告诉内核需要关心 struct pollfd 结构体中的 fd 中的 events 事件；当返回时，代表 struct pollfd 结构体中的 fd 中的 revents 事件就绪了。所以，poll 最大的特点是将输入和输出事件进行了分离！
但是当我们告诉内核需要关心 events 事件的时候，内核怎么知道是关心读事件还是写事件还是其他事件呢？当内核返回用户也一样。那么我们可以看到 events 和 revents 都是 short 类型，都是 16 个比特位，也就是在 Linux 中，使用了比特位传参！所以它把事件设置成位图的形式，如下，其实它们都是宏：
所以，poll 的本质是将读写事件分离，然后传入用户定的数组元素的大小，通过 events 和 revents 以位图的方式来传递就绪和关心标记位的解决方案！
2. poll 的使用
下面我们直接对 selectSever.hpp 做修改，改成一个 pollSever.hpp，代码如下：
#pragma once
#include <iostream>
#include <string>
#include <sys/time.h>
#include <poll.h>
#include "Socket.hpp"
#include "log.hpp"
static const uint16_t defaultport = 8888;
static const int fd_num_max = 64;
static const int default_fd = -1;
static const int non_event = 0;
class PollServer
{
public:
PollServer(uint16_t port = defaultport)
: _port(port)
{
for (int i = 0; i < fd_num_max; ++i)
{
_event_fds[i].fd = default_fd;
_event_fds[i].events = non_event;
_event_fds[i].revents = non_event;
}
}
bool Init()
{
_listenSock.Socket();
_listenSock.Bind(8888);
_listenSock.Listen();
return true;
}
void Accepter()
{
// 连接事件就绪
std::string clientip;
uint16_t clientport = 0;
int sock = _listenSock.Accept(&clientip, &clientport); // 这里不会阻塞，因为事件已经就绪
if (sock < 0) return;
lg(Info, "accept success, %s: %d", clientip.c_str(), clientport);
// 将已经就绪的 sock 添加到 _event_fds 中
// 并将它的 events 设置为读事件 POLLIN
int pos = 1;
for (; pos < fd_num_max; ++pos)
{
if (_event_fds[pos].fd != default_fd)
continue;
else
break;
}
if (pos == fd_num_max)
{
lg(Warning, "server is full, close %d now!", sock);
close(sock);
// 可以选择扩容...
}
else
{
_event_fds[pos].fd = sock;
_event_fds[pos].events = POLLIN;
}
}
void Recver(int fd, int pos)
{
char buffer[1024];
ssize_t n = read(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);
if (n > 0)
{
buffer[n] = 0;
std::cout << "get a message: " << buffer << std::endl;
}
else if (n == 0)
{
lg(Info, "client quit, me too, close fd is: %d", fd);
close(fd);
_event_fds[pos].fd = default_fd; // 本质从 结构体数组 中移除
}
else
{
lg(Warning, "recv error, fd is: %d", fd);
close(fd);
_event_fds[pos].fd = default_fd; // 本质从 结构体数组 中移除
}
}
void Dispatcher()
{
for (int i = 0; i < fd_num_max; ++i)
{
int fd = _event_fds[i].fd;
if (fd == default_fd)
continue;
// 如果当前 fd 在 _event_fds 中已经就绪
if (_event_fds[i].revents & POLLIN)
{
// 处理 listen 套接字
if (fd == _listenSock.GetFd())
{
// 连接管理器
Accepter();
}
// 其他文件描述符就绪, 也就是读事件就绪
else
{
Recver(fd, i);
}
}
}
}
void Start()
{
_event_fds[0].fd = _listenSock.GetFd();
_event_fds[0].events = POLLIN; // listen 套接字只关心获取连接，即读事件
int timeout = 2000; // 2s
while (true)
{
int n = poll(_event_fds, fd_num_max, timeout);
switch (n)
{
case 0:
std::cout << "time out..." << std::endl;
break;
case -1:
std::cerr << "poll error" << std::endl;
break;
default:
// 有事件就绪了，交给事件派发器 Dispatcher
std::cout << "get a new link!" << std::endl;
Dispatcher( );
break;
}
}
}
~PollServer()
{
_listenSock.Close();
}
private:
Sock _listenSock;
uint16_t _port;
struct pollfd _event_fds[fd_num_max];
};3. poll 与 select 的对比
- 那么我们通过 poll 的使用可以看到，poll 本质上也是通过一个结构体数组来等待 fd 的，我们在开始的时候说过，它解决了 select 等待 fd 有上限的问题，那么它怎么解决了 fd 有上限的问题呢？其实我们在写的时候也发现，
_event_fds这个数组的大小是由我们自己定的，所以我们可以定的非常大，大到内存扛不住，所以此时就是操作系统的问题了，不是 poll 接口本身的问题。而 select 等待 fd 有上限的问题，本质上是接口本身的问题，所以 poll 本质上是解决了 select 等待 fd 有上限的问题。 - poll 与 select 都需要遍历检测有哪些文件描述符就绪，其中 poll 在内核中需要遍历检测有哪些文件描述符就绪；在用户层需要遍历检测有哪些事件已经就绪。
所以 poll 和 select 都避免不开遍历的问题，也就是在效率上没有本质的提升。于是又出现了另一个接口 epoll，我们下一篇再介绍。
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