select深入理解
1 数据结构与函数原型
1.1 select
- 函数原型
int select(
int nfds,
fd_set *readset,
fd_set *writeset,
fd_set* exceptset,
struct timeval *timeout
);
- 头文件
select位于：#include <sys/select.h>
struct timeval位于：#include <sys/time.h>
-
返回值: 返回对应位仍然为1的fd的总数。
-
参数
nfds：第一个参数是：最大的文件描述符值+1；
readset：可读描述符集合；
writeset：可写描述符集合；
exceptset：异常描述符；
timeout：select 的监听时长，如果这短时间内所监听的 socket 没有事件发生。
1.2 描述符集合fd_set
试想由你实现这样一个集合，可以往里添加任意0~1024之间的数(FD_SET操作），也可以将加入到集合中的数移除——移除一个（FD_CLR操作）或全部清零（FD_ZERO），你会如何实现？
》》》历史上，系统将描述符集作为整数比特掩码来实现。一种比较好的思路是使用位图bitmap，往集合了添加n时只需将第n个bit位置1，移除n时只需将第n个比特置为0，移除所有数据时，只需将所有bit置为0，可以通过memset操作来实现。fd_set的实现就是采用位图bitmap（关于位图可以参考《编程珠玑》第一章）。
- fd_set结构体定义
#define __FD_SETSIZE 1024
typedef __kernel_fd_set fd_set;
typedef struct {
unsigned long fds_bits[__FD_SETSIZE / (8 * sizeof(long))];
} __kernel_fd_set;
-
可以看出，fd_set结构体里面是一个无符号长整型的数组，总共有1024/(8 * 4) = 32个元素，然而这并不是说select最多只能监控32个文件的变化。过去，描述符集被作为一个整数位屏蔽码得到实现，但是这种实现对于多于32个的文件描述符将无法工作。描述符集现在通常用整数数组中的位域表示，数组元素的每一位对应一个文件描述符。例如，一个整数占32位，那么整数数组的第一个元素代表文件描述符0到31，数组的第二个元素代表文件描述符32到63，以此类推，最多可监控32*32 = 1024个文件的变化。
-
宏FD_SET设置整数数组中对应于fd文件描述符的位为1，宏FD_CLR设置整数数组中对应于fd文件描述符的位为0，宏FD_ZERO设置整数数组中的所有位都为0。fd_set可以理解为一个集合，这个集合中存放的是文件描述符(file descriptor)，即文件句柄。
//每个ulong为32位，可以表示32个bit。
//fd >> 5 即 fd / 32，找到对应的ulong下标i；fd & 31 即fd % 32，找到在ulong[i]内部的位置
#define __FD_SET(fd, fdsetp) (((fd_set *)(fdsetp))->fds_bits[(fd) >> 5] |= (1<<((fd) & 31))) //设置对应的bit
#define __FD_CLR(fd, fdsetp) (((fd_set *)(fdsetp))->fds_bits[(fd) >> 5] &= ~(1<<((fd) & 31))) //清除对应的bit
#define __FD_ISSET(fd, fdsetp) ((((fd_set *)(fdsetp))->fds_bits[(fd) >> 5] & (1<<((fd) & 31))) != 0) //判断对应的bit是否为1
#define __FD_ZERO(fdsetp) (memset (fdsetp, 0, sizeof (*(fd_set *)(fdsetp)))) //memset bitmap
1.2.1 清空描述符集合
FD_ZERO(fd_set *)
1.2.2 向描述符集合添加指定描述符
FD_SET(int, fd_set *)
1.2.3 从描述符集合删除指定描述符
FD_CLR(int, fd_set *)
1.2.4 检测指定描述符是否在描述符集合中
FD_ISSET(int, fd_set *)
1.2.5 描述符最大数量
#define FD_SETSIZE 1024
1.3 深入理解select模型：
理解select模型的关键在于理解fd_set,为说明方便，取fd_set长度为1字节，fd_set中的每一bit可以对应一个文件描述符fd。则1字节长的fd_set最大可以对应8个fd。
（1）执行fd_set set; FD_ZERO(&set);则set用位表示是0000,0000。
（2）若fd＝5,执行FD_SET(fd,&set);后set变为0001,0000(第5位置为1)
（3）若再加入fd＝2，fd=1,则set变为0001,0011
（4）执行select(6,&set,0,0,0)阻塞等待
（5）若fd=1,fd=2上都发生可读事件，则select返回，此时set变为0000,0011。注意：没有事件发生的fd=5被清空。
- 基于上面的讨论，可以轻松得出select模型的特点：
（1)可监控的文件描述符个数取决与sizeof(fd_set)的值。我这边服务 器上sizeof(fd_set)＝512，每bit表示一个文件描述符，则我服务器上支持的最大文件描述符是512*8=4096。据说可调，另有说虽 然可调，但调整上限受于编译内核时的变量值。
（2）将fd加入select监控集的同时，还要再使用一个数据结构array保存放到select监控集中的fd，一是用于再select 返回后，array作为源数据和fd_set进行FD_ISSET判断。二是select返回后会把以前加入的但并无事件发生的fd清空，则每次开始 select前都要重新从array取得fd逐一加入（FD_ZERO最先），扫描array的同时取得fd最大值maxfd，用于select的第一个 参数。
（3）可见select模型必须在select前循环array（加fd，取maxfd），select返回后循环array（FD_ISSET判断是否有时间发生）。
TCP使用select流程图
下面给一个伪码说明基本select模型的服务器模型：
nSock=0;
array[nSock++]=listen_fd;(之前listen port已绑定并listen)
maxfd=listen_fd;
while(1){
FD_ZERO(&set);
foreach (fd in array)
{
fd大于maxfd，则maxfd=fd
FD_SET(fd,&set)
}
res=select(maxfd+1,&set,0,0,0)；
if(FD_ISSET(listen_fd,&set))
{
newfd=accept(listen_fd);
array[nsock++]=newfd;
if(--res<=0) continue;
}
foreach 下标1开始 (fd in array)
{
if(FD_ISSET(fd,&tyle="COLOR: #ff0000">set))
执行读等相关操作
如果错误或者关闭，则要删除该fd，将array中相应位置和最后一个元素互换就好，nsock减一
if(--res<=0) continue;
}
}
利用Select模型，设计的web服务器：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#define MYPORT 88960 // the port users will be connecting to
#define BACKLOG 10 // how many pending connections queue will hold
#define BUF_SIZE 200
int fd_A[BACKLOG]; // accepted connection fd
int conn_amount; // current connection amount
void showclient()
{
int i;
printf("client amount: %d\n", conn_amount);
for (i = 0; i < BACKLOG; i++) {
printf("[%d]:%d ", i, fd_A[i]);
}
printf("\n\n");
}
int main(void)
{
int sock_fd, new_fd; // listen on sock_fd, new connection on new_fd
struct sockaddr_in server_addr; // server address information
struct sockaddr_in client_addr; // connector's address information
socklen_t sin_size;
int yes = 1;
char buf[BUF_SIZE];
int ret;
int i;
if ((sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1) {
perror("socket");
exit(1);
}
if (setsockopt(sock_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &yes, sizeof(int)) == -1) {
perror("setsockopt");
exit(1);
}
server_addr.sin_family = AF_INET; // host byte order
server_addr.sin_port = htons(MYPORT); // short, network byte order
server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // automatically fill with my IP
memset(server_addr.sin_zero, '\0', sizeof(server_addr.sin_zero));
if (bind(sock_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {
perror("bind");
exit(1);
}
if (listen(sock_fd, BACKLOG) == -1) {
perror("listen");
exit(1);
}
printf("listen port %d\n", MYPORT);
fd_set fdsr;
int maxsock;
struct timeval tv;
conn_amount = 0;
sin_size = sizeof(client_addr);
maxsock = sock_fd;
while (1) {
// initialize file descriptor set
FD_ZERO(&fdsr);
FD_SET(sock_fd, &fdsr);
// timeout setting
tv.tv_sec = 30;
tv.tv_usec = 0;
// add active connection to fd set
for (i = 0; i < BACKLOG; i++) {
if (fd_A[i] != 0) {
FD_SET(fd_A[i], &fdsr);
}
}
ret = select(maxsock + 1, &fdsr, NULL, NULL, &tv);
if (ret < 0) {
perror("select");
break;
} else if (ret == 0) {
printf("timeout\n");
continue;
}
// check every fd in the set
for (i = 0; i < conn_amount; i++) {
if (FD_ISSET(fd_A[i], &fdsr)) {
ret = recv(fd_A[i], buf, sizeof(buf), 0);
char str[] = "Good,very nice!\n";
send(fd_A[i],str,sizeof(str) + 1, 0);
if (ret <= 0) { // client close
printf("client[%d] close\n", i);
close(fd_A[i]);
FD_CLR(fd_A[i], &fdsr);
fd_A[i] = 0;
} else { // receive data
if (ret < BUF_SIZE)
memset(&buf[ret], '\0', 1);
printf("client[%d] send:%s\n", i, buf);
}
}
}
// check whether a new connection comes
if (FD_ISSET(sock_fd, &fdsr)) {
new_fd = accept(sock_fd, (struct sockaddr *)&client_addr, &sin_size);
if (new_fd <= 0) {
perror("accept");
continue;
}
// add to fd queue
if (conn_amount < BACKLOG) {
fd_A[conn_amount++] = new_fd;
printf("new connection client[%d] %s:%d\n", conn_amount,
inet_ntoa(client_addr.sin_addr), ntohs(client_addr.sin_port));
if (new_fd > maxsock)
maxsock = new_fd;
}
else {
printf("max connections arrive, exit\n");
send(new_fd, "bye", 4, 0);
close(new_fd);
break;
}
}
showclient();
}
// close other connections
for (i = 0; i < BACKLOG; i++) {
if (fd_A[i] != 0) {
close(fd_A[i]);
}
}
exit(0);
}
