【Linux网络编程】高效I/O--select/poll服务器

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多路转接之select

select服务器实现

获取连接

handlerEvent

select服务器代码链接 

select的优缺点 

多路转接之poll 

poll服务器实现(select服务器改写) 

poll的优缺点

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多路转接之select

select的作用

I/O的本质 = 等 + 拷贝

多路转接就是通过同时等待多个文件描述符的方式实现效率的提升，这些在五种I/O模型中都详细说过！

select是实现多路复用I/O的一种方式

一个多路复用I/O可以分为两步：

• 同时等待多个文件描述符
• I/O条件就绪，直接进行拷贝

select完成的工作就是I/O等待这一步，即对多个文件描述符进行等待，若有一个或多个文件描述符读写条件就绪，select就会返回！

select返回后，即进行多路复用的第二步拷贝。拷贝是由read/write...这些拷贝函数实现的！

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select调用

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

• nfds：表示你需要监管的所有的文件描述符中，最大的文件描述符+1
• readfds：指向fd_set的指针，包含需要监视的可读文件描述符
• writefds：指向fd_set的指针，包含需要监视的可写文件描述符（可选）。
• exceptfds：指向fd_set的指针，包含需要监视的异常文件描述符（可选）。
• timeout：指定select进行等待时的等待规则
• 返回值：若大于0，则表示实际I/O条件就绪的文件描述符的个数。若等于0，则表示超时。若小于0，则表示select发生错误，错误码被设置
• 头文件：sys/select.h

以下是对select参数的详细介绍 

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timeout参数 

 struct timeval类型的结构：

struct timeval {  long tv_sec;   // 秒数  long tv_usec;  // 微秒数  
};

• 若tv_sec设置为0，且tv_usec设置为0，则表示的是select进行非阻塞等待。即便没有任何一个文件描述符就绪，select依旧会返回0
• 若timeout参数设置为NULL，则表示select进行阻塞等待，在没有任何外部干扰（如信号中断）的情况下，若没有任何一个文件描述符就绪，则select永不返回，直到有一个或多个文件描述符就绪为止
• 若timeout中的tv_sec或tv_usec设置为>0的数，此时的timeout是一个输入和输出型参数。例如timeout设置为5秒0微秒之后传入select，过了两秒以后有一个文件描述符就绪了，那么select返回，timeout被修改为3秒0微秒

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fd_set类型 

读写条件就绪：

• 若一个文件描述符可以进行读了，即该文件的内核接收缓冲区有数据了，我们称该文件描述符的读条件就绪
• 若一个文件描述符可以进行写了，即该文件的内核发送缓冲区未满，我们称该文件描述符的写条件就绪

fd_set内部是一个对应文件描述符的位图结构

select参数中的fd_set类型参数含义：

• readfds：该文件描述符集中比特位的值为1的文件描述符，select只关心该文件描述符的读条件是否就绪
• writefds：该文件描述符集中比特位的值为1的文件描述符，select只关心该文件描述符的写条件是否就绪
• exceptfds：该文件描述符集中比特位的值为1的文件描述符，select只关心该文件描述符的异常条件是否就绪
• 若需要select同时关心一个文件描述符的读写条件，即把readfds和writefds对应位置的值同时设置为1
• 若无需select关心异常时间，我们把exceptfds设置为空即可！

select参数中的三个文件描述符集都是即是输入型参数，又是输出型参数

• 以readfds为例
• 当readfds作为输入型参数的时候，表示的含义是：用户告诉内核需要关心readfds中所有的fd的读事件
• 当readfds作为输出型参数的时候，表示的含义是：内核告诉用户需要关心的文件描述符中，有哪些已经就绪了

fd_set输入输出时位图的含义：

• 当作为输入型参数的时候，比特位的位置表示的是第几号fd，比特位的值表示是否需要内核关心的文件描述符的xx事件。若比特位的值为0表示无需内核关心该文件描述符的xx事件，若比特位的值为1表示需要内核关心该文件描述符的xx事件
• 当作为输出型参数的时候，比特位的位置表示的是第几号fd，比特位的值表示需要内核关心的文件描述符中，哪些已经就绪了。若比特位的值为0表示未关心或未就绪，若比特位的值为1表示已就绪

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文件描述符集的操作

对fd_set的操作只允许使用系统调用，不允许自己去改，哪怕你已经知道了它是个位图

文件描述符集的头文件是：sys/select.h

清空(所有比特位清零)文件描述符集：FD_ZERO

void FD_ZERO(fd_set *set);

• 功能：把set文件描述符集中的所有比特位清零 

清零文件描述符集中指定fd的值：FD_CLR

void FD_CLR(int fd, fd_set *set);

• 功能：把set集中fd对应的比特位清零 

判断文件描述符集中指定fd的值：FD_ISSET

int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set);

• 功能：判断set集中fd对应的比特位是否为1
• 返回值：就是set集中fd对应比特位的值。(若在即为1，若不在即为0)

新增(置为1)文件描述符集中指定fd：FD_SET

void FD_SET(int fd, fd_set *set);

• 功能：把set集中fd对应的比特位置为1

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select服务器实现

select服务器和一个简单的TCP服务器的区别主要体现在I/O上，所以我们基于我们之前写过的TCP服务器进行修改即可！TCP服务器

select服务器 vs 之前的TCP服务器

• 相同点：都是要创建套接字并基于套接字进行通信，甚至构建套接字的过程都一摸一样
• 不同点：select的I/O方案采用的是多路转接，而之前的TCP服务器是采用阻塞I/O的方式

基于上述原因，所以对于select服务器来说，只需要在TCP服务器的基础上，修改Loop函数即可

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获取连接

accept的本质其实也是I/O，I/O = 等 + 拷贝，accept也是等+拷贝。

所以新连接到来时就等价于有了读事件。

读事件可以由select进行监管，即可以把listen套接字添加到readfds中

把listen套接字交由select进行监管要完成的3个步骤：

• 定义fd_set
• 填充fd_set
• 系统调用select 

 select获取到哪些fd条件就绪，进行返回时，我们要根据select的返回值来分情况处理

• 若select的返回值大于0，表示已经有多少个文件描述符的条件就绪。上层已经可以根据readfds进行处理了
• 若select的返回值等于0，则表示超时。若select是阻塞监管，那么select不会返回0。
• 若select的返回值小于0，则表示select发生错误。

    void Loop() // 修改I/O为select{while(true)//需要不断获取连接，打上死循环即可{//定义fd_setfd_set rfds;//填充fd_setFD_ZERO(&rfds);FD_SET(_listensock,&rfds);//调用selectint n = select(_listensock + 1 , &rfds,nullptr,nullptr,nullptr);//select只关心读事件，并且阻塞等待if(n > 0){//表示已经有文件描述符条件就绪了，此时rfds中比特位为1的位置就是已经就绪的文件描述符handlerEvent(rfds);}else if(n == 0){//阻塞等待不会走到这std::cout << "timeout..." << std::endl;}else {std::cerr << "Select Error!" << std::endl;exit(2);}}

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handlerEvent

上述，我们已经将listen套接字交给select进行监管了。那么若listen套接字读条件就绪，即有客户端向发送连接时，如何处理呢？

这就由handlerEvent进行处理

由于select监管的文件描述符可能是listen套接字，也可能是普通套接字，所以我们需要对这两种套接字进行分类讨论

对于listen套接字来说：

• listen套接字的读事件就绪，也就意味着有新的客户端连接到来，我们首先要accept新连接
• accept过后会获取一个新的普通套接字，我们需要把普通套接字交给select进行监管

对于普通套接字来说：

• 普通套接字的读事件就绪，也就意味着客户端发来了一条新的I/O数据
• 此时服务器提供服务即可！ 

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细节问题：辅助数组

当用户调用select传入rfds时，此时的rfds是输入型参数

当select返回时，此时的rfds是输出型参数

rfds作为输入型参数和输出型参数时，含义是完全不同的！

举个例子：若我们调用select时设置了1号3号5号文件描述符的读事件。假设select在监管时只有3号文件描述符就绪了，那么select会直接修改rfds，此时没有就绪的文件描述符就被修改了

 

• rfds被select修改了，但我们之后还需要关心1号和5号文件描述符的读事件！ 

为了解决这个问题，所以调用select时一般会搭配上一个辅助数据结构来实现！(以数组为例)

辅助数组中一般会存储调用select之前的rfds，方便内核修改了rfds后，用户进行重新设置

在服务器构造的时候，我们可以直接构造好辅助数组，此外，辅助数组我们可以直接设置为成员变量

class TCPServer
{
public:const static int N = sizeof(fd_set) * 8; //辅助数组的大小const static int defaultfd = -1; //辅助数组元素的初始值TCPServer(uint16_t port): _port(port), _isrunning(false){//初始化辅助数组for(int i = 0 ; i < N ; ++i){fd_array[i] = defaultfd;}//listen套接字是必须要的，直接添加进辅助数组}
protected:uint16_t _port;int _listensock;bool _isrunning;int fd_array[N]; //辅助数组，元素的含义是需要内核关心的套接字编号
};

注意：该服务器的listensock是在初始化套接字时创建的，在socket创建listensock的后面再把listen套接字传入到辅助数组中  

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handlerEvent的实现 

通过之前介绍select调用，我们会发现若我们不通知内核需要关心某个fd，那么select返回时这个fd一定不会在rfds中。

• 若我们告诉内核需要关心第n号文件描述符，那么select返回时该文件描述符不一定会就绪
• 若我们不告诉内核需要关心第n号文件描述符，那么select返回时该文件描述符一定不会就绪

除此之外，select返回时，可能不止一个文件描述符就绪了

所以第一步我们需要遍历整个辅助数组

• 若遍历过程中，fd_array[i]的值是默认值，说明该位置还没被使用，直接跳过即可
• 若遍历过程中，fd_array[i]的值不是默认值，意味着该位置存储的一定是需要内核关心的文件描述符的编号，此时需要看这个文件描述符是否在输出型参数rfds中，若在，则该文件描述符就绪。否则，该文件描述符没就绪
• 判断一个文件描述符是否在fd_set中，我们使用的调用是FD_SET 

第二步就是分类讨论，区分该套接字是listen套接字还是普通套接字

    void handlerEvent(fd_set &rfds){for(int i = 0 ; i < N ; ++i){//若该fd不在辅助数组中，说明该文件描述符一定不会就绪if(fd_array[i] == defaultfd) continue;//走到这，说明该文件描述符被关心，经过rfds判断是否就绪if(!FD_ISSET(fd_array[i],&rfds)) continue; //区分处理if(fd_array[i] == _listensock){//该套接字是listen套接字，完成的工作是处理连接AcceptClient();}else {//该套接字是普通套接字，完成的工作是提供I/O服务Service(fd_array[i]);}}}

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处理连接：AcceptClient 

 到这一步，说明listen套接字的读事件已经就绪

需要进行两步操作：

• 获取新连接，并获取新的套接字
• 把套接字交给select进行监管

如何交给select进行监管？把这个新的套接字设置进辅助数组即可

    void AcceptClient(){//1.获取新连接，获取新的套接字int sockfd;Accept(sockfd);//2.把新连接设置进辅助数组int pos = 1;for(; pos < N ; ++pos){//2.1选择一个没被用过的位置 if(fd_array[pos] == defaultfd) break;}if(pos < N){//2.2找到了一个没有被用的空位置fd_array[pos] = sockfd;}else{//pos == N//2.3说明fd_array已经被使用满了close(sockfd);std::cerr << "Server is full!" << std::endl;}}

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 提供服务：Service

Service注意不要死循环即可！ 

    void Service(int sockfd){//获取客户端的输入char buffer[1024];int n = recv(sockfd, buffer, sizeof(buffer), MSG_WAITALL);if (n > 0){// 接收成功std::cout << "Client say# " << buffer << std::endl;// 服务器把buffer中的数据重新发送给客户端，完成服务//发送客户端的输入send(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0);}else if (n == 0){// 客户端套接字关闭std::cout << "client socket close!" << std::endl;close(sockfd);}else{// recv errorstd::cerr << "recv error!" << std::endl;close(sockfd);exit(5);}}

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修改Loop函数

Loop函数的修改主要有几点 

• 先把listen套接字放入辅助数组
• 每一次循环都得遍历一遍辅助数组，构建fd_set输入型参数，用于传递select参数
• 遍历过程中找出最大的文件描述符，用于传递select参数

    void Loop() // 修改I/O为select{fd_array[0] = _listensock;while(true)//需要不断获取连接，打上死循环即可{//定义fd_setfd_set rfds;//填充fd_setFD_ZERO(&rfds);//max_fd主要用于select参数填写int max_fd = defaultfd;for(size_t i = 0 ; i < N ; ++i){if(fd_array[i] == defaultfd) continue;FD_SET(fd_array[i],&rfds);if(fd_array[i] > max_fd) max_fd = fd_array[i]; }//调用selectint n = select(max_fd + 1 , &rfds,nullptr,nullptr,nullptr);//select只关心读事件，并且阻塞等待if(n > 0){//表示已经有文件描述符条件就绪了，此时rfds中比特位为1的位置就是已经就绪的文件描述符handlerEvent(rfds);}else if(n == 0){//阻塞等待不会走到这std::cout << "timeout..." << std::endl;continue;}else {std::cerr << "Select Error!" << std::endl;continue;}}}

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select服务器代码链接 

select服务器实现

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select的优缺点 

优点：

• 与其他I/O模型相比，select可以同时等待多个fd。对I/O性能有着显著提升
• select是最早出现的多路转接的方案，在很多较旧的服务器或系统上，select仍然会被使用 

缺点：

• 同时等待的fd的个数，有上限。这一缺点是由于fd_set类型被设置为固定大小的位图。通常为1024个比特位
• select输入输出参数混合。每次都要进行重新设定。通过服务器的编写我们会发现，使用select往往会造成大范围的遍历，而遍历对性能的损耗其实也是蛮大的
• 内核和用户之间的数据拷贝，这个缺点所有的多路转接方案都会存在
• select底层监视多个fd的时候，OS会在内部进行遍历检测所有的fd，至少有一个就绪就返回。如果没有，就按照策略！

由于select的缺点比较多，所有后来提出的多路转接方案都是基于这些缺点进行的改良。

其中，我们接下来介绍的poll就对select的某些缺点进行了改良 

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多路转接之poll 

poll对select进行一定程度的改良

• poll解决了select同时等待fd有上限的问题
• poll解决了select输入输出混合，导致代码中出现多次遍历的问题

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poll接口 

       #include <poll.h>int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);

• timeout：poll的timeout是输入型参数，poll等待时按照timeout的策略进行等待，可以类比select的timeout参数，poll的timeout的单位是ms(毫秒)，若poll在等待了timeout毫秒后还没有任何fd就绪，那么poll会超时返回。特殊的：若timeout被设置为0则表示非阻塞等待。若timeout被设置为-1则表示阻塞等待
• fds和nfds：这两个合起来我们可以看成是一个数组，其中nfds表示的是数组的元素个数，而fds表示数组的首元素地址。数组的元素类型是struct pollfd。

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poll如何解决select输入输出参数混合的问题的？ 

 poll的fds实际上也是一个输入且输出型参数！

struct pollfd结构：

           struct pollfd {int   fd;         /* file descriptor */short events;     /* requested events */short revents;    /* returned events */};

• fd：表示需要关心的文件描述符编号
• events：请求事件，这是用于用户告诉内核需要关心fd的哪些事件，若这个参数用户设置为POLLIN，则表示需要关心fd的读事件。若这个参数用户设置为POLLOUT，则表示需要关心fd的写事件。若用户既想关心读，又想关心写，则 POLLOUT | POLLIN即可，也就是说参数可以进行组合
• revents：返回事件，这是内核告诉用户，指定fd的哪些事件好了！若用户想看看该fd的读事件是否就绪，则revents & POLLIN即可！

poll的事件除了读写以外还有哪些：（man手册有详细介绍） 

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我们可以看出，poll的fds参数虽然还是输入输出型的参数，但用户通知内核和内核通知用户所用的变量不再是同一个，这就是poll解决输入输出混合问题的方案 

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poll如何解决select同时等待的fd有上限的问题？ 

从参数上，我们已经可以猜到它的解决方案了

poll的fds参数和nfds参数是配合使用的，fds相当于数据首元素地址，nfds是由用户确定的，换句话来说，只要用户想且内存允许，你的fd想要多少就有多少！不会受到poll接口的影响

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poll服务器实现(select服务器改写) 

经过select服务器的铺垫，poll服务器改写起来是相对容易的：poll服务器的改写代码

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poll的优缺点

优点：

• poll在select的基础上，弥补了select的一些缺点。并且poll也是多路转接方案的一种，与其他四种I/O模型相比，poll的优点是它可以同时接收多个文件描述符
• poll在select的基础上，弥补了select同时等待的fd有上限的问题，poll则是完全由用户自主决定fd的大小。
• poll在select的基础上，弥补了select输入输出参数混合的问题，每次调用poll时，都不再需要重新遍历设定参数！

缺点：

• poll与我们后续所学习的epoll相比，它的缺点是底层poll在检查fd是否就绪时，仍然采用的是遍历整个fd数组的方式，效率较低
• poll虽然比起select来说较优，但由于其出现的时间点和技术发展的趋势，大多数旧的设备/服务器当中，都已经采用了select。而对于新的设备/服务器来说，poll被epoll所替代。所以poll所处的地位较为尴尬
• 内核和用户之间的数据拷贝，这个缺点所有的多路转接方案都会存在