深入剖析 I/O 复用之 select 机制

深入剖析 I/O 复用之 select 机制

在网络编程中，I/O 复用是一项关键技术，它允许程序同时监控多个文件描述符的状态变化，从而高效地处理多个 I/O 操作。select 作为 I/O 复用的经典实现方式，在众多网络应用中扮演着重要角色。本文将深入探讨 select 的原理、使用方法、相关数据结构以及实际应用示例。

一、I/O 复用概述

I/O 复用使得程序能够同时监听多个文件描述符，适用于多种场景：

• 客户端程序需要同时处理多个套接字。
• 客户端要兼顾用户输入和网络连接处理。
• TCP 服务器需同时管理监听套接字和已连接套接字。
• 服务器要同时处理 TCP 请求和 UDP 请求。
• 服务器需要监听多个端口。

二、select 原理

select 系统调用通过维护三个文件描述符集合（读集合、写集合和异常集合）来监视不同类型的事件。它会阻塞当前进程，直到有一个或多个文件描述符就绪（有数据可读、可写或发生异常），或者达到指定的超时时间。

三、select 使用方法

函数原型

#include <sys/select.h>  
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);  

• nfds：需要监视的最大文件描述符编号加 1。
• readfds：读文件描述符集合，用于监视文件描述符是否有数据可读。
• writefds：写文件描述符集合，用于监视文件描述符是否可写。
• exceptfds：异常文件描述符集合，用于监视文件描述符是否发生异常。
• timeout：超时时间，指定 select 函数的最大阻塞时间。如果为 NULL，则会一直阻塞直到有文件描述符就绪。

fd_set 数据结构

fd_set 用于存储文件描述符集合，本质上是一个位图（bitmask）。每个文件描述符对应位图中的一位，若该位置为 1，则表示该文件描述符在集合内；若为 0，则表示不在集合内。

操作 fd_set 的宏函数

• FD_ZERO(fd_set *set)：将 fd_set 集合初始化为空，即把集合中所有位都置为 0。
• FD_SET(int fd, fd_set *set)：将指定的文件描述符 fd 添加到 fd_set 集合中，把对应位设置为 1。
• FD_CLR(int fd, fd_set *set)：从 fd_set 集合中移除指定的文件描述符 fd，将对应位设置为 0。
• FD_ISSET(int fd, fd_set *set)：检查指定的文件描述符 fd 是否在 fd_set 集合中。若在集合中则返回非零值，否则返回 0。

timeout 结构体

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

用于指定 select 函数的超时时间。

四、使用 select 实现 TCP 服务器示例代码解析

代码功能

此代码创建了一个 TCP 服务器，借助 select 函数实现 I/O 复用，能够同时处理多个客户端的连接与数据收发。服务器监听本地地址 127.0.0.1 的 6000 端口，当有新的客户端连接时会接受连接，接收客户端发送的数据，并向客户端回复 "ok"。

代码逐段解析

头文件与常量定义

#include <stdio.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <string.h>  
#include <unistd.h>  
#include <sys/select.h>  
#include <sys/socket.h>  
#include <arpa/inet.h>  
#include <netinet/in.h>  #define MAXARR 10  

引入所需头文件，并定义常量 MAXARR 表示存储文件描述符数组的最大长度。

函数声明与实现

• socket_init 函数：

  int socket_init() {  int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);  if (sockfd == -1) {  perror("socket err");  return -1;  }  struct sockaddr_in saddr;  memset(&saddr, 0, sizeof(saddr));  saddr.sin_family = AF_INET;  saddr.sin_port = htons(6000);  saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");  int res = bind(sockfd, (struct sockaddr *)&saddr, sizeof(saddr));  if (res == -1) {  perror("bind err");  return -1;  }  if ((res = listen(sockfd, 5) < 0)) {  perror("listen err");  return -1;  }  return sockfd;  
  }  
  

  该函数用于初始化服务器套接字，包括创建套接字、绑定地址和端口、开始监听连接。若出现错误则返回 -1。
• arr_init 函数：

  void arr_init(int arr[]) {  for (int i = 0; i < MAXARR; i++) {  arr[i] = -1;  }  
  }  
  

  把存储文件描述符的数组初始化为 -1，表示数组中没有有效的文件描述符。
• arr_add 函数：

  void arr_add(int arr[], int fd) {  for (int i = 0; i < MAXARR; i++) {  if (arr[i] == -1) {  arr[i] = fd;  break;  }  }  
  }  
  

  把新的文件描述符添加到数组中，找到第一个值为 -1 的位置，将新的文件描述符存入该位置。
• arr_del 函数：

  void arr_del(int arr[], int fd) {  for (int i = 0; i < MAXARR; i++) {  if (arr[i] == fd) {  arr[i] = -1;  break;  }  }  
  }  
  

  从数组中删除指定的文件描述符，找到该文件描述符所在的位置，将其值置为 -1。
• accept_cli 函数：

  void accept_cli(int sockfd, int arr[]) {  int c = accept(sockfd, NULL, NULL);  if (c == -1) {  perror("accept err");  return;  }  printf("cli(%d) accept\n", c);  arr_add(arr, c);  
  }  
  

  接受新的客户端连接，若接受成功则将客户端的套接字文件描述符添加到数组中。
• recv_cli 函数：

  void recv_cli(int fd, int arr[]) {  char buff[128] = {0};  int n = recv(fd, buff, 127, 0);  if (n < 0) {  perror("recv err");  printf("cli(%d) close\n", fd);  close(fd);  arr_del(arr, fd);  return;  }  if (n == 0) {  printf("cli(%d) close\n", fd);  close(fd);  arr_del(arr, fd);  return;  }  printf("buff(c=%d):%s\n", fd, buff);  send(fd, "ok", 2, 0);  
  }  
  

  接收客户端发送的数据，若接收出错或者客户端关闭连接，则关闭对应的套接字并从数组中删除该文件描述符；若接收到数据，则打印数据并向客户端回复 "ok"。

main 函数

int main() {  int sockfd = socket_init();  if (sockfd == -1) {  exit(1);  }  int arr[MAXARR];  arr_init(arr);  arr_add(arr, sockfd);  fd_set fdset;  while (1) {  FD_ZERO(&fdset);  int maxfd = -1;  for (int i = 0; i < MAXARR; i++) {  if (arr[i] == -1) {  continue;  }  FD_SET(arr[i], &fdset);  if (arr[i] > maxfd) {  maxfd = arr[i];  }  }  struct timeval tv = {5, 0};  int n = select(maxfd + 1, &fdset, NULL, NULL, &tv);  if (n == -1) {  perror("select err");  continue;  } else if (n == 0) {  printf("TIME OUT\n");  continue;  } else {  for (int i = 0; i < MAXARR; i++) {  if (arr[i] == -1) {  continue;  } else {  if (FD_ISSET(arr[i], &fdset)) {  if (arr[i] == sockfd) {  accept_cli(arr[i], arr);  } else {  recv_cli(arr[i], arr);  }  }  }  }  }  }  
}  

• 初始化服务器套接字，若失败则退出程序。
• 初始化存储文件描述符的数组，并将服务器套接字文件描述符添加到数组中。
• 进入无限循环：
  • 每次循环开始时，清空 fd_set 集合。
  • 遍历数组，将有效的文件描述符添加到 fd_set 集合中，并找出最大的文件描述符。
  • 设置 select 函数的超时时间为 5 秒。
  • 调用 select 函数进行监听，根据返回值判断情况：若返回 -1 表示出错，打印错误信息并继续循环；若返回 0 表示超时，打印超时信息并继续循环；若返回大于 0 的值，表示有文件描述符就绪。
  • 再次遍历数组，检查哪些文件描述符就绪。若为服务器套接字，则调用 accept_cli 函数接受新的连接；若为客户端套接字，则调用 recv_cli 函数接收数据。

五、select 的优缺点

优点

• 跨平台支持：select 是一种标准的系统调用，几乎所有的 Unix/Linux 系统和 Windows 系统都支持，具有良好的跨平台性。
• 简单易用：select 的接口相对简单，使用起来比较方便，对于小规模的应用场景非常适用。

缺点

• 文件描述符数量限制：select 有最大文件描述符数量的限制，一般为 1024。如果需要处理大量的文件描述符，可能会受到限制。
• 性能问题：select 需要遍历所有的文件描述符来检查其状态，时间复杂度为 O(n)，当文件描述符数量较多时，性能会受到影响。
• 内核和用户空间数据拷贝：每次调用 select 时，都需要将文件描述符集合从用户空间拷贝到内核空间，在文件描述符数量较多时，会带来一定的开销。

六、适用场景

由于 select 存在一些局限性，它适用于文件描述符数量较少、对性能要求不是特别高的场景，例如一些简单的网络服务器、嵌入式系统等。在实际应用中，若需要处理大量文件描述符或对性能有更高要求，可以考虑使用 poll 或 epoll 等更高级的 I/O 复用机制。

通过深入理解 select 的原理、使用方法和优缺点，我们能够在网络编程中更好地运用这一技术，构建高效稳定的网络应用。