【计算机网络】非阻塞IO——select实现多路转接

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一、非阻塞IO与多路转接

非阻塞IO

IO分为阻塞IO和非阻塞IO，IO=拷贝+等的时间。非阻塞IO允许程序发起IO操作(网络读写等)后立即返回，不等待操作完成，通过回轮询或事件通知处理结果。阻塞IO会因为条件不满足卡住，直到条件就绪。非阻塞IO的关键是程序可以在IO操作未完成时继续执行其他任务。

多路转接

多路转接是实现非阻塞IO的一种高效的方式，通过监控多个IO描述符，通知程序哪些描述符已经就绪(可读、可写)，让程序按需处理，避免阻塞。
路转接是一种技术，允许程序同时监控多个输入/输出（IO）事件（如网络套接字、文件描述符），当某些事件就绪（如数据可读、可写）时通知程序处理，而无需为每个IO操作分配单独的线程或阻塞等待。
实现多路转接可以用select、poll、epoll、等方式监控多个IO描述符的事件，当某个描述符就绪(网路),程序收到通知，处理对应的事件。

用多路转接，可以极大提高效率，在单个线程中处理多个并发IO操作，避免阻塞等待或者每个连接都创建线程。用多路转接实现非阻塞IO,程序无需等待某个IO操作完成，可以立即处理其他就绪的IO事件。

二、select实现多路转接

select负责一件事，就是等一次可以等待多个fd。等待多个fd，有任意一个或多个fd的事件就绪就会通知上层，告诉程序的调用发，哪些fd可以io了。select是等待多个fd的一种就绪事件通知机制。

select函数

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

select的返回值：大于0是几就表示有几个fd就绪了。等于0超时了，在timeout内没有fd就绪。小于0，select报错。

参数

1. nfds 是需要监视的最大的文件描述符值+1。

2. 数 timeout 为结构 timeval， 用来设置 select()的等待时间。

• NULL：表示select没有timeout，select一直被阻塞，直到某个文件描述符发生了事件。
• 0：select 非阻塞，立即返回，检查当前是否有就绪事件。
• 设置事件：timeout时间内，阻塞等待，超时就非阻塞返回。

3. readfds、writefds、excepfds、分别是关系的读事件、写事件、异常事件。

• 这三个参数的结构是一个整数数组，更严格来说是一个“位图”，使用位图中的位来表示监视的文件。
• 这是三个参数，是输入输出型参数，比如说读事件，输入的时候是从用户态到内核态输出的时候是从内核态到用户态。输入的时候告诉内核，你要帮我关心哪些fd上的哪些事件，比特位的位置表示fd编号，比特位的内容，表示是否关心。返回的时候内核告诉用户，你让我关心的哪些fd上面的读事件已经就绪了，比特位的位置，表示fd的编号，比特位的内容，表示是否就绪。
• 因为这个位图是输入输出型的，所以未来这个位图一定会被频繁变更。位图中有多少个比特位就决定了select最多关心多少个fd。

读就绪 写就绪

读就绪的含义
在 select 或 epoll 等多路转接机制中，“读就绪”表示文件描述符（如网络套接字、文件句柄）已准备好进行读取操作，即：
数据已到达，可以调用 read 或 recv 读取而不阻塞。
对于网络套接字，可能表示接收缓冲区有数据、连接建立完成、或连接关闭。

具体事件（以网络套接字为例）：

• 数据到达：远程端发送数据到套接字的接收缓冲区（如客户端收到服务器响应）。
• 连接建立：监听套接字（server socket）收到新连接请求（如 accept 可立即执行）。
• 连接关闭：对端关闭连接，recv 返回0（EOF，端点文件）。
• 错误：套接字发生错误（如 ECONNRESET），可能通过读取检测。

写就绪的含义
定义：
在多路转接机制中，“写就绪”表示文件描述符（如网络套接字、文件句柄）已准备好进行写入操作，即：
数据可以写入而不阻塞，例如套接字的发送缓冲区有足够空间。
对于网络套接字，通常意味着可以调用 send 或 write 发送数据。

触发条件（以网络套接字为例）：

• 发送缓冲区有空间：套接字的发送缓冲区（TCP/UDP buffer）未满，可以写入数据。
• 连接建立完成：客户端套接字完成连接（如 connect 后的TCP三次握手），可以发送数据。
• 错误状态：套接字发生错误（如 ECONNREFUSED），可能通过写操作检测。

非阻塞服务器 代码实现

# pragma once#include "Common.hpp"
#include "Socket.hpp"
#include "Log.hpp"using namespace std;
using namespace LogModule;
using namespace SocketModule;class Selectserver
{
const static int size=8*sizeof(fd_set);
const static int defaultfd=-1;public:Selectserver(int port):_isrunning(false),_listensockfd(make_unique<TcpSocket>()){_listensockfd->BuildTcpSocketServer(port);for(int i=0;i<size;i++){_fd_array[i]=defaultfd;}_fd_array[0]=_listensockfd->FD();} void Start(){_isrunning=true;while(_isrunning){fd_set rfds; //定义fds集合FD_ZERO(&rfds);//清空集合int maxfd=defaultfd;for(int i=0;i<size;i++){if(_fd_array[i]==defaultfd)    //遍历辅助数组，跳过-1的continue;FD_SET(_fd_array[i],&rfds);    //每次进来都要重新设置rfdsif(maxfd<_fd_array[i])      //最大fd小于遍历到的fd更新{maxfd=_fd_array[i];} }PrintFd();int n=select(maxfd+1,&rfds,nullptr,nullptr,nullptr); //多路转接只关心读事件switch (n){case -1:LOG(LogLevel::ERROR)<<"select out";break;case 0:LOG(LogLevel::WARNING)<<"time out";default:LOG(LogLevel::INFO)<<"事件就绪";Dispatcher(rfds);   //派发break;}}}void Dispatcher(fd_set& rfds)   //事件派发{for(int i=0;i<size;i++){if(_fd_array[i]==defaultfd) continue;               //跳过没有fd的位置if(FD_ISSET(_fd_array[i],&rfds)){if(_fd_array[i]==_listensockfd->FD()) //是listen套接字{Accepter();}else        //accept套接字 干活{Recv(_fd_array[i],i);}}     }}void Accepter() //accept套接字{InetAddr client;int sockfd=_listensockfd->AcceptOrDie(&client);//accept了干活fdLOG(LogLevel::DEBUG)<<"accept a new client"<<client.StringAddr();int pos=0;for(;pos<size;pos++){if(_fd_array[pos]==defaultfd)   //遍历辅助数组，遇见-1跳出break;}if(pos==size){LOG(LogLevel::WARNING)<<"server full";close(sockfd);} else{_fd_array[pos]=sockfd;}}void Recv(int sockfd,int pos){char buffer[1024];ssize_t n=recv(sockfd,buffer,sizeof(buffer)-1,0);   //收信息if(n>0){buffer[n] = 0;cout << "client say@ "<< buffer <<endl;}else if(n==0)   //客户端退出{LOG(LogLevel::INFO)<<"client quit";_fd_array[pos]=defaultfd;close(sockfd);}else        //出现错误 异常{LOG(LogLevel::FATAL)<<"recv error";_fd_array[pos]=defaultfd;close(sockfd);}}void PrintFd(){cout << "_fd_array[]: ";for (int i = 0; i < size; i++){if (_fd_array[i] == defaultfd)continue;cout << _fd_array[i] << " ";}cout << "\r\n";}~Selectserver(){}
private:unique_ptr<Socket> _listensockfd;int _fd_array[size];    //辅助数组bool _isrunning;
};

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辅助数组

读事件的集合是个位图结构，每次调用select都会修改之前的结构，是有破坏性的。

保留“原始的 fd 集合”，因为 select() 会修改你传进去的集合。select() 会清除掉那些没就绪的 fd！如果你不提前备份，就会把原来的 fd 集合搞没，下一轮 select 就找不到了。

比如说读事件，一开机读到的是listen套接字，下一次就是accept套接字，每次调用 select 时只保留最新的 connfd（accept 套接字），而忘了继续监听 listenfd，那它就“没了”——不会再监视新的连接了。

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上面的代码是基于之前写的TCP阻塞的服务器改的非阻塞服务器，没写应用层代码。

    Selectserver(int port):_isrunning(false),_listensockfd(make_unique<TcpSocket>()){_listensockfd->BuildTcpSocketServer(port);for(int i=0;i<size;i++){_fd_array[i]=defaultfd;}_fd_array[0]=_listensockfd->FD();} 

构造服务器，创建辅助数组数组内数据全部设置为-1，把listen套接字放到这个辅助数组中。

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启动方法

void Start(){_isrunning=true;while(_isrunning){fd_set rfds; //定义fds集合FD_ZERO(&rfds);//清空集合int maxfd=defaultfd;for(int i=0;i<size;i++){if(_fd_array[i]==defaultfd)    //遍历辅助数组，跳过-1的continue;FD_SET(_fd_array[i],&rfds);    //每次进来都要重新设置rfdsif(maxfd<_fd_array[i])      //最大fd小于遍历到的fd更新{maxfd=_fd_array[i];} }PrintFd();int n=select(maxfd+1,&rfds,nullptr,nullptr,nullptr); //多路转接只关心读事件switch (n){case -1:LOG(LogLevel::ERROR)<<"select out";break;case 0:LOG(LogLevel::WARNING)<<"time out";default:LOG(LogLevel::INFO)<<"事件就绪";Dispatcher(rfds);   //派发break;}}}

启动服务器，一直进行循环，定义fds集合清空集合定义最大的文件描述符。for循环遍历辅助数组，如果不是规定的套接字跳过。把辅助数组中的套接字重新设置进fds集合中，标记最大的文件描述符。
select多路转接(这里只关心读事件)，对返回值进行判断，返回值大于0对事件进行派发(就是读事件中的文件描述符是listen套接字的去干listen套接字该干的事，是accept套接字去干accept套接字该干的事)

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事件派发

void Dispatcher(fd_set& rfds)   //事件派发{for(int i=0;i<size;i++){if(_fd_array[i]==defaultfd) continue;               //跳过没有fd的位置if(FD_ISSET(_fd_array[i],&rfds)){if(_fd_array[i]==_listensockfd->FD()) //是listen套接字{Accepter();}else        //accept套接字 干活{Recv(_fd_array[i],i);}}     }}

事件派发，遍历辅助数组，跳过没有fd的位置，FD_ISSET检测文件描述符是否在fds中就绪，然后判断是listen套接字还是accept的套接字。

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accept套接字 添加到辅助数组

void Accepter() //accept套接字{InetAddr client;int sockfd=_listensockfd->AcceptOrDie(&client);//accept了干活fdLOG(LogLevel::DEBUG)<<"accept a new client"<<client.StringAddr();int pos=0;for(;pos<size;pos++){if(_fd_array[pos]==defaultfd)   //遍历辅助数组，遇见-1跳出break;}if(pos==size){LOG(LogLevel::WARNING)<<"server full";close(sockfd);} else{_fd_array[pos]=sockfd;}}

有了accept的套接字要在辅助数组中填加accept的套接字。遍历辅助数组，遇见defaulted值就要把这个accept套接字添加进去。判断辅助数组是否满了。

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读数据

void Recv(int sockfd,int pos){char buffer[1024];ssize_t n=recv(sockfd,buffer,sizeof(buffer)-1,0);   //收信息if(n>0){buffer[n] = 0;cout << "client say@ "<< buffer <<endl;}else if(n==0)   //客户端退出{LOG(LogLevel::INFO)<<"client quit";_fd_array[pos]=defaultfd;close(sockfd);}else        //出现错误 异常{LOG(LogLevel::FATAL)<<"recv error";_fd_array[pos]=defaultfd;close(sockfd);}}void PrintFd(){cout << "_fd_array[]: ";for (int i = 0; i < size; i++){if (_fd_array[i] == defaultfd)continue;cout << _fd_array[i] << " ";}cout << "\r\n";}~Selectserver(){}

到recv接收信息，已经是非阻塞的了，客户端退出要把辅助数组这个位置置为defaulted关闭文件描述符，出现异常也是上述操作。

源码：非阻塞http服务

三、select 的缺点

1. 每次调用 select, 都需要手动设置 fd 集合, 从接口使用角度来说也非常不便。
2. 每次调用 select， 都需要把 fd 集合从用户态拷贝到内核态， 这个开销在 fd 很多时会很大
3. 同时每次调用 select 都需要在内核遍历传递进来的所有 fd， 这个开销在 fd 很多时也很大
4. select 支持的文件描述符数量太小。