【网络】五中IO模型介绍 + 多路转接中select和poll服务器的简单编写

前言

本篇主要讲解：

• 五种IO模型的介绍
• 重点讲解多路转接
• select服务器的编写
• poll服务器的编写

关于多路转接的epoll我会在下一篇详细讲解。

前面我一直在讲网络通信，从创建套接字就可看到网络通信的就是IO，发送方能发也能收，接收方也是能发也能收，站在网络角度来看就是机器把数据扔到了网络里面，站在计算机体系结构角度来看就
是把数据把内存扔到网卡，不管怎么理解，都是IO。

正式开始

前面的IO函数简单过一遍

前面文件部分讲过的IO都是文件IO，单机的，打开文件，将数据从磁盘读到os，再从os将数据拷到用户缓冲区，各设备离的都非常近，在网络中，两台主机相隔千里之外，IO效率一定是要比单机来说低不少的。

IO问什么低效？
read、recv、recvfrom、write、send、sendto这样的IO函数本质上都是一些拷贝函数，都是在用户和内核之间拷贝数据，不过毕竟是从内存中直接拷贝的，效率还算OK。

以read为例，当我们进行read/recv的时候，如果底层没有数据，read/recv会怎么办做？有数据又会怎么做？

没有数据，read/recv进程就会阻塞，也就是让进程等。
如果有数据就直接进行拷贝。

⇒ 所以IO就是 等 + 数据拷贝。

等就是等IO类事件就绪。读就是底层有数据，写就是底层有空间。

write也是一样的，缓冲区满了就不让拷贝(等)，没满就拷贝，所以IO必须经历的两部就是等和数据拷贝。

看图：

如果进程想要访问磁盘上的文件，那就得先打开这个文件，而文件 = 内容 + 属性，所以打开文件后，os要为文件创建相应的struct FILE结构体以维护文件的属性，也就是在内存中维护，而内存是惰性加载的，不会说将文件中的所有数据全部加载完，因为很多数据不一定能用上，os可能会对文件预加载，也就是先加载一部分，当进程想要修改文件中的内容时，就会先将需要的数据加载到内存里：

此时就是进程先调用的IO类型的函数想要访问文件中的数据，然后os才会做加载的这一步的，也就是os加载之前进程就已经开始调用IO类函数了。

那么os在加载文件的内容时，进程在干嘛？
就是在等。

IO = 等 + 拷贝。上面os在加载的时候，就是等，此刻进程是处于阻塞状态的。

那么拷贝呢？
就是加载完毕之后。进程就会被os唤醒，然后对os加载好的数据进行后续操作。

无论是网络还是单机，只要是访问磁盘、键盘、网卡等等外设，就一定是等 + 数据拷贝。

想一想scanf运行起来之后，为什么会卡在命令行等你输入，其实就是在等待标准输入。cin也是同理，像这样的函数都是在等数据就绪后再将数据从外设搬到内存os的缓冲区中，再从os搬到应用层，这就是数据拷贝。

所以recv、read、send、write等函数看起来是在发送和接收，其实都是在等IO类事件就绪，然后再发起拷贝，拷贝时无非就是从内核到用户或从用户到内核，所以这些函数不是用户直接与硬件进行读写，而是用户和内核之间的“交流”，交流完毕后，os再做后续的事情，比如说将修改后的数据写回磁盘。

在os视角来看，这些函数会让进程阻塞，在IO视角来看就是让进程在等。

什么叫做低效的IO

网络里面谈IO是因为报文从A主机发送到B主机，中间的发送时间会很长，所以网络通信时调用read、recv等函数就要做IO，这样就会花费大量的时间在等上，如何提高IO的效率呢？只要想办法在单位时间内让等的比重变得越低IO的效率就会越高。

单位时间内让等的比重变低，如何做到呢？
前面大佬们已经对于IO进行了深刻研究，总结出来了五中IO模型，这篇重点要讲的就是这五中IO模型。

先说说都是啥：

1. 阻塞IO
2. 非阻塞IO
3. 信号驱动
4. 多路转接（多路复用）
5. 异步IO

不过这里先不说这五种IO模型的细节，我先通过一个生活中的例子来帮大家理解理解。

钓鱼的例子

钓鱼应该都见过吧。这里不说打窝这样的细节，简单一点。

就直接说成等 + 鱼上钩的收杆（后面直接说钓，也就是等 + 钓）。就像mc中的钓鱼一样。

什么场景下会说一个人钓鱼的效率非常高呢？
一个人大半天都没有鱼咬钩，一直在等。
另一个人一直是上钩，不带停的。

很明显，第二个人效率高，所以只要单位时间内等的比重非常低，这个人钓鱼的效率就非常高。

再来介绍个东西，鱼漂，钓鱼佬应该很熟悉，但是没钓过鱼的同学可能很陌生，看图：

钓鱼的时候，鱼漂能够反映出鱼咬钩的讯息。

假如说现在有五个人去钓鱼。

张三钓鱼的时候死死盯住鱼漂，啥也不干，非常专注，鱼漂不动他不动。
李四耐不住性子，看一会手机再看鱼漂有反应没，没反应就接着看手机。
王五拿了个铃铛，挂在鱼杆后面，一直在玩手机，铃铛一响就赶紧收杆。
赵六是个方圆五公里内的富二代，一下子拿了100支鱼竿，安置好后就来回检测哪只哪支鱼竿有鱼咬钩。
田七是个大老板，但是最近想吃鱼了(不是高启强😅)，但是他比较忙，于是给了他手下小王一个桶，让小王去钓，等把桶钓满了再给他打电话，田七再去取。

那么上面这五种情况就对应了五中IO模型。
张三就是阻塞式IO，李四就是非阻塞式IO，王五就是信号驱动，赵六就是多路复用，田七就是异步IO。

那么谁的钓鱼效率更高呢？
赵六。

为啥呢？
站在鱼的角度，鱼脑袋上有104个诱饵（这里认为鱼一定会咬钩，不考虑打窝的情况，诱饵都一样且在某个区域中均匀分布），所以对于每个鱼竿来说，上鱼的概率都是1/104，但是赵六这个人的概率是100/104，而其他人都是1/104，所以单位时间内赵六等的比重是非常低的。

同步IO和异步IO

上面的人就对应的是进程或者线程，进程或线程只要参与了IO就称为同步IO。

什么叫参与IO呢？
就是要么参与了等，要么参与了拷贝，要么同时都参与。

只要参与了就叫做同步IO。

田七既没有等也没有钓（拷贝），所以田七是异步IO。

再来看看王五是同步IO吗？
前面我讲信号的时候说过信号的产生是异步的，但是王五是参与了IO的，他在等也在等鱼上钩，而且也是亲自钓的，而不是像田七那样直接不在场。也就是说数据没有就绪就先忙着自己的事情，但是一旦就绪了自己就将数据从内核拷贝到用户空间，所以是参与了IO的。这里的信号驱动，和单纯的信号产生有些不同，就在于IO这里有后续的拷贝动作，谈的不是信号的发送是异步的，谈的是信号发送之后要参与IO，还是同步的。

【注】这里信号驱动其实是有争议的，有的人说是同步IO，有的人说是异步IO，但我这里按照同步来说。

张三和李四的阻塞IO和非阻塞IO有什么区别？
都是同步IO，IO = 等 + 拷贝，都要亲手钓，这里没什么区别，主要的区别是在等上，张三是阻塞的等，李四是非阻塞的等。

阻塞式等，就是进程/线程检测某个文件描述符上是否有事件就绪，没有事件就绪就阻塞，也就是将进程的PCB放到等待队列中，后面的工作就由os来做了，并不是进程/线程在检测，而是os在做检测，当检测到对应文件描述符数据就绪了就把对应进程唤醒，并将PCB放到运行队列中，进程/线程阻塞期间什么也做不了，状态为非R。

非阻塞等就是事件没有就绪时os不会将进程/线程的PCB放到等待队列中，而是继续让它执行后续代码，我们经常是写个循环，然后其中调用IO函数，如果数据没有就绪就循环回去执行IO前面的代码，然后再次执行到IO函数，然后再次检测是否就绪，此即轮询。也就是非阻塞IO的非轮询检测。

前面多线程间的同步和这里的IO同步不是一个东西，多线程的同步背景是线程，是多线程执行流在协同工作，而这里的IO同步背景是IO，所以网上看计算机中的同步相关的资料时一定要确定是什么同步。

这里就带各位简单的了解了五中IO模型，下面来细说说。
主要讲一下阻塞、非阻塞和多路转接。信号驱动用的最少，异步IO在网络库或者IO库中是有的，但是很多公司都不太想用，因为可能会导致IO逻辑变的很混乱，但也不是不用，只是用的少。

五种IO模型

张三、李四这些人对应的就是一个进程或线程，鱼竿对应的就是文件描述符，鱼漂对应文件描述符是否有时间就绪，鱼即数据，鱼所在的水域就是缓冲区。

先简单过一遍，然后再写代码。

阻塞IO

阻塞IO: 在内核将数据准备好之前, 系统调用会一直等待. 所有的套接字, 默认都是阻塞方式。

阻塞IO是最常见的IO模型：

左边对应用户空间，右边对应os的内核空间。

上面用户调用recv这样的系统级别的IO函数，就会进入阻塞状态，后面的工作就是os在做了，用户啥也做不了，数据拷贝好后才能做后续工作。

非阻塞IO

非阻塞IO: 如果内核还未将数据准备好, 系统调用仍然会直接返回, 并且返回EWOULDBLOCK错误码.

这里的EWOULDBLOCK错误码不写代码感受不出来，等会写代码的时候就懂了。

非阻塞IO往往需要程序员循环的方式反复尝试读写文件描述符, 这个过程称为轮询. 这对CPU来说是较大的浪费, 一般只有特定场景下才使用

这里会对数据是否准备好做轮询检测，如果没有准备好就先干自己的事情，干一会后再检查一下，如果还没好就继续做自己的事情，直到某一次检测数据准备好了，就会对数据进行拷贝。

信号驱动

信号驱动IO: 内核将数据准备好的时候, 使用SIGIO信号通知应用程序进行IO操作。

来看看这个信号：

流程：

这里涉及到了信号的相关操作，如果你不懂信号，可以看看我这一篇：信号详解

开始的时候对SIGIO信号自定义处理，定义好信号的捕捉方法sigaction，当接收到SIGIO信号的时候就去执行sigaction函数，sigaction函数中一定是会调用recv这样的IO函数的。

这里就是由争议的地方，信号。但是进程不是在等信号，而是在等数据就绪，但等数据的同时又能自由的做自己的事情，SIGIO到来的时候就去处理SIGIO。不要深究这些东西，没有太大意义。会用就行。

多路转接

先来看流程图：

IO多路转接: 虽然从流程图上看起来和阻塞IO类似. 实际上最核心在于IO多路转接能够同时等待多个文件描述符的就绪状态。

支持多路转接的OS要提供独有的接口，一个接口专门负责一个等的动作。
而select就是专门负责等多个文件描述符的，不会进行拷贝，这个接口可以向其中添加很多货文件描述符，也就是一次可以等多个文件描述符上的数据准备就绪，多个文件描述符随时有可能准备就绪，如果有文件描述符准备就绪，select就要把准备就绪的文件反应给进程，让进程调用recv等函数进行读取。

所以这里等的时候能并行一块等，读取的时候只能串行一个一个来读，和赵六钓鱼一样的，一下子把100个鱼竿安好（并行等），然后有杆钓上鱼了就去哪个杆（串行）。

select和IO函数各司其职，select这种类似的多路转接的接口只负责等，当数据就绪时就让上层的IO类接口只进行拷贝，此时上层的IO函数就不会出现导致进程阻塞，因为上层的select已经告诉了进程底层有数据了，本次调用recv这样的IO函数绝对不会阻塞，理想情况下只需要拷贝。

当然这里光说的话有点难懂，后面用代码演示就好理解了。

异步IO

异步IO: 由内核在数据拷贝完成时, 通知应用程序(而信号驱动是告诉应用程序何时可以开始拷贝数据).

aio_read这样的函数一般都是要先给os一端用户级的缓冲区，后续就不需要再等了，不用调用recv之类的函数，os自动帮你把数据拷到你给的缓冲区中，拷贝完后就给你通知拷贝完了。

田七（进程）给小王（os）一个桶（用户级缓冲区），小王去钓（os办事），田七办自己的事，桶钓满（拷贝好了）了通知田七。

注意这里的通知和前面的信号驱动不一样的，前面的信号驱动是要进程自己调用recv拷贝数据的，而这里是os直接帮进程把数据就拷贝好了。

小结

任何IO过程中, 都包含两个步骤. 第一是等待, 第二是拷贝. 而且在实际的应用场景中, 等待消耗的时间往往都远远高于拷贝的时间. 让IO更高效, 最核心的办法就是让等待的时间尽量少.

mmap也是一个高级的IO，想了解的同学请自行查资料看看。

代码演示

非阻塞IO

前面我所有的博客都是阻塞式的IO，想要变成非阻塞，就需要在打开文件的时候就设置打开文件的选项O_NONBLOCK。

还有创建套接字也一样可以设置：

设置了之后就文件就具有了非阻塞的属性。

所以想要让文件描述符在读写的时候能进行非阻塞读写，就要进行属性设置，打开文件时就设定。（无论是创建套接字还是普通的文件）。

但是这样有点麻烦，我们可以用同一的方式来进行非阻塞的设置，即fcntl函数：

参数fd就是文件描述符，cmd就是你要选择哪种功能，后面的…表示这是可变参数。

传入的cmd的值不同, 后面追加的参数也不相同。

fcntl函数有5种功能:

• 复制一个现有的描述符（cmd=F_DUPFD）.
• 获得/设置文件描述符标记(cmd=F_GETFD或F_SETFD).
• 获得/设置文件状态标记(cmd=F_GETFL或F_SETFL).
• 获得/设置异步I/O所有权(cmd=F_GETOWN或F_SETOWN).
• 获得/设置记录锁(cmd=F_GETLK,F_SETLK或F_SETLKW).

这里我们要改的是文件的状态，也就是阻塞还是非阻塞，所以等会用的就是第三行的F_GETFL和F_SETFL。F_GETFL是获取状态，F_SETFL是设置状态。

这里无论是普通文件、管道文件还是套接字文件，只要是文件描述符就行，fcntl都可以将对应文件状态设置成非阻塞模式。

函数返回值：

下面来写写代码。

先来看一个基本的阻塞IO：

上面0就是标准输入，这就不细讲了，最开始给的那篇博客中有。

此时运行起来就会阻塞在这里：

因为一直在等待键盘对应文件的资源就绪，输入了之后才等于是资源就绪了：

然后再来搞一下非阻塞，简单封装一下fcntl：

这里就是对F_GETFL和F_SETFL的使用，先用F_GETFL获取原先文件描述符对应文件的状态，然后再用F_SETFL来设置文件状态，就是再添加一个非阻塞的标志位，像位图一样，用一个 | 就行，在原始的f1标志位上新增一个非阻塞的标志位，不影响其他标志位。

在前面对0设置非阻塞：

运行：

一直在打印err。

不过打印太快了，加一个sleep控制一下：

这样打印的慢一点：

我输入后也可以读取：

但是用起来有点怪，因为打印的时候是往屏幕上打的，输入的时候也是要在屏幕上显示。

所以非阻塞的时候是IO函数是以出错的形式返回，告知上层数据没有就绪，如果数据就绪了话，正常读取就行。那么我们如何甄别是真的出错了还因为数据没有准备就绪呢？

出错不仅仅通过read的返回值判断的，出错了系统还会设置errno，所以还可以通过errno来判断是什么问题。

运行：

所以如果read失败的errno是11，就代表其实read没出错，不过是底层数据没有就绪，所以 s <= 0的时候可以再判断一下errno是否等于11。不过可以不用数字，刚刚再介绍非阻塞的时候说了一个EWOULDBLOCK字段，这个字段的值其实就是11：

很多地方判断errno是否是11都是这样用的：

send、recv等IO函数非阻塞的时候也会返回这个EWOULDBLOCK，但是我感觉这两个一个就够了，如果有懂的老铁可以在评论给我解答一下吗，谢谢了。

运行：

还有一个很重要的字段，EINTER，就是interrupt，被打断了，用于在等的阶段被其他东西打断了，比如说进程/线程可能收到某个信号，此时os就会将进程/线程唤醒去处理信号，可是处理信号了就不回来了，此时errno就会被设置成EINTER，表示中断了，所以也可以再添加一个：

相当于是IO没读完就被中断了，需要重新读取。所以二者都是正常情况，直接continue就行。但我这里整不出来相关的场景，就不演示了。

多路转接

select用的稍微多一点，但是工作中也不会直接从0开始写，不过这里还是要写写这个了解一下过程，方便理解。

select是Linux提供的多路转接方案中的一种，根据前面所讲的赵六，一次可以等多个文件描述符，那么select功能就有两个：

1. 帮助用户进行一次等待多个文件fd
2. 当哪些文件fd就绪了，select就要通知用户对应就绪的fd有哪些

然后用户再调用recv/read这样的函数进行数据读取，记住多路转接是为我们提供一个更高效的等待方案，一次可以等多个文件描述符。

认识一下select接口：

select介绍

展开来看：

select作用就是让os注意多个文件描述符，如果有文件描述符就绪了就告诉用户哪个就绪了。

挑着讲：

第一个参数nfds是你让os注意的最大文件描述符 + 1。

• 比如说最大文件描述符的值为5，那么nfds就是6（0、1、2、3、4、5正好六个）

返回值就是就绪的fd的个数，有3个就绪了就是3，有5个就绪了就是5，1个就绪了就是1，至少有一个fd数据就绪/空间就绪了就可以返回了。

后四个参数都是输入输出型参数，先来说最后一个timeout，其类型为timeval的结构体：

其中tv_sec单位是以秒，tv_usec单位是微秒。
这个结构体可以配合着gettimeofday来用：

这个函数可以获取当前系统的时间戳，传一个timeval结构体来获取参数为tz区域的时间，tz给空就是本地的时间。带着C语言中的time函数演示一下：


打印出来前面秒级别的和C中的time一样，.后面的是微秒级别的
再说回最后一个参数timeout

这个参数可以设置等待多个参数的策略，有三种：

1. 阻塞式IO，timeout设置为空。
2. 非阻塞式IO，timeout设置为{0, 0}。
3. timeout规定时间内阻塞，时间一到立马返回，比如说设置为{5, 0}，就是5s。5s是输入性参数的含义，还有输出型参数的含义：若等待时间内有fd就绪，timeout就表示剩余多少时间，比如说设置5s，2s时有文件就绪，那么time此时就是{3, 0}，也就是剩余三秒。

中间三个参数：

• 三个参数，分别对应有文件的读事件，写事件和异常事件，类型都是fd_set，是一个系统提供的类型，底层是位图，每一个比特位表示一个文件描述符的状态，等会细讲。
• 作为输入的时候是用户告诉内核，你要帮我关心哪个/哪些fd上的那种事件。作为输出时，就是内核告诉用户，我所关心的fd中，哪些fd上的哪类时间已经就绪了。
• 先来说说fd_set：
  
  系统是用一个定长的数组来表示的位图。结构体是由系统提供的，用户不能直接对其进行按位与、按位或等操作，而是用系统提供的方法：
  
  这四个函数作用分别是：CLR清除一个文件描述符，ISSET判断某个文件描述符在不在位图中，SET设置一个文件描述符，ZERO将文件描述符清空。

看一下系统中的fd_set最多能容纳多少个文件描述符：

这里乘以8是因为sizeof求的是字节数，而位图是看有多少比特位的，一个字节8位：

.
.
再来看这三个参数

三个参数在用法上都是一样的，我就挑readfds来说，就是读文件描述符集。
a. 作为输入型参数时，是用户通知内核，我的比特位中，比特位的位置就表示文件描述符的值，比特位的内容表示是否关心，比如说 0000 1010，左边是高位，右边是低位，低位从0开始，这里就是指0 ~ 7的文件描述符，这里就表示0、2、4、5、6、7号文件描述符不关心读，1、3关心读。
b. 输出的时候内核告诉用户，用户你让我关心的多个fd有结果了，比特位的位置依旧表示文件描述符的值，比特位的内容表示是否就绪，比如说刚刚让os关心1号和3号，如果只有三号就绪，返回的就是0000 1000，表示用户可以直接读取3号而不会发送阻塞。

故用户和内核都修改同一个位图结构，所以这个参数用一次之后一定需要进行重新设定，剩下的三个一样，如果既关心读又关心写，就可以同时把文件描述符加到其中，虽然这样的情况很少，下面就来写写代码，等会肯定是写一会就写不下去了，因为还没说select的一般的编写代码的模式（直接将模式的话不能理解，得先见见select怎么用）。

简易select服务器

关于怎么写服务器不再详谈，我前面的博客中有，不懂的同学请自行查看。

我这里就直接用我前面封装好的套接字接口来写了，两个现成的文件：

打印日志：

#pragma once
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <ctime>
#include <cstdarg>#include <unistd.h>#include <vector>// 文件名
#define _F __FILE__
// 所在行
#define _L __LINE__enum level
{DEBUG, // 0NORMAL, // 1WARING, // 2ERROR, // 3FATAL // 4
};std::vector<const char*> gLevelMap = {"DEBUG","NORMAL","WARING","ERROR","FATAL"
};#define FILE_NAME "./log.txt"void LogMessage(int level, const char* file, int line, const char* format, ...)
{
#ifdef NO_DEBUGif(level == DEBUG)  return;
#endif// 固定格式char FixBuffer[512];time_t tm = time(nullptr);// 日志级别 时间 哪一个文件 哪一行snprintf(FixBuffer, sizeof(FixBuffer), \"<%s>==[file->%s] [line->%d] ----------------------------------- time:: %s", gLevelMap[level], file, line, ctime(&tm));// 用户自定义格式char DefBuffer[512];va_list args; // 定义一个可变参数va_start(args, format); // 用format初始化可变参数vsnprintf(DefBuffer, sizeof DefBuffer, format, args); // 将可变参数格式化打印到DefBuffer中va_end(args); // 销毁可变参数// 往显示器打printf("%s\t=\n\t=> %s\n\n\n", FixBuffer, DefBuffer);// 往文件中打// FILE* pf = fopen(FILE_NAME, "a");// fprintf(pf, "%s\t==> %s\n\n\n", FixBuffer, DefBuffer);// fclose(pf);
}

套接字相关：

#pragma once
#include "LogMessage.hpp"#include <iostream>
#include <string>
#include <memory>#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>#include <unistd.h>// 对套接字相关的接口进行封装
class Sock
{
private:static const int gBackLog = 20;public:// 1. 创建套接字static int Socket(){/*先AF_INET确定网络通信*/  /*这里用的是TCP，所以用SOCK_STREAM*/int listenSock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);// 创建失败返回-1if(listenSock == -1){LogMessage(FATAL, _F, _L, "server create socket fail");exit(2);}LogMessage(DEBUG, _F, _L, "server create socket success, listen sock::%d", listenSock);// 创建成功return listenSock;}// 2. bind 绑定IP和portstatic void Bind(int listenSock, uint16_t port, const std::string& ip = "0.0.0.0"){sockaddr_in local; // 各个字段填充memset(&local, 0, sizeof(local));// 若为空字符串就绑定当前主机所有IPlocal.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip.c_str());local.sin_port = htons(port);local.sin_family = AF_INET;/*填充好了绑定*/if(bind(listenSock, reinterpret_cast<sockaddr*>(&local), sizeof(local)) < 0){LogMessage(FATAL, _F, _L, "server bind IP+port fail :: %d:%s", errno, strerror(errno));exit(3);}LogMessage(DEBUG, _F, _L, "server bind IP+port success");}// 3. listen为套接字设置监听状态static void Listen(int listenSock){if(listen(listenSock, gBackLog/*后面再详谈listen第二个参数*/) < 0){LogMessage(FATAL, _F, _L, "srever listen fail");exit(4);}LogMessage(NORMAL, _F, _L, "server init success");}// 4.accept接收连接           输出型参数，返回客户端的IP + portstatic int Accept(int listenSock, std::string &clientIp, uint16_t &clientPort){/*客户端相关字段*/sockaddr_in clientMessage;socklen_t clientLen = sizeof(clientMessage);memset(&clientMessage, 0, clientLen);// 接收连接int serverSock = accept(listenSock, reinterpret_cast<sockaddr*>(&clientMessage), &clientLen);// 对端的IP和port信息clientIp = inet_ntoa(clientMessage.sin_addr);clientPort = ntohs(clientMessage.sin_port);if(serverSock < 0){// 这里没连接上不能说直接退出，就像张三没有揽到某个客人餐馆就不干了，所以日志等级为ERRORLogMessage(ERROR, _F, _L, "server accept connection fail");return -1;}else{LogMessage(NORMAL, _F, _L, "server accept connection success ::[%s:%d] server sock::%d", \clientIp.c_str(), clientPort,serverSock);}return serverSock;}};

然后对服务器简单封装一下：

这里还剩下一步accept就可以进行通信了，但是有个问题，这一篇要讲高级IO，如果直接accept就会导致服务器阻塞在accept处等待连接。想要高级一点，那就不要阻塞，用select来进行多路转接，此处我们是知道除了0、1、2这三个文件描述符就只有一个_listenSock了，后面文件描述符会随着不断地accept而越来越多，是一个动态增加的过程，而且这里的动态增长完全是通过listenSock来实现的。

前面讲TCP的时候，通信前要进行三次握手，而三次握手本质上也是在通信（握手报文的通信），获取新的连接，在IO角度来看，就是input事件，对于连接的input，所以listenSock读事件就绪，对应的就是能获取新连接了，对应到普通文件的读事件就绪就是能进行读取。

如果没有连接到来，accept就会阻塞，和前面讲的read阻塞是一样的，都是等这个listenSock文件描述符，所以这里就不能直接调用accept了，因为调了进程就会自己去等。

所以这里也要把listenSock当成一个普通的文件描述符加入到select中去，让select帮进程等，select只要告诉用户listenSock就绪了，就直接调用accept，这样accept就不会再阻塞了，所以这里要先调用select。

本篇所讲的select相对于epoll来说没有那么重要，所以只演示一下读文件描述符集，等后面讲epoll了再将三个文件描述符集都演示一下。

timeout 为 nullptr

调用select：

这里根据select的返回值来选择该干什么事情：

这样运行起来的话会先阻塞：

用telnet连接：

会死循环打印listenSock的读已经准备好了。

因为连接上了以后一直没有取走连接，底层中listenSock对应的资源一直是就绪的，就是连接已经建立完成了，accept一直没有取走底层对应连接的文件描述符，所以select要一直通知你赶紧调用select。

timeout 为 {0, 0}

先不调用accept，把timeout改成{0,0}看看：

刚运行起来就一直打印time out：

因为这里timeout设置成{0, 0}就是非阻塞等待，和前面的非阻塞的read一样，所以一般不这么用。

timeout 为 {5, 0}

我再来把timeout改成{5, 0}：

刚运行没问题：

但是5s后又开始疯狂打印了：

因为timeout参数是输入输出型的，第一次作为输出参数会被改成{0, 0}，而我刚刚故意将tv的定义放在了while外面，所以就会导致后续的tv都变成{0, 0}，这样就会和上面的情况一样，变成了非阻塞IO，所以要把tv定义放在while中或者在while中更新tv中的值：

这样就不会那么快：

调用accept

再来说回timeout为nullptr的情况：

因为接收连接后还会有后续动作，所以再给一个函数把后续动作放到一起更方便观察，这里我们是知道只有一个listenSock的，所以写的简单点，等后面有新场景了再做修改：

运行起来：

一切正常。

这里我故意把通信过程留下来了，请问通信的时候能直接recv/read吗？
很显然是不能的，我前面写的TCP服务器至少都是创建进程/线程去专门负责读取，更不用谈现在单进程的情况下想直接读了，我们这里想实现一个单线程既能实现监听又能实现接受连接的，但当前状态下单线程直接读，如果用户不发消息进程直接就阻塞了，没办法向后执行，也就无法处理新的连接，本质原因还是我们不清楚sock上面数据什么时候到来，但是如果把sock也能放到select中select就清楚什么时候到来。

所以得到新的连接后，此时我应该考虑的是将新的sock托管给select，让select帮我们进行监测sock上是否有新数据，有了新数据select就会通知我，此时再进行读取就不会再阻塞，但是如何把新的sock交给select呢？以现在的写法无法实现。

前面说了，写一半就写不下去了，下面就得讲讲select编写代码的一般流程了。

select编写代码的一般流程

再看看这个接口：

1. 第一个参数nfds，随着我们获取的sock越来越多，需要添加到select中的sock也就会越来越多，那么就注定了每一次调用select时nfds都可能要改变，所以要对nfds动态计算。

2. readfds/writefds/exceptfds都是输入输出参数，输入和输出不一定会一样，比如说传入1111，输出0010，那再次输入的时候还要改成1111，所以我们每一次都要对rfds重新添加。

3. timeout，也是输入输出，如果设置了时间，每次都要重置。

对于1、2两点而言，主要原因是文件描述符可能每次都在变，想要完全掌握其变化就要自己将合法的文件描述符全部保存起来，用来支持更新最大fd和更新位图结构。

所以select服务器编写的时候：
需要一个第三方数组用来保存所有合法的fd，数组就是select能同时监听的fd个数（元素个数）。我这里等会就直接用原生数组来实现了，也可以用vector，会更方便一点，但至于为什么用原生数组等会写完了再说。

上面的流程大致如下：
while(1)
{

1. 遍历数组，更新最大的fd，用于select中第一个参数
2. 遍历数组，添加所有需要关心的fd到fd_set位图中，用于select第二个参数
3. 调用select进行实践检测
4. 遍历数组，找到就绪的事件，根据就绪的事件完成对应的动作。
   }

重写

这里直接将数组开完整，select最大能监听的文件描述符的个数为1024个，也就是fd_set位图的位数大小，前面也讲过了。用这个数组来存放合法的sock（合法就是指能用的）。

构造函数里面初始化一下：

那么代码就要改改了：

每次都打印一下其中有效的文件描述符：

每次都要对数组进行操作，变化的就是红框中的：

EventHandler也要改：

想要将sock添加到select中，其实只要将sock放到数组中就行，EventHandler调用完毕后会循环回去，遍历后就会放到位图中。

将新的连接加入select中：

测试一下，刚运行：

连一个：

连两个：

很正常。

每次进行select的时候，若有文件描述符就绪，会有两种情况：

1. 就绪的是listenSock
2. 就绪的是sock

这两种文件描述符是不同的情况，处理方式也是不同的。listenSock是用来获取连接的，sock是用来通信时读取用户数据的。

那么EventHandler处理就绪的文件描述符时要先遍历一下_fdArray，找到合法的文件描述符并判断文件描述符是否在os输出的rfds中（用来判断有效的文件描述符是否就绪），若在，还要判断是listenSock还是普通通信的sock，如果是listenSock就要接收连接，如果是sock，就要进行读取。分两种方式，那么刚刚实现的EventHandler只是实现了接收连接，读取还没有实现，这两个方法完全可以再实现成两个函数，一个reader用来实现读取，一个accepter用来实现接收连接。

把这两个函数实现给出：

其实接收连接就是刚刚写的代码。

获取数据：

这样本次读取的时候就不会再阻塞。

然后EventHandler改成：

测试一下，刚运行(这里接收到连接后的listenSock is ready忘改了，你懂我就行)：

连接一个：

连接两个：

连接三个：

第一个连接通信：

第二个连接通信：

第三个连接通信：

挨个退出：

成功。

其实上面的read是有bug的，因为传输层TCP是面向字节流的，不能保证每次读取到的是一个完整的报文，就像我前面的网络版本计算器一样，应用层需要自己手动定制协议，不软会出现粘包问题，这里就不改了，等后面讲epoll的博客再解决这个问题。

上面的select服务器是一个单进程单线程的服务器，但是依旧能并发的执行任务。

如果想要引入写呢？也就是writefds参数。
简单说一下思路，就是再定义一个_wrArray数组，用来保存写的文件描述符，后续的流程和_rdArray差不多。这里就不细说了，等后面讲epoll了再说。

完整代码

服务器头文件：

#include "Sock.hpp"
#include <assert.h>#define NUM (sizeof(fd_set) * 8) // 数组元素个数
#define FD_NONE -1 // 数组初始化的值，表明没有这个fdclass SelectServer
{
public:SelectServer(uint16_t port = 8080):_port(port){// 创建套接字_listenSock = Sock::Socket();// bind绑定Sock::Bind(_listenSock, _port);// 设置监听状态Sock::Listen(_listenSock);// 对_rdArray数组初始化for(int i = 0; i < NUM; ++i){_rdArray[i] = FD_NONE; // 每一个都设置成FD_NONE，表明某一位没有文件描述符}// 规定第一个位为_listenSock，因为_listenSock一直存在_rdArray[0] = _listenSock;}void Start(){while(1){showFds(); // 每次打印一下数组中有效的fdfd_set rfds; // 读文件描述符集FD_ZERO(&rfds); // 初始化// 找出最大的文件描述符int maxfd = _listenSock;for(int i = 0; i < NUM; ++i){if(_rdArray[i] == FD_NONE) continue;// 找出最大的文件描述符if(maxfd < _rdArray[i]) maxfd = _rdArray[i];// 有效的文件描述符设置到select中FD_SET(_rdArray[i], &rfds);}int n = select(maxfd + 1, &rfds, nullptr, nullptr, nullptr);// select第一个参数为最大文件描述符 + 1，这里最大的文件描述符就是maxfd// 中间只关心读文件描述符集，所以只搞了一个，后面两个都是空// 最后一个是timeout，先演示一下nullptr为空，阻塞等待// timeval tv;// tv.tv_sec = 5;// tv.tv_usec = 0;// int n = select(_listenSock + 1, &rfds, nullptr, nullptr, &tv);switch(n){case 0:LogMessage(DEBUG, _F, _L, "time out");break;case -1:LogMessage(ERROR, _F, _L, "select err, errno::%d, strerror::", errno, strerror(errno));break;default:LogMessage(NORMAL, _F, _L, "fd is ready");EventHandler(rfds);break;}}}void EventHandler(fd_set& rfds){for(int i = 0; i < NUM; ++i){// 是否有效if(_rdArray[i] == FD_NONE) continue;// 是否就绪if(FD_ISSET(_rdArray[i], &rfds)){if(i == 0)// 是listenSock{Accepter();}else // 是通信的sock{Reader(i);}}}// if(FD_ISSET(_listenSock, &rfds))// {//     // 客户端IP + 端口//     std::string clientIP;//     uint16_t clientPort;//     int sock = Sock::Accept(_listenSock, clientIP, clientPort);//     assert(sock >= 0);//     LogMessage(NORMAL, _F, _L, "get link -->client[%s:%d]", clientIP.c_str(), clientPort);//     // 通信过程...//     int pos = 1;//     for(; pos < NUM; ++pos)//     {// 找FD_NONE//         if(_rdArray[pos] == FD_NONE) break;//     }//     if(pos == NUM)//     {// 没找到//         std::cout << "文件描述符集已满, 无法继续接收连接" << std::endl;//         close(sock);//         return;//     }//     else//     {// 找到了//         std::cout << "new fd::" << sock << std::endl;//         _rdArray[pos] = sock;//     }// }}void Accepter(){// 客户端IP + 端口std::string clientIP;uint16_t clientPort;int sock = Sock::Accept(_listenSock, clientIP, clientPort);assert(sock >= 0);LogMessage(NORMAL, _F, _L, "get link -->client[%s:%d]", clientIP.c_str(), clientPort);// 通信过程...int pos = 1;for(; pos < NUM; ++pos){// 找FD_NONEif(_rdArray[pos] == FD_NONE) break;}if(pos == NUM){// 没找到std::cout << "文件描述符集已满, 无法继续接收连接" << std::endl;close(sock);return;}else{// 找到了std::cout << "new fd::" << sock << std::endl;_rdArray[pos] = sock;}}void Reader(int pos){char buff[128] = {0};ssize_t res = read(_rdArray[pos], buff, sizeof(buff) - 1);if(res > 0){// 读取到数据buff[res - 1] = 0;printf("get client[%d] message # %s\n", _rdArray[pos], buff);}else if(res == 0){// 对端关闭连接printf("client[%d] closed, me too\n", _rdArray[pos]);close(_rdArray[pos]);// 记得要把数组中对应位置置为FD_NONE_rdArray[pos] = FD_NONE;}else{// read出错printf("read err, close client[%d]\n", _rdArray[pos]);std::cout << "read err ::" << errno << strerror(errno) << std::endl; close(_rdArray[pos]);// 记得要把数组中对应位置置为FD_NONE_rdArray[pos] = FD_NONE;}}void showFds(){std::cout << "fds ::";for(auto e : _rdArray){if(e == FD_NONE) continue;std::cout << e << ' ';}std::cout << std::endl;}~SelectServer(){if(_listenSock >= 0){close(_listenSock);}}private:uint16_t _port;int _listenSock;int _rdArray[NUM];
};

主函数：

#include "SelectServer.hpp"
#include <memory>int main()
{std::unique_ptr<SelectServer> pss(new SelectServer);pss->Start();return 0;
}

select优缺点

优点：

1. 效率高，相比于前面多线程多进程的服务器，select服务器比多进/线程服务器效率会更高。select()函数可以同时等待多个文件描述符，而不需要建立多个线程、进程就可以实现一对多的通信。但是select放在整个多路转接中的效率还是一般的，好的都在后面讲。
2. 应用场景：有大量的连接，但是只有少量是活跃的。前面的多进程/多线程服务器，有一个连接就要维护一个进程/线程的空间，对于资源的消耗会很大。但这里select不需要维护这些空间，只有一个线程。

其实任何一个多路转接都具备上述两个优点。

缺点：

1. 为了维护第三方数组，select服务器会充满大量的遍历，os底层帮我们关心fd的时候也要遍历。
2. 每一次都要对select参数进行重新设定
3. 能够同时管理的fd的个数是有上限的，一千多个，有点少，中小型应用还好，用户量一大就扛不住。
4. 因为几乎每一个参数都是输入输出型，select一定会频繁的进行用户到内核，内核到用户的参数数据拷贝。
5. 编写代码比较复杂，主要还是前面4个缺点导致的。

poll可以解决这里的部分缺点。下面就来说说poll。

poll

poll也是多路转接的方案，也是只负责IO中的等。

poll将输入输出参数做了分离，不用再对参数重新设定了。而且解决了同时管理fd个数上限的问题。

三个参数。fds是看成数组，nfds就是数组中元素的个数。等会细说pollfd结构体。

timeout是一个毫秒级别的时间单位，比如说你传一个1000，就是未就绪1s后超时，如果传0就是非阻塞，如果传-1就是阻塞。

poll返回值大于零，是几就是几个文件描述符就绪了。
等于零，超时。
小于零，poll失败，代码写错了，比如根本不存在5号文件描述符但是你把文件描述符添加到了第一个参数数组中。

poll也是负责两个大问题：

1. 用户告诉内核，你要帮我关心哪些fd的哪些事件
2. 内核告诉用户，哪些事件已经就绪了。

第一个参数fds就能解决这两个问题。

这个数组中元素类型为pollfd：

三个成员：
fd就是文件描述符，不管是用户到内核还是内核到用户，都不会修改fd。
events就是你要让os关心的fd的什么事件，是一个输入型参数。
revents算是一个输出型参数，表明你要让os关心的fd中的事件是否就绪。
这样每次调用poll的时候就不会像select那样重新初始化了。

select中有读、写、异常这样的事件，events如何表示这类事件呢？
想一想文件操作open，当我们想要打开文件的标记位，就是用或运算，比如O_CREAT，O_WRONLY，O_RDONLY这样的标记位。同理，poll用的也是这样的宏来表示某种特定事件：

我已经把常用的标出来了。in、out就是读写，err就是错误。剩下的都是一些属于异常范畴的，因为event类型为short，只有16个位，所以最多只能有16中标记。上面这些每一个都是宏，用或即可添加选项。

看看POLLPRI，高优先级数据可读，前面我讲TCP报头的时候其中有一个urg标志位，还有一个紧急指针，在这里就可配合POLLPRI来实现。

来一个示例：

#include <poll.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
int main()
{// 这里就监测一下标准输入，就不搞那么多文件描述符了struct pollfd poll_fd;poll_fd.fd = 0;poll_fd.events = POLLIN; // 标准输入的读事件for (;;){// 每隔一秒poll一次int ret = poll(&poll_fd, 1, 1000);if (ret < 0){ // poll错误perror("poll");continue;}if (ret == 0){ // 超时printf("poll timeout\n");continue;}// 事件准备就绪if (poll_fd.revents == POLLIN){// 判断一下是不是读事件就绪了char buf[1024] = {0};read(0, buf, sizeof(buf) - 1);printf("stdin:%s", buf);}}
}

运行：

下面来写写poll服务器，其实和select还是有点像的，写起来比select简单一点，这里用一下select的大致框架：

其中一些函数参数如果用到了再添加。

首先poll要有一个数组，元素类型为pollfd：

构造函数初始化：

打印有效文件描述符：

启动：

EventHandler：

接收连接：

读取数据：

测试，连一个：

连两个：

连三个：

发消息：

挨个退：

正常。

完整代码：
服务器封装的头文件：

#include "Sock.hpp"
#include <assert.h>
#include <poll.h>#define FD_NONE -1 // 每个fd的初始化的值
#define NFDS 100 // 数组元素个数class PollServer
{
public:PollServer(uint16_t port = 8080): _port(port), _nfds(NFDS){// 创建套接字_listenSock = Sock::Socket();// bind绑定Sock::Bind(_listenSock, _port);// 设置监听状态Sock::Listen(_listenSock);// 开辟空间_fds = new pollfd[_nfds];for(int i = 0; i < _nfds; ++i){ // 初始化_fds[i].fd = FD_NONE;_fds[i].events = _fds[i].revents = 0;}// 第零个位置给成listenSock_fds[0].fd = _listenSock;_fds[0].events = POLLIN; // 关系listenSock的读}void showFds(){std::cout << "fds:: ";for(int i = 0; i < _nfds; ++i){if(_fds[i].fd == FD_NONE) continue;std::cout << _fds[i].fd << ' ';}std::cout << std::endl;}void Start(){while(1){showFds();// 1s间隔int res = poll(_fds, _nfds, -1);if(res > 0){ // 有文件描述符就绪std::cout << "some fds' ready" << std::endl;EventHandler();}else if(res == 0){ // 超时std::cout << "time out" << std::endl;}else{ // poll出错printf("poll err, errno[%d], strerror::%s", errno, strerror(errno));}}}void EventHandler(){for(int i = 0; i < _nfds; ++i){// 第i位不是有效文件描述符if(_fds[i].fd == FD_NONE) continue;// 读事件时候就绪if(_fds[i].revents & POLLIN){if(i == 0)Accepter();elseReader(i);                }}}// 接收连接void Accepter(){// 获取连接std::string clientIP;uint16_t clientPort;int sock = Sock::Accept(_listenSock, clientIP, clientPort);// 找空位置放sockint pos = 1;for(; pos < _nfds; ++pos){if(_fds[pos].fd == FD_NONE) break;}if(pos == _nfds){ // 没找到，不过这里也可以选择对_fds进行扩容，但是我懒得搞了，你要是有兴趣可以自己搞一下std::cout << "_nfds is full" << std::endl;close(sock);}else{ // 找到了std::cout << "get a new link ::" << sock << std::endl;_fds[pos].fd = sock;_fds[pos].events = POLLIN;}}// 读取数据void Reader(int pos){char buff[128];int res = read(_fds[pos].fd, buff, sizeof(buff) - 1);if(res > 0){ // 读取到数据buff[res] = 0;std::cout << "client #" << buff << std::endl;}else if(res == 0){ // 对端关闭连接std::cout << "clinet closed" << std::endl;// 记得后续工作close(_fds[pos].fd);_fds[pos].fd = FD_NONE;_fds[pos].events = _fds[pos].events = 0;}else{ // 读取出错printf("read err, errno[%d], strerror::%s", errno, strerror(errno));// 记得后续工作close(_fds[pos].fd);_fds[pos].fd = FD_NONE;_fds[pos].events = _fds[pos].events = 0;}}~PollServer(){if(_listenSock >= 0) close(_listenSock);if(_fds != nullptr) delete[] _fds;}private:uint16_t _port;int _listenSock;pollfd *_fds;int _nfds;
};

主函数：

#include "PollServer.hpp"
#include <memory>int main()
{std::unique_ptr<PollServer> pps(new PollServer);pps->Start();return 0;
}

poll的优缺点

优点：

1. 效率高（更select一样）

2. 适用场景：有大量的连接但是只有少量连接是活跃的，节省资源

3. 输入输出参数是分离的，不需要进行大量的重置。

4. poll参数nfds可以自行设定，没有上限（除非内存不够）。

缺点：

1. poll依旧需要不少的遍历，在用户层监测事件就绪与内核监测fd就绪，都是一样的，当只有几个就绪时就要将整个数组遍历一遍，效率比较低（连接越多越低）

2. poll需要用户和内核进行拷贝，更多的是需要内核到用户的拷贝，少不了的。

3. poll代码比select容易，但还是有点复杂

最需要关心的缺点就是第一点，用户还是要维护数组。

为了解决上述问题，epoll出现了，强化版本的poll，要比poll强得多，关于epoll下一篇再详细说。

本篇就先讲到这里。下一篇详细讲解多路转接中最重要的epoll。

到此结束。。。