多路转接之select(fd_set介绍,参数详细介绍),实现非阻塞式网络通信

目录

多路转接之select

引入

介绍

fd_set

函数原型

nfds

readfds / writefds / exceptfds

readfds 

总结 

fd_set操作接口 

timeout

timevalue 结构体

传入值

返回值

代码

注意点 -- 调用函数

select的参数填充 

获取新连接

注意点 -- 通信时的调用函数

添加新fd到位图中

处理函数

---

多路转接之select

引入

io本质+io效率本质,5种io模型(介绍,异步/同步区别,阻塞/非阻塞区别)-CSDN博客

以前使用的io接口,既完成等待,又完成拷贝

但在多路转接的io方式中不同,分为两个部分,需要调用两个函数来完成

介绍

select只负责等待,一次可以等待多个fd

• 就像之前钓鱼例子中的d,他拥有多个鱼竿,就相当于等待多个fd

既然可以关注多个fd,自然参数中就要使用其他数据结构了 -- fd_set

fd_set

内核提供的一种数据类型

• 位图

因为fd_set是一个具体的类型

• 既然是类型,就一定有大小
• 有大小就会有比特位的数量
• 也就相当于可以等待的文件fd值和文件数量是有上限的

使用sizeof测试fd_set的大小,得到它是1024个bit

• 所以一次最多等待1024个文件的某个事件
• 这个值随着系统不同会有变化,实际应该动态计算 -- sizeof(fd_set) * 8

函数原型

nfds

要等待的多个fd中的最大值+1

readfds / writefds / exceptfds

等待多个fd的关键,属于输入输出型参数

等待 -- 等待事件就绪

• 事件 -- 一般分为 读/写/有异常
• 只要读写事件就绪,就可以直接完成拷贝操作,不会阻塞住
• 异常事件是例外,需要特殊处理,这里不做介绍

如果想关注某个文件上的读事件,就把该文件的fd设置进readfds

• 其他同理
• 可以关注同一个文件上的多个事件,也可以分顺序地关注,总之设置进相应位图中就行

接下来我们以readfds为例,详细介绍一下,其他位图同理 

readfds 

fd本身就是从0开始的数字

• 和数组下标/位图均可以一一对应

因为是输入输出型参数:

输入时

• 我们要告诉内核需要关注的fd集,你要帮我关心这些文件上面的读事件 + 这是个位图结构 + fd和位图可以对应
• 所以,可以得出,位图上的比特位位置(从左向右,从0开始) 对应 文件的fd值
• 只要该位设置为1,就是我们想让内核关注该文件
• eg:我们要关注0,1,2,3这四个文件:
• 

输出时

• 内核要告诉我们,关注的fd集中有哪些fd上的读事件已经就绪 + 返回的也是个位图结构
• 所以,对应关系依然没有变,但代表的含义不同
• 如果该位为1,说明该文件上的读事件已经就绪
• 内核会先将位图清零,然后将[读事件已经就绪的文件]的fd值 对应的 比特位 置1
• eg:四个文件中,fd=2的文件的读事件就绪:
• 

总结 

所以,总结来说,fd_set这张位图,是让用户和内核之间互相传递信息的

• 那么,在使用select函数的过程中,一定会涉及大量的位图操作

fd_set操作接口 

为了让用户更方便,内核为我们提供了接口

timeout

设置select的等待方式

每隔若干秒,timeout一次,timeout后 / 有文件就绪后函数会返回

timevalue 结构体

在gettimeofday()中也有使用这个类型作为参数:

• 
• 获取特定时区下的特定时间,精确到微秒级别

• 时间戳 -- 秒单位和微妙单位 
• 比如传入参数{5,0},代表设置时间戳为5s

传入值

• 设置>0 -- 每隔一段时间timeout一次,比如5s
• 设置为0 -- 非阻塞(select立即返回)
• 设置为NULL -- 阻塞等待,直到有文件就绪

如果设置(非NULL)了该时间

• 则为输入输出型参数
• 如果在等待的中途有文件就绪,则返回[timeout时间-已经等待时间],也就是[距离超时时间的剩余时间 ]

返回值

• >0 -- 有n个fd就绪
• =0 -- 超时,等待过程中没有错误,也没有fd就绪
• <0 -- 等待出错(要等待的某个文件已经关闭了)

代码

我们这里实现一个非阻塞版网络通信

注意点 -- 调用函数

创建好套接字后,不能直接accept  

• accept本质就是在检测并获取listensock上面的事件
• 但我们这里目的就是要让select去等待事件(有事件了再去通知我们来获取,这时候调用accept就不会被阻塞了)
• 所以不能先调用accept

这里的事件:

• = 新连接到来 = 三次握手完成,系统把新连接投递到全连接队列里 = select里的读事件
• 所以我们先调用select等待读事件

select的参数填充 

这里是服务器刚启动时,是我们需要让listensocket检测并获取新连接(新客户端与当前服务器通信)

• 所以,等待的是listensocket上的读事件,并且当前只有这一个套接字
• 所以,max_fd=listensocket_fd+1
• 等有客户端连接后,会有新的套接字被创建(通信时使用的套接字),就需要添加检测这些套接字上的读写事件了(后面会细说)

因为timeout是输入输出型参数

• 一旦超时/当前有事件就绪,就会修改timeout的值
• 所以,为了不影响下一次的等待方式,需要重复设置timeout参数

三个位图集也是同理,需要重复设置

• 不然会被修改成已经就绪的,而不代表需要内核关注的fd集

获取新连接

如果事件就绪,上层却不处理,select会一直通知

• 所以需要我们手动调用accept()去把新连接拿走(这个操作在我们新的处理函数中)

当然,我们无法确定是哪个fd就绪了

• 所以需要先判断
• 判断完成后,就可以拿到新连接,创建新套接字了 

注意点 -- 通信时的调用函数

接下来要开始通信了,原先我们的服务器是直接read,但这里不行

• 因为read是阻塞式等待,而我们要实现非阻塞式
• 而且一旦阻塞在这里,就无法获取新连接以及与其他客户端通信了(因为我们写的是单进程)
• 所以,还是需要使用select

添加新fd到位图中

当然,我们不能调用新的select

• 为什么?
• 一般都是在主循环处持续调用select,高效且简洁
• 如果使用多个select,会导致代码逻辑复杂化,也难以管理

所以,需要我们把这个新套接字的fd设置进刚才的select的位图中

• ​​​​​​​这一过程就相当于d在不断增加自己鱼竿的数量

但是,这两个数据在不同的函数中(我们在处理函数中获取新连接,而select的使用在主逻辑函数中),如何传递呢?

• 因为这两个函数都在类中,所以我们搞一个类内变量 -- 辅助数组
• 让新增的fd都添加进辅助数组中,然后让select每次动态设置max_fd,以及三个位图

可以固定监听套接字(也就是我们创建的第一个套接字)作为数组的第一项

• 方便我们后续区分[获取新连接] 和 [读写事件]

因为在过程中,可能会陆陆续续关掉一些文件

• 所以原本添加进的连续fd,会变成零零星星的
• 所以,需要我们每次都重新整理一下这个数组,把有效的fd统一放在左侧

我们每次在循环开头就处理数组中的值

• 合法的fd就让它设置进位图中
• 不仅如此,在这个过程中,我们还可以找到fd中的最大值,来填充select参数

解决了如何添加新fd的问题,接下来回到处理函数

处理函数

当我们识别到有事件就绪,获取连接后获得新套接字fd,之后就该将该fd设置进辅助数组中了

• 需要我们遍历数组,找到空位(值为-1/其他你设定的[数组内的初始值]),然后添加进去

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