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。

在这里插入图片描述

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。