IO多路复用之select

1、基本概念

IO多路复用是指内核一旦发现进程指定的一个或者多个IO条件准备读取,它就通知该进程。IO多路复用适用如下场合:

(1)当客户处理多个描述字时(一般是交互式输入和网络套接口),必须使用I/O复用。

(2)当一个客户同时处理多个套接口时,而这种情况是可能的,但很少出现。

(3)如果一个TCP服务器既要处理监听套接口,又要处理已连接套接口,一般也要用到I/O复用。

(4)如果一个服务器即要处理TCP,又要处理UDP,一般要使用I/O复用。

(5)如果一个服务器要处理多个服务或多个协议,一般要使用I/O复用。

与多进程和多线程技术相比,I/O多路复用技术的最大优势是系统开销小,系统不必创建进程/线程,也不必维护这些进程/线程,从而大大减小了系统的开销。

2、select函数

该函数准许进程指示内核等待多个事件中的任何一个发送,并只在有一个或多个事件发生或经历一段指定的时间后才唤醒。函数原型如下:

#include

#include

int select(int maxfdp1,fd_set *readset,fd_set *writeset,fd_set *exceptset,const struct timeval *timeout)

返回值:就绪描述符的数目,超时返回0,出错返回-1

函数参数介绍如下:

(1)第一个参数maxfdp1指定待测试的描述字个数,它的值是待测试的最大描述字加1(因此把该参数命名为maxfdp1),描述字0、1、2...maxfdp1-1均将被测试。

因为文件描述符是从0开始的。

(2)中间的三个参数readset、writeset和exceptset指定我们要让内核测试读、写和异常条件的描述字。如果对某一个的条件不感兴趣,就可以把它设为空指针。struct fd_set可以理解为一个集合,这个集合中存放的是文件描述符,可通过以下四个宏进行设置:

void FD_ZERO(fd_set *fdset);           //清空集合

void FD_SET(int fd, fd_set *fdset);   //将一个给定的文件描述符加入集合之中

void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset);   //将一个给定的文件描述符从集合中删除

int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset);   // 检查集合中指定的文件描述符是否可以读写

(3)timeout告知内核等待所指定描述字中的任何一个就绪可花多少时间。其timeval结构用于指定这段时间的秒数和微秒数。

    struct timeval{

          long tv_sec;  //seconds

          long tv_usec; //microseconds

    };

这个参数有三种可能:

(1)永远等待下去:仅在有一个描述字准备好I/O时才返回。为此,把该参数设置为空指针NULL。

(2)等待一段固定时间:在有一个描述字准备好I/O时返回,但是不超过由该参数所指向的timeval结构中指定的秒数和微秒数。

(3)根本不等待:检查描述字后立即返回,这称为轮询。为此,该参数必须指向一个timeval结构,而且其中的定时器值必须为0。

 原理图:

3、测试程序

写一个TCP回射程序,程序的功能是:客户端向服务器发送信息,服务器接收并原样发送给客户端,客户端显示出接收到的信息。

服务端程序如下:

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <string.h>

#include <errno.h>

#include <netinet/in.h>

#include <sys/socket.h>

#include <sys/select.h>

#include <sys/types.h>

#include <netinet/in.h>

#include <arpa/inet.h>

#include <unistd.h>

#include <assert.h>

#define IPADDR  "127.0.0.1"

#define PORT    8787

#define MAXLINE  1024

#define LISTENQ  5

#define SIZE    10

typedef struct server_context_st

{

  int cli_cnt;    /*客户端个数*/

  int clifds[SIZE];  /*客户端的个数*/

  fd_set allfds;  /*句柄集合*/

  int maxfd;    /*句柄最大值*/

} server_context_st;

static server_context_st *s_srv_ctx = NULL;

/*===========================================================================

* ==========================================================================*/

static int create_server_proc(const char* ip,int port)

{

  int fd;

  struct sockaddr_in servaddr;

  fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM,0);

  if (fd == -1) {

    fprintf(stderr, "create socket fail,erron:%d,reason:%s\n",

        errno, strerror(errno));

    return -1;

  }

  /*一个端口释放后会等待两分钟之后才能再被使用,SO_REUSEADDR是让端口释放后立即就可以被再次使用。*/

  int reuse = 1;

  if (setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &reuse, sizeof(reuse)) == -1) {

    return -1;

  }

  bzero(&servaddr,sizeof(servaddr));

  servaddr.sin_family = AF_INET;

  inet_pton(AF_INET,ip,&servaddr.sin_addr);

  servaddr.sin_port = htons(port);

  if (bind(fd,(struct sockaddr*)&servaddr,sizeof(servaddr)) == -1) {

    perror("bind error: ");

    return -1;

  }

  listen(fd,LISTENQ);

  return fd;

}

static int accept_client_proc(int srvfd)

{

  struct sockaddr_in cliaddr;

  socklen_t cliaddrlen;

  cliaddrlen = sizeof(cliaddr);

  int clifd = -1;

  printf("accpet clint proc is called.\n");

ACCEPT:

  clifd = accept(srvfd,(struct sockaddr*)&cliaddr,&cliaddrlen);

  if (clifd == -1) {

    if (errno == EINTR) {

      goto ACCEPT;

    } else {

      fprintf(stderr, "accept fail,error:%s\n", strerror(errno));

      return -1;

    }

  }

  fprintf(stdout, "accept a new client: %s:%d\n",

      inet_ntoa(cliaddr.sin_addr),cliaddr.sin_port);

  //将新的连接描述符添加到数组中

  int i = 0;

  for (i = 0; i < SIZE; i++) {

    if (s_srv_ctx->clifds[i] < 0) {

      s_srv_ctx->clifds[i] = clifd;

      s_srv_ctx->cli_cnt++;

      break;

    }

  }

  if (i == SIZE) {

    fprintf(stderr,"too many clients.\n");

    return -1;

  }

101 }

static int handle_client_msg(int fd, char *buf)

{

  assert(buf);

  printf("recv buf is :%s\n", buf);

  write(fd, buf, strlen(buf) +1);

  return 0;

}

static void recv_client_msg(fd_set *readfds)

{

  int i = 0, n = 0;

  int clifd;

  char buf[MAXLINE] = {0};

  for (i = 0;i <= s_srv_ctx->cli_cnt;i++) {

    clifd = s_srv_ctx->clifds[i];

    if (clifd < 0) {

      continue;

    }

    /*判断客户端套接字是否有数据*/

    if (FD_ISSET(clifd, readfds)) {

      //接收客户端发送的信息

      n = read(clifd, buf, MAXLINE);

      if (n <= 0) {

        /*n==0表示读取完成,客户都关闭套接字*/

        FD_CLR(clifd, &s_srv_ctx->allfds);

        close(clifd);

        s_srv_ctx->clifds[i] = -1;

        continue;

      }

      handle_client_msg(clifd, buf);

    }

  }

}

static void handle_client_proc(int srvfd)

{

  int clifd = -1;

  int retval = 0;

  fd_set *readfds = &s_srv_ctx->allfds;

  struct timeval tv;

  int i = 0;

  while (1) {

    /*每次调用select前都要重新设置文件描述符和时间,因为事件发生后,文件描述符和时间都被内核修改啦*/

    FD_ZERO(readfds);

    /*添加监听套接字*/

    FD_SET(srvfd, readfds);

    s_srv_ctx->maxfd = srvfd;

    tv.tv_sec = 30;

    tv.tv_usec = 0;

    /*添加客户端套接字*/

    for (i = 0; i < s_srv_ctx->cli_cnt; i++) {

      clifd = s_srv_ctx->clifds[i];

      /*去除无效的客户端句柄*/

      if (clifd != -1) {

        FD_SET(clifd, readfds);

      }

      s_srv_ctx->maxfd = (clifd > s_srv_ctx->maxfd ? clifd : s_srv_ctx->maxfd);

    }

    /*开始轮询接收处理服务端和客户端套接字*/

    retval = select(s_srv_ctx->maxfd + 1, readfds, NULL, NULL, &tv);

    if (retval == -1) {

      fprintf(stderr, "select error:%s.\n", strerror(errno));

      return;

    }

    if (retval == 0) {

      fprintf(stdout, "select is timeout.\n");

      continue;

    }

    if (FD_ISSET(srvfd, readfds)) {

      /*监听客户端请求*/

      accept_client_proc(srvfd);

    } else {

      /*接受处理客户端消息*/

      recv_client_msg(readfds);

    }

  }

}

static void server_uninit()

{

  if (s_srv_ctx) {

    free(s_srv_ctx);

    s_srv_ctx = NULL;

  }

}

static int server_init()

{

  s_srv_ctx = (server_context_st *)malloc(sizeof(server_context_st));

  if (s_srv_ctx == NULL) {

    return -1;

  }

  memset(s_srv_ctx, 0, sizeof(server_context_st));

  int i = 0;

  for (;i < SIZE; i++) {

    s_srv_ctx->clifds[i] = -1;

  }

  return 0;

}

int main(int argc,char *argv[])

{

  int srvfd;

  /*初始化服务端context*/

  if (server_init() < 0) {

    return -1;

  }

  /*创建服务,开始监听客户端请求*/

  srvfd = create_server_proc(IPADDR, PORT);

  if (srvfd < 0) {

    fprintf(stderr, "socket create or bind fail.\n");

    goto err;

  }

  /*开始接收并处理客户端请求*/

  handle_client_proc(srvfd);

  server_uninit();

  return 0;

err:

  server_uninit();

  return -1;

}

客户端程序如下:

#include <netinet/in.h>

#include <sys/socket.h>

#include <stdio.h>

#include <string.h>

#include <stdlib.h>

#include <sys/select.h>

#include <time.h>

#include <unistd.h>

#include <sys/types.h>

#include <errno.h>

#define MAXLINE 1024

#define IPADDRESS "127.0.0.1"

#define SERV_PORT 8787

#define max(a,b) (a > b) ? a : b

static void handle_recv_msg(int sockfd, char *buf)

{

printf("client recv msg is:%s\n", buf);

sleep(5);

write(sockfd, buf, strlen(buf) +1);

}

static void handle_connection(int sockfd)

{

char sendline[MAXLINE],recvline[MAXLINE];

int maxfdp,stdineof;

fd_set readfds;

int n;

struct timeval tv;

int retval = 0;

while (1) {

FD_ZERO(&readfds);

FD_SET(sockfd,&readfds);

maxfdp = sockfd;

tv.tv_sec = 5;

tv.tv_usec = 0;

retval = select(maxfdp+1,&readfds,NULL,NULL,&tv);

if (retval == -1) {

return ;

}

if (retval == 0) {

printf("client timeout.\n");

continue;

}

if (FD_ISSET(sockfd, &readfds)) {

n = read(sockfd,recvline,MAXLINE);

if (n <= 0) {

fprintf(stderr,"client: server is closed.\n");

close(sockfd);

FD_CLR(sockfd,&readfds);

return;

}

handle_recv_msg(sockfd, recvline);

}

}

}

int main(int argc,char *argv[])

{

int sockfd;

struct sockaddr_in servaddr;

sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);

bzero(&servaddr,sizeof(servaddr));

servaddr.sin_family = AF_INET;

servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);

inet_pton(AF_INET,IPADDRESS,&servaddr.sin_addr);

int retval = 0;

retval = connect(sockfd,(struct sockaddr*)&servaddr,sizeof(servaddr));

if (retval < 0) {

fprintf(stderr, "connect fail,error:%s\n", strerror(errno));

return -1;

}

printf("client send to server .\n");

write(sockfd, "hello server", 32);

handle_connection(sockfd);

return 0;

}

4、程序结果

启动服务程序,执行三个个客户程序进行测试,结果如下图所示:

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