|
|
# 20 | 大名⿍⿍的select：看我如何同时感知多个I/O事件
|
|
|
|
|
|
你好，我是盛延敏，这里是网络编程实战的第20讲，欢迎回来。
|
|
|
|
|
|
这一讲是性能篇的第一讲。在性能篇里，我们将把注意力放到如何设计高并发高性能的网络服务器程序上。我希望通过这一模块的学习，让你能够掌握多路复用、异步I/O、多线程等知识，从而可以写出支持并发10K以上的高性能网络服务器程序。
|
|
|
|
|
|
还等什么呢？让我们开始吧。
|
|
|
|
|
|
## 什么是I/O多路复用
|
|
|
|
|
|
在[第11讲](https://time.geekbang.org/column/article/126126)中，我们设计了这样一个应用程序，该程序从标准输入接收数据输入，然后通过套接字发送出去，同时，该程序也通过套接字接收对方发送的数据流。
|
|
|
|
|
|
我们可以使用fgets方法等待标准输入，但是一旦这样做，就没有办法在套接字有数据的时候读出数据；我们也可以使用read方法等待套接字有数据返回，但是这样做，也没有办法在标准输入有数据的情况下，读入数据并发送给对方。
|
|
|
|
|
|
I/O多路复用的设计初衷就是解决这样的场景。我们可以把标准输入、套接字等都看做I/O的一路，多路复用的意思，就是在任何一路I/O有“事件”发生的情况下，通知应用程序去处理相应的I/O事件，这样我们的程序就变成了“多面手”，在同一时刻仿佛可以处理多个I/O事件。
|
|
|
|
|
|
像刚才的例子，使用I/O复用以后，如果标准输入有数据，立即从标准输入读入数据，通过套接字发送出去；如果套接字有数据可以读，立即可以读出数据。
|
|
|
|
|
|
select函数就是这样一种常见的I/O多路复用技术，我们将在后面继续讲解其他的多路复用技术。使用select函数，通知内核挂起进程，当一个或多个I/O事件发生后，控制权返还给应用程序，由应用程序进行I/O事件的处理。
|
|
|
|
|
|
这些I/O事件的类型非常多，比如：
|
|
|
|
|
|
* 标准输入文件描述符准备好可以读。
|
|
|
* 监听套接字准备好，新的连接已经建立成功。
|
|
|
* 已连接套接字准备好可以写。
|
|
|
* 如果一个I/O事件等待超过了10秒，发生了超时事件。
|
|
|
|
|
|
## select函数的使用方法
|
|
|
|
|
|
select函数的使用方法有点复杂，我们先看一下它的声明：
|
|
|
|
|
|
```
|
|
|
int select(int maxfd, fd_set *readset, fd_set *writeset, fd_set *exceptset, const struct timeval *timeout);
|
|
|
|
|
|
返回：若有就绪描述符则为其数目，若超时则为0，若出错则为-1
|
|
|
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
在这个函数中，maxfd表示的是待测试的描述符基数，它的值是待测试的最大描述符加1。比如现在的select待测试的描述符集合是{0,1,4}，那么maxfd就是5，为啥是5，而不是4呢? 我会在下面进行解释。
|
|
|
|
|
|
紧接着的是三个描述符集合，分别是读描述符集合readset、写描述符集合writeset和异常描述符集合exceptset，这三个分别通知内核，在哪些描述符上检测数据可以读，可以写和有异常发生。
|
|
|
|
|
|
那么如何设置这些描述符集合呢？以下的宏可以帮助到我们。
|
|
|
|
|
|
```
|
|
|
void FD_ZERO(fd_set *fdset);
|
|
|
void FD_SET(int fd, fd_set *fdset);
|
|
|
void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset);
|
|
|
int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset);
|
|
|
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
如果你刚刚入门，理解这些宏可能有些困难。没有关系，我们可以这样想象，下面一个向量代表了一个描述符集合，其中，这个向量的每个元素都是二进制数中的0或者1。
|
|
|
|
|
|
```
|
|
|
a[maxfd-1], ..., a[1], a[0]
|
|
|
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
我们按照这样的思路来理解这些宏：
|
|
|
|
|
|
* FD\_ZERO用来将这个向量的所有元素都设置成0；
|
|
|
* FD\_SET用来把对应套接字fd的元素，a\[fd\]设置成1；
|
|
|
* FD\_CLR用来把对应套接字fd的元素，a\[fd\]设置成0；
|
|
|
* FD\_ISSET对这个向量进行检测，判断出对应套接字的元素a\[fd\]是0还是1。
|
|
|
|
|
|
其中0代表不需要处理，1代表需要处理。
|
|
|
|
|
|
怎么样，是不是感觉豁然开朗了？
|
|
|
|
|
|
实际上，很多系统是用一个整型数组来表示一个描述字集合的，一个32位的整型数可以表示32个描述字，例如第一个整型数表示0-31描述字，第二个整型数可以表示32-63描述字，以此类推。
|
|
|
|
|
|
这个时候再来理解为什么描述字集合{0,1,4}，对应的maxfd是5，而不是4，就比较方便了。
|
|
|
|
|
|
因为这个向量对应的是下面这样的：
|
|
|
|
|
|
```
|
|
|
a[4],a[3],a[2],a[1],a[0]
|
|
|
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
待测试的描述符个数显然是5， 而不是4。
|
|
|
|
|
|
三个描述符集合中的每一个都可以设置成空，这样就表示不需要内核进行相关的检测。
|
|
|
|
|
|
最后一个参数是timeval结构体时间：
|
|
|
|
|
|
```
|
|
|
struct timeval {
|
|
|
long tv_sec; /* seconds */
|
|
|
long tv_usec; /* microseconds */
|
|
|
};
|
|
|
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
这个参数设置成不同的值，会有不同的可能：
|
|
|
|
|
|
第一个可能是设置成空(NULL)，表示如果没有I/O事件发生，则select一直等待下去。
|
|
|
|
|
|
第二个可能是设置一个非零的值，这个表示等待固定的一段时间后从select阻塞调用中返回，这在[第12讲](https://time.geekbang.org/column/article/127900)超时的例子里曾经使用过。
|
|
|
|
|
|
第三个可能是将tv\_sec和tv\_usec都设置成0，表示根本不等待，检测完毕立即返回。这种情况使用得比较少。
|
|
|
|
|
|
## 程序例子
|
|
|
|
|
|
下面是一个具体的程序例子，我们通过这个例子来理解select函数。
|
|
|
|
|
|
```
|
|
|
int main(int argc, char **argv) {
|
|
|
if (argc != 2) {
|
|
|
error(1, 0, "usage: select01 <IPaddress>");
|
|
|
}
|
|
|
int socket_fd = tcp_client(argv[1], SERV_PORT);
|
|
|
|
|
|
char recv_line[MAXLINE], send_line[MAXLINE];
|
|
|
int n;
|
|
|
|
|
|
fd_set readmask;
|
|
|
fd_set allreads;
|
|
|
FD_ZERO(&allreads);
|
|
|
FD_SET(0, &allreads);
|
|
|
FD_SET(socket_fd, &allreads);
|
|
|
|
|
|
for (;;) {
|
|
|
readmask = allreads;
|
|
|
int rc = select(socket_fd + 1, &readmask, NULL, NULL, NULL);
|
|
|
|
|
|
if (rc <= 0) {
|
|
|
error(1, errno, "select failed");
|
|
|
}
|
|
|
|
|
|
if (FD_ISSET(socket_fd, &readmask)) {
|
|
|
n = read(socket_fd, recv_line, MAXLINE);
|
|
|
if (n < 0) {
|
|
|
error(1, errno, "read error");
|
|
|
} else if (n == 0) {
|
|
|
error(1, 0, "server terminated \n");
|
|
|
}
|
|
|
recv_line[n] = 0;
|
|
|
fputs(recv_line, stdout);
|
|
|
fputs("\n", stdout);
|
|
|
}
|
|
|
|
|
|
if (FD_ISSET(STDIN_FILENO, &readmask)) {
|
|
|
if (fgets(send_line, MAXLINE, stdin) != NULL) {
|
|
|
int i = strlen(send_line);
|
|
|
if (send_line[i - 1] == '\n') {
|
|
|
send_line[i - 1] = 0;
|
|
|
}
|
|
|
|
|
|
printf("now sending %s\n", send_line);
|
|
|
size_t rt = write(socket_fd, send_line, strlen(send_line));
|
|
|
if (rt < 0) {
|
|
|
error(1, errno, "write failed ");
|
|
|
}
|
|
|
printf("send bytes: %zu \n", rt);
|
|
|
}
|
|
|
}
|
|
|
}
|
|
|
|
|
|
}
|
|
|
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
程序的12行通过FD\_ZERO初始化了一个描述符集合，这个描述符读集合是空的：
|
|
|
|
|
|
|
|
|
接下来程序的第13和14行，分别使用FD\_SET将描述符0，即标准输入，以及连接套接字描述符3设置为待检测：
|
|
|
|
|
|
|
|
|
接下来的16-51行是循环检测，这里我们没有阻塞在fgets或read调用，而是通过select来检测套接字描述字有数据可读，或者标准输入有数据可读。比如，当用户通过标准输入使得标准输入描述符可读时，返回的readmask的值为：
|
|
|
|
|
|
|
|
|
这个时候select调用返回，可以使用FD\_ISSET来判断哪个描述符准备好可读了。如上图所示，这个时候是标准输入可读，37-51行程序读入后发送给对端。
|
|
|
|
|
|
如果是连接描述字准备好可读了，第24行判断为真，使用read将套接字数据读出。
|
|
|
|
|
|
我们需要注意的是，这个程序的17-18行非常重要，初学者很容易在这里掉坑里去。
|
|
|
|
|
|
第17行是每次测试完之后，重新设置待测试的描述符集合。你可以看到上面的例子，在select测试之前的数据是{0,3}，select测试之后就变成了{0}。
|
|
|
|
|
|
这是因为select调用每次完成测试之后，内核都会修改描述符集合，通过修改完的描述符集合来和应用程序交互，应用程序使用FD\_ISSET来对每个描述符进行判断，从而知道什么样的事件发生。
|
|
|
|
|
|
第18行则是使用socket\_fd+1来表示待测试的描述符基数。切记需要+1。
|
|
|
|
|
|
## 套接字描述符就绪条件
|
|
|
|
|
|
当我们说select测试返回，某个套接字准备好可读，表示什么样的事件发生呢？
|
|
|
|
|
|
第一种情况是套接字接收缓冲区有数据可以读，如果我们使用read函数去执行读操作，肯定不会被阻塞，而是会直接读到这部分数据。
|
|
|
|
|
|
第二种情况是对方发送了FIN，使用read函数执行读操作，不会被阻塞，直接返回0。
|
|
|
|
|
|
第三种情况是针对一个监听套接字而言的，有已经完成的连接建立，此时使用accept函数去执行不会阻塞，直接返回已经完成的连接。
|
|
|
|
|
|
第四种情况是套接字有错误待处理，使用read函数去执行读操作，不阻塞，且返回-1。
|
|
|
|
|
|
总结成一句话就是，内核通知我们套接字有数据可以读了，使用read函数不会阻塞。
|
|
|
|
|
|
不知道你是不是和我一样，刚开始理解某个套接字可写的时候，会有一个错觉，总是从应用程序角度出发去理解套接字可写，我开始是这样想的，当应用程序完成相应的计算，有数据准备发送给对端了，可以往套接字写，对应的就是套接字可写。
|
|
|
|
|
|
其实这个理解是非常不正确的，select检测套接字可写，**完全是基于套接字本身的特性来说**的，具体来说有以下几种情况。
|
|
|
|
|
|
第一种是套接字发送缓冲区足够大，如果我们使用阻塞套接字进行write操作，将不会被阻塞，直接返回。
|
|
|
|
|
|
第二种是连接的写半边已经关闭，如果继续进行写操作将会产生SIGPIPE信号。
|
|
|
|
|
|
第三种是套接字上有错误待处理，使用write函数去执行写操作，不阻塞，且返回-1。
|
|
|
|
|
|
总结成一句话就是，内核通知我们套接字可以往里写了，使用write函数就不会阻塞。
|
|
|
|
|
|
## 总结
|
|
|
|
|
|
今天我讲了select函数的使用。select函数提供了最基本的I/O多路复用方法，在使用select时，我们需要建立两个重要的认识：
|
|
|
|
|
|
* 描述符基数是当前最大描述符+1；
|
|
|
* 每次select调用完成之后，记得要重置待测试集合。
|
|
|
|
|
|
## 思考题
|
|
|
|
|
|
和往常一样，给你布置两道思考题：
|
|
|
|
|
|
第一道， select可以对诸如UNIX管道(pipe)这样的描述字进行检测么？如果可以，检测的就绪条件是什么呢？
|
|
|
|
|
|
第二道，根据我们前面的描述，一个描述符集合哪些描述符被设置为1，需要进行检测是完全可以知道的，你认为select函数里一定需要传入描述字基数这个值么？请你分析一下这样设计的目的又是什么呢？
|
|
|
|
|
|
欢迎你在评论区写下你的思考，也欢迎把这篇文章分享给你的朋友或者同事，一起交流一下。
|
|
|
|