【Linux】从零开始使用多路转接IO --- select

1 前言

上一篇文章我们讲解了五种IO模型的基本概念，并通过系统调用使用了非阻塞IO。
一般的服务器不会使用非阻塞IO，因为非阻塞IO非常耗费CPU资源，导致CPU发热效率下降！非阻塞IO只有在特定情况下才比较好用！

今天我们来学习多路转接select。

我们知道IO = 等 + 拷贝。拷贝的前提是底层有数据，没有数据的时候就需要进行等待。为了提高效率可以等待多个文件描述符。多路转接就是等待文件描述符上的新事件，等到就可以通知程序员事件已经就绪，可以进行拷贝！

这个事件可以是：

• 读事件就绪：OS底层有数据了
• 写事件就绪：OS底层有空间了

今天我们要学习的就是多路转接select

2 认识多路转接select

我们先来看其作用与定位：

• select的定位是：只在IO中只负责等待，不进行拷贝！ 并且select可以等待多个文件描述符，有新事件就进行通知。

来看select系统调用：

SELECT(2)                                                                 Linux Programmer's Manual                                                                 SELECT(2)

NAME
       select, pselect, FD_CLR, FD_ISSET, FD_SET, FD_ZERO - synchronous I/O multiplexing

SYNOPSIS
       #include <sys/select.h>

       int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,
                  fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

       void FD_CLR(int fd, fd_set *set);
       int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set);
       void FD_SET(int fd, fd_set *set);
       void FD_ZERO(fd_set *set);

       int pselect(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,
                   fd_set *exceptfds, const struct timespec *timeout,
                   const sigset_t *sigmask);

   Feature Test Macro Requirements for glibc (see feature_test_macros(7)):

       pselect(): _POSIX_C_SOURCE >= 200112L

select函数中有5个参数，都是用来干什么的呢？

1. int nfds：输入性参数 ，表示等待的多个文件描述符最大值 加 1。比如等待1 2 5 6 99 这几个文件描述符，那么就要传入100。注意不是文件描述符的个数！
2. struct timeval *timeout：输入输出性参数 ，这是一个结构体表示微秒级别的时间戳，其中有两个参数分别表示秒和微秒。这个参数告诉select在这个时间戳内进行阻塞式select，超出时间就进行一次返回。如果时间以内等到了新事件，就返回，并把剩余时间返回。传入{0，0}就是非阻塞轮询了。传入nullptr表示一直阻塞等待事件。
   

那么现在我们知道了两个参数，我们探索一下返回值：

• 大于0：有几个就绪了
• 等于0：超时返回了
• 小于0：select出错了

那么其他三个参数呢？首先fd_set代表文件描述符集，是用位图进行维护的！位图下标表示文件描述符，该比特位的内容表示对应信息！一共1024比特位，可以表示1024个文件描述符，下面我们就来了解一下这三个参数：
这三个参数都是fd_set，是输入输出参数，分别对应读事件，写事件，异常事件。通过这三个位图的设置，我们就可以对一个文件描述符的操作指明清楚。今天我们以读事件为例进行讲解：

• 输入时：传入一个读事件文件描述符，就是告诉OS要帮我们关心fd_set集合中的所有fd的读事件。这里比特位的位置表示文件描述符的编号，比特位的内容表示是否关心fd的读事件!
• 输出时：OS会返回一个读事件文件描述符，表示你让我关心的文件描述符集中哪些已经就绪了！这里比特位的位置表示文件描述符的编号，比特位的内容表示事件是否发生！

OK，现在我们了解了select的基本参数，下面我们就开始使用select进行编程

3 多路转接select等待连接

我们首先把之前的套接字基础的类拷贝过来：

1. class Socket:实现套接字的创建工作，并进入监听模式。
2. class InetAddr:网络套接字基本信息类，用于进行网络套接字传参工作。
3. class Log:进行日志信息的打印，便于调试

然后我们就来设计Selectsever类：

• 成员变量需要端口号，TcpSocket套接字类
• 构造函数中进行端口号的初始化，并创建套接字，设置为监听模式
• 循环函数中不能直接进行accept获取连接，因为底层不一定有数据，直接进行会阻塞式等待。所以我们可以把accept看做IO函数，将等的任务交给select函数。
• select函数需要对监听套接字进行等待

#pragma once

#include "Socket.hpp"
#include <sys/select.h>
#include "Log.hpp"

using namespace socket_ns;
using namespace log_ns;

class SelectServer
{
public:
    SelectServer(uint16_t port) : _port(port),_listensock(std::make_unique<TcpSocket>())
    {
        // 建立监听套接字
        _listensock->BuildListenSocket(_port);
    }
    ~SelectServer()
    {};
    void Initserver()
    {
        
    }
    void Loop()
    {
        //进入服务
        while(true)
        {
            //不能直接进行accept 因为底层不一定建立了连接,所以需要等待底层就绪
            //等待过程交给select
            //_listensock->Accepter();
            
            //创建fd_set
            fd_set rfds ;
            FD_ZERO(&rfds);
            //加入监听套接字文件描述符
            FD_SET( _listensock->GetSockfd() , &rfds);
            //创建timeout
            struct timeval timeout = {3 , 0};
            //进行select
            int n = ::select(_listensock->GetSockfd() + 1 , &rfds ,  nullptr , nullptr , &timeout);

            switch (n)
            {
            case 0:
                //超时
                LOG(DEBUG , "timeout : %d.%d\n" , timeout.tv_sec , timeout.tv_usec);
                break;
            case -1:
                //出错了
                LOG(ERROR, "select error\n");
                break;
            default:
                //正常
                LOG(INFO, "have event ready: n = %d\n" , n);
                //执行任务
                HandlerEvent(rfds);
                break;
            }

        }
    }

private:
    uint16_t _port;
    std::unique_ptr<Socket> _listensock;
};

我们运行程序来看等待效果：

可以正常的进行等待，当我们进行连接时：

select函数就能告诉我们有哪些文件描述符就绪，可以进行拷贝。这里可以得到一个现象：

• 如果事件就绪，但是不处理，select就会一直通知我们，直到我们处理这个事件。

当我们知道底层就绪时，我们就可以进行"拷贝"了：

void HandlerEvent(fd_set& rfds)
    {
        //判断是否是套接字就绪
        if(FD_ISSET(_listensock->GetSockfd() , &rfds))
        {
            //连接事件就绪
            //那么这里我们可以进行accept吗？
            InetAddr addr;
            int sockfd = _listensock->Accepter(&addr);//已经就绪 ,不会阻塞
            //这时会得到一个新连接
            if(sockfd > 0)
            {
                LOG(DEBUG ,"get a new link , client info %s:%d\n" , addr.Ip().c_str() ,addr.Port());
                //TODO
            }
            else
            {
                return ;
            }
        }
    }

但是有几个问题：

1. 在上面的handler函数中，我们已经获取到了连接，那么下面敢不敢直接进行读取呢？
   当然不能，因为建立连接并不代表会有请求传过来！所以还需要等待请求！
2. 那么怎么知道底层有没有就绪呢？
   还是通过select进行等待，想办法将新的fd添加给select，进行统一管理！
3. 那么这样select等待的fd不就越来越多，这要怎么进行维护呢？
   通过辅助数据结构进行维护！由于select接口的参数是输入输出性，无法保存文件描述符，所以必然需要额外的数据结构进行维护文件描述符！

4 完善代码

针对上面的三个问题，我们首先要做的就是想办法通过一个数据结构维护需要进行select的文件描述符。每次进入循环进行select时，就要通过这个数据结构初始化rfds！然后在通过对返回值的rfds与辅助数据结构中的文件描述符进行比对，对有新事件的文件描述符进行处理！

对于这个数据结构我们选择最简单的一维C风格数组即可！进行初始化时都设置为默认值-1

	const static int gnum = sizeof(fd_set) * 8;
    const static int gdefault = -1;
    //...
	void Initserver()
    {
        // 对数组进行初始化
        for (int i = 0; i < gnum; i++)
        {
            fd_array[i] = gdefault;
        }
        // 加入监听套接字
        fd_array[0] = _listensock->GetSockfd();
    }
    //...
    // 辅助数组
    int fd_array[gnum];

通过这个数组，当我们进行循环时，每次就都需要通过这个数组进行初始化rfds。

 void Loop()
    {
        // 进入服务
        while (true)
        {
            // 创建fd_set
            fd_set rfds;
            FD_ZERO(&rfds);
            int max_fd = 0;
            // 首先根据fd_array将合法fd加入到rfds
            for (int i = 0; i < gnum; i++)
            {
                if (fd_array[i] == gdefault)
                    continue;
                // 加入合法的文件描述符
                FD_SET(fd_array[i], &rfds);
                // 维护一个文件描述符最大值
                if (fd_array[i] > max_fd)
                    max_fd = fd_array[i];
            }
            // 创建timeout
            struct timeval timeout = {30, 0};
            // 进行select
            int n = ::select(max_fd + 1, &rfds, nullptr, nullptr, &timeout);
            switch (n)
            {
            case 0:
                // 超时
                LOG(DEBUG, "timeout : %d.%d\n", timeout.tv_sec, timeout.tv_usec);
                break;
            case -1:
                // 出错了
                LOG(ERROR, "select error\n");
                break;
            default:
                // 正常
                LOG(INFO, "have event ready: n = %d\n", n);
                // 处理事件
                HandlerEvent(rfds);
                PrintDebug();
                break;
            }
        }
    }

接下来我们来看handlerevent函数，进行select之后，如果有事件就绪，程序就会进入handlerevent函数。那么我们要如何判断是哪一个文件操作符的事件就绪了呢？

• 直接遍历数组，进行FD_ISSET，通过对每一个合法fd进行判断，我们就能够知道是哪一个文件操作符有事件就绪！
• 如果是listenfd就绪，说明有新连接，需要进行accepter获取新连接的fd，将其存入到文件描述符数组中！
• 如果是普通fd就绪，我们进行读写操作即可，如果有连接退出了，要及时更新数组。

    void Accepter()
    {
        // 连接事件就绪
        InetAddr addr;
        int sockfd = _listensock->Accepter(&addr); // 已经就绪 ,不会阻塞
        // 这时会得到一个新连接
        if (sockfd > 0)
        {
            LOG(DEBUG, "get a new link , client info %s:%d\n", addr.Ip().c_str(), addr.Port());
            // 将新获取的fd加入到数组中
            LOG(INFO, "get new fd :%d\n", sockfd);
            bool flag = false;
            for (int i = 0; i < gnum; i++)
            {
                if (fd_array[i] == gdefault)
                {
                    flag = true;
                    fd_array[i] = sockfd;
                    break;
                }
                else
                    continue;
            }
            if (flag == false)
            {
                LOG(WARNING, "fd_array have fill!\n");
            }
        }
    }
    void HandlerIO(int &fd)
    {
        char buffer[1024];
        int n = ::recv(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0);
        if (n > 0)
        {
            // 读取到了数据
            buffer[n] = 0;
            std::string echo_str = "[client say]#";
            echo_str += buffer;
            std::cout << echo_str << std::endl;
            // 返回一个报文
            std::string content = "<html><body><h1>hello bite</h1></body></html>";
            std::string ret_str = "HTTP/1.0 200 OK\r\n";
            ret_str += "Content-Type: text/html\r\n";
            ret_str += "Content-Length: " + std::to_string(content.size()) + "\r\n\r\n";
            ret_str += content;
            // echo_str += buffer;
            ::send(fd, ret_str.c_str(), ret_str.size(), 0); // 临时方案
        }
        else if (n == 0)
        {
            // 此时fd退出了
            LOG(INFO, "fd:%d quit!\n", fd);
            ::close(fd);
            fd = gdefault;
        }
        else
        {
            LOG(ERROR, "recv error! errno:%d\n", errno);
            ::close(fd);
            fd = gdefault;
        }
    }
	void HandlerEvent(fd_set &rfds)
    {
        // 遍历fd_array判断是否有就绪的新事件
        for (int i = 0; i < gnum; i++)
        {
            if (fd_array[i] == gdefault)
                continue;
            // 如果有新事件
            if (FD_ISSET(fd_array[i], &rfds))
            {
                // 进行判断是scokfd 还是普通fd
                if (fd_array[i] == _listensock->GetSockfd())
                {
                    Accepter();
                }
                // 普通fd 进行正常读写
                else
                {
                    HandlerIO(fd_array[i]);
                }
            }
        }
    }

这样就使用select完成了对连接的获取读取工作！来看效果：

可以看到，我们的数组中的有效fd随着客户端连接与中断会动态变化！

5 总结

根据上面的代码，我们可以总结出select的一些优缺点：

1. 每次调用 select，都需要手动设置 fd 集合， 从接口使用角度来说也非常不便.
2. 每次调用 select， 都需要把 fd 集合从用户态拷贝到内核态， 这个开销在 fd 很多时会很大。这个是多路转接IO无法避免的问题！
3. 同时每次调用 select 都需要在内核遍历传递进来的所有 fd，这个开销在 fd 很多时很大。
4. select 支持的文件描述符数量太小！虽然操作系统中文件描述符也有限制，但是这是操作系统的缺陷。同样select也是缺点

这里不断的要进行循环遍历数组，造成的性能开销是比较大的！所以就有了其他两种多路转接方案：poll与epoll