【Linux】多路转接select
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select的作用和定位
select函数
理解select执行过程
select的特点
select的缺点
select使用示例
poll
select的作用和定位
定位：在IO中，只负责进行等，不负责拷贝。
多路转接的作用是，为了等待多个fd，等待fd上面的新事件就绪（OS底层有数据--读事件就绪，或OS底层有空间--写事件就绪），通知程序员，事件已经就绪，就可以进行IO拷贝了。
select函数
- 参数nfds是用户等待的多个fd中的最大值+1。（假如fd是1、3、5、7、9，那nfds是9+1=10）
- 参数timeout是一个输入输出型参数，是一个struct timeval的结构体，里面有两个成员，是一个时间戳类的结构体。假设定义一个timeval的对象，timeval timeout = {5, 0}，意思就是告诉select，多路复用啊你现在帮我监视多个文件描述符，策略是5s以内一直阻塞，5s以内如果没有任何一个文件描述符就绪，给我返回一次；如果5s以内，比如第2s，等待的多个文件描述符有多个就绪了，你也给我返回，并且你的timeval里一定要记录下来剩余还有多少时间，假设还剩3s，timeval里面就是{3,0}，也就是5s以内阻塞等待，5s过后非阻塞轮询一次。如果timeval timeout = {0, 0}，就是让select去等，如果没有就绪立马返回，这就是非阻塞轮询。如果timeval的值设为NULL，表示让select永久阻塞。
- 返回值，大于0，表示有几个就绪；等于0，表示超时；小于0，表示select出错。
第2、3、4个参数的类型是fd_set，这个数据类型是OS提供的，表示文件描述符集。实际上，fd_set是一个位图结构，那就存在两方面内容，1.比特位的位置：表示的就是文件fd的值，2.比特位的内容，0还是1。
- 第2、3、4个参数，是输入输出型参数，readfds只关心读事件，writefds只关心写事件，exceptfds只关心异常事件。对于某一个文件描述符，看关心读事件、写事件、异常事件从而加入到对应的fd_set。
我们先关心读事件文件描述符集，当输入这个参数时，就是用户告诉内核，你要帮我关心fd_set集合中的所有fd读事件哦。比特位的位置：文件描述符的编号；比特位的内容：是否关心该fd的事件。当这个参数输出时，就是内核告诉用户，你让我关心的fd_set集合中，都有哪些已经就绪了。比特位的位置：文件描述符的编号；比特位的内容：对应的fd，事件是否发生。如果只有某些文件描述符就绪，那下次select时，可能要求我们每次调用select时，都要进行参数重置！
fd_set结构
这个结构就是一个整数数组，严格说是一个“位图”。使用位图中对应的位表示要监视的文件描述符。
操作系统提供了一组fd_set的接口，来比较方便的操作位图。
void FD_CLR(int fd, fd_set* set); // 用于清除文件描述符集set中相关的fd位
int FD_ISSET(int fd, fd_set* set);//用来测试文件描述符集set中相关fd位是否为真
void FD_SET(int fd, fd_set* set); //用于设置文件描述符集set中相关的fd位
void FD_ZERO(fd_set* set); // 用于清除文件描述符集set中全部位timeval结构
timeval结构用于描述一段时间长度，如果在这个时间内，需要监视的文件描述符没有事件发生则函数返回0。
常用的代码片段如下：
fd_set rfds;
FD_ZERO(&rfds);
FD_SET(fd, &rfds);
::select(fd+1, &rfds, nullptr, nullptr, nullptr);
if(FD_ISSET(fd, &rfds)){......}理解select执行过程
关键在于理解fd_set，为方便理解，取fd_set长度为1字节，fd_set中的每一bit可以对应一个文件描述符fd。则1字节长的fd_set最大可以对应8个fd。
- 执行fd_set set; FD_ZERO(&set);则set用位表示是0000 0000。
- 若fd=5，则执行FD_SET(fd, &set);然后set变为0001 0000（第5位置1）。
- 若再加入fd=2，fd=1，则set变为0001 0011。
- 执行select(6, &set, nullptr, nullptr, nullptr)。
- 若fd=1,fd=2上都发生可读事件，则select返回，此时set变为0000 0011。
select要正常工作，需要借助一个辅助数组，来保存所有合法fd。
select的特点
- 可监控的文件描述符个数取决于sizeof(fd_set)*8的值，可能是1024，每一个bit表示一个文件描述符。
- 将fd加入select监控集的同时，还要再使用一个fd_array数组保存放到select中的fd。这个fd_array的作用一是用于在select返回后，fd_array作为源数据和fd_set进行FD_ISSET判断；二是select返回后会把以前加入的但无事发生的fd清空，则每次开始select前都要重新从array取得fd逐一加入，扫描array的同时取得fd最大值maxfd，用于select的第一个参数。
select的缺点
- 每次调用select，都要手动设置fd集合，非常不便。
- 每次调用select，都要把fd集合从用户态拷贝到内核态，开销很大。
- 每次调用select都需要在内核遍历传来的所有fd，开销很大。
- select支持的文件描述符数量太少。
select使用示例
#pragma once
#include <iostream>
#include <memory>
#include <sys/select.h>
#include "Socket.hpp"
using namespace socket_ns;
class SelectServer
{
const static int gnum = sizeof(fd_set) * 8;
const static int gdefaultfd = -1;
public:
SelectServer(uint16_t port) : _port(port), _listensocket(std::make_unique<TcpSocket>())
{
_listensocket->BuildListenSocket(_port);
}
void InitServer()
{
for (int i = 0; i < gnum; i++)
{
fd_array[i] = gdefaultfd;
}
fd_array[0] = _listensocket->Sockfd(); // 默认添加listensock到数组中
}
// 处理新连接
void Accepter()
{
// 我们叫做连接事件就绪，等价于读事件就绪
InetAddr addr;
int sockfd = _listensocket->Accepter(&addr); // 会不会被阻塞？一定不会！
if (socket > 0)
{
LOG(DEBUG, "get a new link, client info %s : %d\n", addr.Ip(), addr.Port());
// 已经获得了一个新的sockfd
// 接下来可以读取吗？绝对不能读！读取的时候，条件不一定满足
// 谁最清楚底层fd的数据是否已经就绪了呢？通过select！
// 想办法把新的fd添加给select，由select统一进行监管
// select为什么等待的fd越来越多？
// 只要将新的fd，添加到fd_array中即可！
bool flag = false;
for (int pos = 1; pos < gnum; pos++)
{
if (fd_array[pos] == gdefaultfd)
{
flag = true;
fd_array[pos] = sockfd;
LOG(INFO, "add %d to fd_array success!\n", sockfd);
break;
}
}
if (!flag)
{
LOG(WARNING, "Server is Full!\n");
::close(sockfd);
}
}
else
{
return;
}
}
// 处理新IO
void HandlerIO(int i)
{
// 普通的文件描述符，正常读写
char buffer[1024];
ssize_t n = ::recv(fd_array[i], buffer, sizeof(buffer) - 1, 0); // 这里读取会阻塞吗?不会
if (n > 0)
{
buffer[n] = 0;
std::cout << "client say#" << buffer << std::endl;
std::string echo_str = "[ server echo info ]";
echo_str += buffer;
::send(fd_array[i], echo_str.c_str(), sizeof(echo_str), 0);
}
else if (n == 0)
{
LOG(INFO, "client quit...\n");
// 关闭fd
// select下次不要再关心这个fd了
::close(fd_array[i]);
fd_array[i] = gdefaultfd;
}
else
{
LOG(ERROR, "recv error\n");
// 关闭fd
// select下次不要再关心这个fd了
::close(fd_array[i]);
fd_array[i] = gdefaultfd;
}
}
// 一定会存在大量的fd就绪，可能是普通sockfd，也可能是listensockfd
void HandlerEvent(fd_set &rfds)
{
//事件派发
for (int i = 0; i < gnum; i++)
{
if (fd_array[i] == gdefaultfd)
continue;
// fd一定是合法的fd
// 合法的fd不一定就绪，判断fd是否就绪？
if (FD_ISSET(fd_array[i], &rfds))
{
// 读事件就绪
// 1.listensockfd 2.normal sockfd
if (_listensocket->Sockfd() == fd_array[i])
{
Accepter();
}
else
{
HandlerIO(i);
}
}
}
}
void Loop()
{
while (true)
{
// 1.文件描述符进行初始化
fd_set rfds;
FD_ZERO(&rfds);
int max_fd = gdefaultfd;
// 2. 合法的fd，添加到rfds集合中
for (int i = 0; i < gnum; i++)
{
if (fd_array[i] == gdefaultfd)
continue;
FD_SET(fd_array[i], &rfds);
// 2.1更新出最大的文件fd值
if (max_fd < fd_array[i])
{
max_fd = fd_array[i];
}
}
struct timeval timeout = {3, 0};
//_listensocket->Accepter(); // 不能，listensock && accept 我们把他看成IO类的函数，只关心新连接的到来，等价于读事件就绪
int n = ::select(max_fd + 1, &rfds, nullptr, nullptr, &timeout); // 临时
switch (n)
{
case 0:
LOG(DEBUG, "timeout, %d.%d\n", timeout.tv_sec, timeout.tv_usec);
break;
case -1:
LOG(ERROR, "select error\n");
break;
default:
LOG(INFO, "have event ready, n : %d\n", n); // 如果事件就绪，但是不处理，select就会一直通知我，知道处理了。
HandlerEvent(rfds);
PrintDebug();
sleep(1);
break;
}
}
}
void PrintDebug()
{
std::cout << "fd list: ";
for (int i = 0; i < gnum; i++)
{
if (fd_array[i] == gdefaultfd)
continue;
std::cout << fd_array[i] << " ";
}
std::cout << "\n";
}
~SelectServer() {}
private:
uint16_t _port;
std::unique_ptr<Socket> _listensocket;
// select要正常工作，需要借助一个辅助数组，来保存所有合法fd
int fd_array[gnum];
};
poll
poll的出现解决了select的两个问题：1.支持的文件描述符太少；2.每次都要对文件描述符集重置。
作用：和select一样。
定位：只负责等，一旦等待就绪，就会事件派发。
参数timeout和select中的类似，但是以毫秒为单位设定的超时时间，这个参数只做输入，并不能传出剩余时间；timeout=0表示非阻塞，timeout=-1表示阻塞；返回值ret>0，表示有几个fd就绪了，ret=0，表示超时，ret<0，poll出错。第一个参数fds表示“数组”起始地址，第二个参数表示该“数组”元素个数。 struct pollfd是什么呢？是一个结构体：
这个结构体有3个字段，short events表示事件类型，有16个bit位，下面的宏名称占据不同的比特位，未来想让该文件描述符设置对某些事件的关心，就可以这样，events=POLLIN|POLLOUT。 poll也要做到，1.用户告诉内核，你要帮我关心哪些fd上的哪些时间（int fd，short events） 2.内核告诉用户，你让我关心的哪些fd上的哪些事件已经就绪了（int fd，short revents）。这样就不需要因为接口设计的缺陷，对fd和关心的事件进行重新设定了。
events和revents的取值是：
这些取值就是宏。
“数组”大小nfds可以自己随意设置，所以poll等待的文件描述符理论上没有上限，解决了文件描述符数量太少的问题。
但是poll同样有一个严重的缺点，poll底层也需要遍历所有的fd，来获取就绪的fd和它的事件。