【Linux网络编程】高效I/O--select/poll服务器

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多路转接之select
select服务器实现
获取毗连
handlerEvent
select服务器代码链接 
select的优缺点 
多路转接之poll 
poll服务器实现(select服务器改写) 
poll的优缺点

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多路转接之select

   select的作用
  I/O的本质 = 等 + 拷贝
多路转接就是通过同时等候多个文件描述符的方式实现效率的提升，这些在五种I/O模子中都详细说过！
select是实现多路复用I/O的一种方式
一个多路复用I/O可以分为两步：

• 同时等候多个文件描述符
  
• I/O条件就绪，直接进行拷贝
  

select完成的工作就是I/O等候这一步，即对多个文件描述符进行等候，若有一个或多个文件描述符读写条件就绪，select就会返回！
select返回后，即进行多路复用的第二步拷贝。拷贝是由read/write...这些拷贝函数实现的！

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   select调用

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

复制代码

• nfds：表示你需要监管的全部的文件描述符中，最大的文件描述符+1
  
• readfds：指向fd_set的指针，包罗需要监督的可读文件描述符
  
• writefds：指向fd_set的指针，包罗需要监督的可写文件描述符（可选）。
  
• exceptfds：指向fd_set的指针，包罗需要监督的非常文件描述符（可选）。
  
• timeout：指定select进行等候时的等候规则
  
• 返回值：若大于0，则表示实际I/O条件就绪的文件描述符的个数。若便是0，则表示超时。若小于0，则表示select发生错误，错误码被设置
  
• 头文件：sys/select.h
  

以下是对select参数的详细先容 

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   timeout参数 
   struct timeval范例的结构：

1. struct timeval {  
2.     long tv_sec;   // 秒数  
3.     long tv_usec;  // 微秒数  
4. };

复制代码

• 若tv_sec设置为0，且tv_usec设置为0，则表示的是select进行非阻塞等候。即便没有任何一个文件描述符就绪，select仍旧会返回0
  
• 若timeout参数设置为NULL，则表示select进行阻塞等候，在没有任何外部干扰（如信号中断）的环境下，若没有任何一个文件描述符就绪，则select永不返回，直到有一个或多个文件描述符就绪为止
  
• 若timeout中的tv_sec或tv_usec设置为>0的数，此时的timeout是一个输入和输出型参数。比方timeout设置为5秒0微秒之后传入select，过了两秒以后有一个文件描述符就绪了，那么select返回，timeout被修改为3秒0微秒
  

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   fd_set范例 
  读写条件就绪：

• 若一个文件描述符可以进行读了，即该文件的内核接收缓冲区有数据了，我们称该文件描述符的读条件就绪
  
• 若一个文件描述符可以进行写了，即该文件的内核发送缓冲区未满，我们称该文件描述符的写条件就绪
  

fd_set内部是一个对应文件描述符的位图结构
select参数中的fd_set范例参数寄义：

• readfds：该文件描述符集中比特位的值为1的文件描述符，select只关心该文件描述符的读条件是否就绪
  
• writefds：该文件描述符集中比特位的值为1的文件描述符，select只关心该文件描述符的写条件是否就绪
  
• exceptfds：该文件描述符集中比特位的值为1的文件描述符，select只关心该文件描述符的非常条件是否就绪
  
• 若需要select同时关心一个文件描述符的读写条件，即把readfds和writefds对应位置的值同时设置为1
  
• 若无需select关心非常时间，我们把exceptfds设置为空即可！
  

select参数中的三个文件描述符集都是便是输入型参数，又是输出型参数

• 以readfds为例
  
• 当readfds作为输入型参数的时候，表示的寄义是：用户告诉内核需要关心readfds中全部的fd的读事件
  
• 当readfds作为输出型参数的时候，表示的寄义是：内核告诉用户需要关心的文件描述符中，有哪些已经就绪了
  

fd_set输入输出时位图的寄义：

• 当作为输入型参数的时候，比特位的位置表示的是第几号fd，比特位的值表示是否需要内核关心的文件描述符的xx事件。若比特位的值为0表示无需内核关心该文件描述符的xx事件，若比特位的值为1表示需要内核关心该文件描述符的xx事件
  
• 当作为输出型参数的时候，比特位的位置表示的是第几号fd，比特位的值表示需要内核关心的文件描述符中，哪些已经就绪了。若比特位的值为0表示未关心或未就绪，若比特位的值为1表示已就绪
  

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   文件描述符集的操作
  对fd_set的操作只允许使用体系调用，不允许自己去改，哪怕你已经知道了它是个位图
文件描述符集的头文件是：sys/select.h
清空(全部比特位清零)文件描述符集：FD_ZERO

1. void FD_ZERO(fd_set *set);

复制代码

• 功能：把set文件描述符集中的全部比特位清零 
  

清零文件描述符集中指定fd的值：FD_CLR

1. void FD_CLR(int fd, fd_set *set);

复制代码

• 功能：把set集中fd对应的比特位清零 
  

判定文件描述符集中指定fd的值：FD_ISSET

1. int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set);

复制代码

• 功能：判定set集中fd对应的比特位是否为1
  
• 返回值：就是set集中fd对应比特位的值。(若在即为1，若不在即为0)
  

新增(置为1)文件描述符集中指定fd：FD_SET

1. void FD_SET(int fd, fd_set *set);

复制代码

• 功能：把set集中fd对应的比特位置为1
  

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select服务器实现

select服务器和一个简单的TCP服务器的区别重要体如今I/O上，所以我们基于我们之前写过的TCP服务器进行修改即可！TCP服务器
select服务器 vs 之前的TCP服务器

• 相同点：都是要创建套接字并基于套接字进行通讯，乃至构建套接字的过程都一摸一样
  
• 不同点：select的I/O方案接纳的是多路转接，而之前的TCP服务器是接纳阻塞I/O的方式
  

基于上述原因，所以对于select服务器来说，只需要在TCP服务器的基础上，修改Loop函数即可

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获取毗连

accept的本质其实也是I/O，I/O = 等 + 拷贝，accept也是等+拷贝。
所以新毗连到来时就等价于有了读事件。
读事件可以由select进行监管，即可以把listen套接字添加到readfds中
把listen套接字交由select进行监管要完成的3个步骤：

• 定义fd_set
  
• 填充fd_set
  
• 体系调用select 
  

 select获取到哪些fd条件就绪，进行返回时，我们要根据select的返回值来分环境处理

• 若select的返回值大于0，表示已经有多少个文件描述符的条件就绪。上层已经可以根据readfds进行处理了
  
• 若select的返回值便是0，则表示超时。若select是阻塞监管，那么select不会返回0。
  
• 若select的返回值小于0，则表示select发生错误。
  

1.     void Loop() // 修改I/O为select
2.     {
3.         while(true)//需要不断获取连接，打上死循环即可
4.         {
5.             //定义fd_set
6.             fd_set rfds;
7.             //填充fd_set
8.             FD_ZERO(&rfds);
9.             FD_SET(_listensock,&rfds);
10.             //调用select
11.             int n = select(_listensock + 1 , &rfds,nullptr,nullptr,nullptr);//select只关心读事件，并且阻塞等待
12.             if(n > 0)
13.             {
14.                 //表示已经有文件描述符条件就绪了，此时rfds中比特位为1的位置就是已经就绪的文件描述符
15.                 handlerEvent(rfds);
16.             }
17.             else if(n == 0)
18.             {
19.                 //阻塞等待不会走到这
20.                 std::cout << "timeout..." << std::endl;
21.             }
22.             else
23.             {
24.                 std::cerr << "Select Error!" << std::endl;
25.                 exit(2);
26.             }
27.         }

复制代码

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handlerEvent

上述，我们已经将listen套接字交给select进行监管了。那么若listen套接字读条件就绪，即有客户端向发送毗连时，如何处理呢？
这就由handlerEvent进行处理
由于select监管的文件描述符可能是listen套接字，也可能是平凡套接字，所以我们需要对这两种套接字进行分类讨论
对于listen套接字来说：

• listen套接字的读事件就绪，也就意味着有新的客户端毗连到来，我们首先要accept新毗连
  
• accept过后会获取一个新的平凡套接字，我们需要把平凡套接字交给select进行监管
  

对于平凡套接字来说：

• 平凡套接字的读事件就绪，也就意味着客户端发来了一条新的I/O数据
  
• 此时服务器提供服务即可！ 
  

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   细节问题：辅助数组
  当用户调用select传入rfds时，此时的rfds是输入型参数
当select返回时，此时的rfds是输出型参数
rfds作为输入型参数和输出型参数时，寄义是完全不同的！
举个例子：若我们调用select时设置了1号3号5号文件描述符的读事件。假设select在监管时只有3号文件描述符就绪了，那么select会直接修改rfds，此时没有就绪的文件描述符就被修改了
 

• rfds被select修改了，但我们之后还需要关心1号和5号文件描述符的读事件！ 
  

为相识决这个问题，所以调用select时一样寻常会搭配上一个辅助数据结构来实现！(以数组为例)
辅助数组中一样寻常会存储调用select之前的rfds，方便内核修改了rfds后，用户进行重新设置

在服务器构造的时候，我们可以直接构造好辅助数组，此外，辅助数组我们可以直接设置为成员变量

1. class TCPServer
2. {
3. public:
4.     const static int N = sizeof(fd_set) * 8; //辅助数组的大小
5.     const static int defaultfd = -1; //辅助数组元素的初始值
6.     TCPServer(uint16_t port)
7.         : _port(port), _isrunning(false)
8.     {
9.         //初始化辅助数组
10.         for(int i = 0 ; i < N ; ++i)
11.         {
12.             fd_array[i] = defaultfd;
13.         }
14.         //listen套接字是必须要的，直接添加进辅助数组
15.     }
16. protected:
17.     uint16_t _port;
18.     int _listensock;
19.     bool _isrunning;
20.     int fd_array[N]; //辅助数组，元素的含义是需要内核关心的套接字编号
21. };

复制代码

注意：该服务器的listensock是在初始化套接字时创建的，在socket创建listensock的后面再把listen套接字传入到辅助数组中  

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   handlerEvent的实现 
  通过之前先容select调用，我们会发现若我们不通知内核需要关心某个fd，那么select返回时这个fd一定不会在rfds中。

• 若我们告诉内核需要关心第n号文件描述符，那么select返回时该文件描述符不一定会就绪
  
• 若我们不告诉内核需要关心第n号文件描述符，那么select返回时该文件描述符一定不会就绪
  

除此之外，select返回时，可能不止一个文件描述符就绪了
所以第一步我们需要遍历整个辅助数组

• 若遍历过程中，fd_array的值是默认值，阐明该位置还没被使用，直接跳过即可
  
• 若遍历过程中，fd_array的值不是默认值，意味着该位置存储的一定是需要内核关心的文件描述符的编号，此时需要看这个文件描述符是否在输出型参数rfds中，若在，则该文件描述符就绪。否则，该文件描述符没就绪
  
• 判定一个文件描述符是否在fd_set中，我们使用的调用是FD_SET 
  

第二步就是分类讨论，区分该套接字是listen套接字还是平凡套接字

1.     void handlerEvent(fd_set &rfds)
2.     {
3.         for(int i = 0 ; i < N ; ++i)
4.         {
5.             //若该fd不在辅助数组中，说明该文件描述符一定不会就绪
6.             if(fd_array[i] == defaultfd) continue;
7.             //走到这，说明该文件描述符被关心，经过rfds判断是否就绪
8.             if(!FD_ISSET(fd_array[i],&rfds)) continue;
9.             //区分处理
10.             if(fd_array[i] == _listensock)
11.             {
12.                 //该套接字是listen套接字，完成的工作是处理连接
13.                 AcceptClient();
14.             }
15.             else
16.             {
17.                 //该套接字是普通套接字，完成的工作是提供I/O服务
18.                 Service(fd_array[i]);
19.             }
20.         }
21.     }

复制代码

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   处理毗连：AcceptClient 
   到这一步，阐明listen套接字的读事件已经就绪
需要进行两步操作：

• 获取新毗连，并获取新的套接字
  
• 把套接字交给select进行监管
  

如何交给select进行监管？把这个新的套接字设置进辅助数组即可

1.     void AcceptClient()
2.     {
3.         //1.获取新连接，获取新的套接字
4.         int sockfd;
5.         Accept(sockfd);
6.         //2.把新连接设置进辅助数组
7.         int pos = 1;
8.         for(; pos < N ; ++pos)
9.         {
10.             //2.1选择一个没被用过的位置
11.             if(fd_array[pos] == defaultfd) break;
12.         }
13.         if(pos < N)
14.         {
15.             //2.2找到了一个没有被用的空位置
16.             fd_array[pos] = sockfd;
17.         }
18.         else
19.         {
20.             //pos == N
21.             //2.3说明fd_array已经被使用满了
22.             close(sockfd);
23.             std::cerr << "Server is full!" << std::endl;
24.         }
25.     }

复制代码

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    提供服务：Service
  Service注意不要死循环即可！ 

1.     void Service(int sockfd)
2.     {
3.             //获取客户端的输入
4.             char buffer[1024];
5.             int n = recv(sockfd, buffer, sizeof(buffer), MSG_WAITALL);
6.             if (n > 0)
7.             {
8.                 // 接收成功
9.                 std::cout << "Client say# " << buffer << std::endl;
10.                 // 服务器把buffer中的数据重新发送给客户端，完成服务
12.                 //发送客户端的输入
13.                 send(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0);
14.             }
15.             else if (n == 0)
16.             {
17.                 // 客户端套接字关闭
18.                 std::cout << "client socket close!" << std::endl;
19.                 close(sockfd);
20.             }
21.             else
22.             {
23.                 // recv error
24.                 std::cerr << "recv error!" << std::endl;
25.                 close(sockfd);
26.                 exit(5);
27.             }
28.     }

复制代码

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   修改Loop函数
  Loop函数的修改重要有几点 

• 先把listen套接字放入辅助数组
  
• 每一次循环都得遍历一遍辅助数组，构建fd_set输入型参数，用于转达select参数
  
• 遍历过程中找出最大的文件描述符，用于转达select参数
  

1.     void Loop() // 修改I/O为select
2.     {
3.         fd_array[0] = _listensock;
4.         while(true)//需要不断获取连接，打上死循环即可
5.         {
6.             //定义fd_set
7.             fd_set rfds;
8.             //填充fd_set
9.             FD_ZERO(&rfds);
10.             //max_fd主要用于select参数填写
11.             int max_fd = defaultfd;
12.             for(size_t i = 0 ; i < N ; ++i)
13.             {
14.                 if(fd_array[i] == defaultfd) continue;
15.                 FD_SET(fd_array[i],&rfds);
17.                 if(fd_array[i] > max_fd) max_fd = fd_array[i];
18.             }
19.             //调用select
20.             int n = select(max_fd + 1 , &rfds,nullptr,nullptr,nullptr);//select只关心读事件，并且阻塞等待
21.             if(n > 0)
22.             {
24.                 //表示已经有文件描述符条件就绪了，此时rfds中比特位为1的位置就是已经就绪的文件描述符
25.                 handlerEvent(rfds);
26.             }
27.             else if(n == 0)
28.             {
29.                 //阻塞等待不会走到这
30.                 std::cout << "timeout..." << std::endl;
31.                 continue;
32.             }
33.             else
34.             {
35.                 std::cerr << "Select Error!" << std::endl;
36.                 continue;
37.             }
38.         }
39.     }

复制代码

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select服务器代码链接 

select服务器实现

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select的优缺点 

优点：

• 与其他I/O模子相比，select可以同时等候多个fd。对I/O性能有着显著提升
  
• select是最早出现的多路转接的方案，在许多较旧的服务器或体系上，select仍然会被使用 
  

缺点：

• 同时等候的fd的个数，有上限。这一缺点是由于fd_set范例被设置为固定大小的位图。通常为1024个比特位
  
• select输入输出参数混合。每次都要进行重新设定。通过服务器的编写我们会发现，使用select往往会造成大范围的遍历，而遍历对性能的损耗其实也是蛮大的
  
• 内核和用户之间的数据拷贝，这个缺点全部的多路转接方案都会存在
  
• select底层监督多个fd的时候，OS会在内部进行遍历检测全部的fd，至少有一个就绪就返回。如果没有，就按照计谋！
  

由于select的缺点比较多，全部后来提出的多路转接方案都是基于这些缺点进行的改良。
其中，我们接下来先容的poll就对select的某些缺点进行了改良 

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多路转接之poll 

poll对select进行一定程度的改良

• poll解决了select同时等候fd有上限的问题
  
• poll解决了select输入输出混合，导致代码中出现多次遍历的问题
  

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   poll接口 

1.        #include <poll.h>
3.        int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);

复制代码

• timeout：poll的timeout是输入型参数，poll等候时按照timeout的计谋进行等候，可以类比select的timeout参数，poll的timeout的单位是ms(毫秒)，若poll在等候了timeout毫秒后还没有任何fd就绪，那么poll会超时返回。特殊的：若timeout被设置为0则表示非阻塞等候。若timeout被设置为-1则表示阻塞等候
  
• fds和nfds：这两个合起来我们可以看成是一个数组，其中nfds表示的是数组的元素个数，而fds表示数组的首元素地址。数组的元素范例是struct pollfd。
  

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   poll如何解决select输入输出参数混合的问题的？ 
   poll的fds实际上也是一个输入且输出型参数！
struct pollfd结构：

1.            struct pollfd {
2.                int   fd;         /* file descriptor */
3.                short events;     /* requested events */
4.                short revents;    /* returned events */
5.            };

复制代码

• fd：表示需要关心的文件描述符编号
  
• events：哀求事件，这是用于用户告诉内核需要关心fd的哪些事件，若这个参数用户设置为POLLIN，则表示需要关心fd的读事件。若这个参数用户设置为POLLOUT，则表示需要关心fd的写事件。若用户既想关心读，又想关心写，则 POLLOUT | POLLIN即可，也就是说参数可以进行组合
  
• revents：返回事件，这是内核告诉用户，指定fd的哪些事件好了！若用户想看看该fd的读事件是否就绪，则revents & POLLIN即可！
  

poll的事件除了读写以外另有哪些：（man手册有详细先容） 

• 
  
  

我们可以看出，poll的fds参数虽然还是输入输出型的参数，但用户通知内核和内核通知用户所用的变量不再是同一个，这就是poll解决输入输出混合问题的方案 

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   poll如何解决select同时等候的fd有上限的问题？ 
  从参数上，我们已经可以猜到它的解决方案了
poll的fds参数和nfds参数是共同使用的，fds相称于数据首元素地址，nfds是由用户确定的，换句话来说，只要用户想且内存允许，你的fd想要多少就有多少！不会受到poll接口的影响

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poll服务器实现(select服务器改写) 

经过select服务器的铺垫，poll服务器改写起来是相对容易的：poll服务器的改写代码

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poll的优缺点

优点：

• poll在select的基础上，补充了select的一些缺点。而且poll也是多路转接方案的一种，与其他四种I/O模子相比，poll的优点是它可以同时接收多个文件描述符
  
• poll在select的基础上，补充了select同时等候的fd有上限的问题，poll则是完全由用户自主决定fd的大小。
  
• poll在select的基础上，补充了select输入输出参数混合的问题，每次调用poll时，都不再需要重新遍历设定参数！
  

缺点：

• poll与我们后续所学习的epoll相比，它的缺点是底层poll在查抄fd是否就绪时，仍然接纳的是遍历整个fd数组的方式，效率较低
  
• poll虽然比起select来说较优，但由于其出现的时间点和技术发展的趋势，大多数旧的装备/服务器当中，都已经接纳了select。而对于新的装备/服务器来说，poll被epoll所替代。所以poll所处的地位较为尴尬
  
• 内核和用户之间的数据拷贝，这个缺点全部的多路转接方案都会存在
  

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