select介绍
在linux中, 主要的 io复用方式中, 有epoll, poll 和select, 这次先来学习下select.
select 能够同时监视多个文件描述符的变法, 也支持超时返回.
先来看下select函数的定义
/* /usr/include/sys/select.h */
extern int select (int __nfds, // 最大文件描述符+1
fd_set *__restrict __readfds, // 读状态文件集
fd_set *__restrict __writefds, // 写状态文件集
fd_set *__restrict __exceptfds, // 异常状态文件集
struct timeval *__restrict __timeout); // 超时时间
如上图函数声明所示, 不管我们关注什么状态, 我们都应该把同一类状态的文件描述符存到同一个fd_set集合,以便select能够相应的位置打上标签, 以便后续我们来判断该文件描述符是否已经准备好
这些传递给select函数的参数, 将告诉内核:
我们需要监听的文件描述符
对于每个文件描述符, 我们所关心的状态 (读/写/异常)
我们要等待多长时间 (无限长/超时返回)
而内核也会通过select的返回, 告知我们一些信息:
已经准备好的文件描述符个数
那三种状态分别是哪些文件描述符
我们可以通过以下方式将关注的文件描述符加入相应的文件集:
int socket_test;
socket_test = socket(...); //创建socket文件描述符
connent(socket_test,..); //连接服务端
fd_set(socket_test, &rdfds); //加入读状态文件集
fd_set(socket_test, &wdfds); //加入写状态文件集
....
select原理
select函数执行顺序是: syscall_define5 (sys_select) -> core_sys_select -> do_select
我们都知道, select 支持监听三个文件集: 读文件集, 写文件集, 异常文件集;
在我们调用fd_set(socket_test, &rdfds)时, 实际上执行的操作是: 在rdfds成员数组中, 将__fdelt (d)位置的值 设成 __fdmask (d), 直接说会有点疑惑, 先看下相关的函数,宏定义是怎样定义的吧:
/* 取自: /usr/include/sys/select.h */
#define fd_set(fd, fdsetp) __fd_set (fd, fdsetp)
typedef long int __fd_mask;
/* 取自: /usr/include/bits/select.h */
#define __nfdbits (8 * (int) sizeof (__fd_mask))
#define __fdelt(d) ((d) / __nfdbits)
#define __fdmask(d) ((__fd_mask) 1 << ((d) % __nfdbits))
#define __fd_set(d, set) (__fds_bits (set)[__fdelt (d)] |= __fdmask (d))
typedef struct
{
/* xpg4.2 requires this member name. otherwise avoid the name
from the global namespace. */
#ifdef __use_xopen
__fd_mask fds_bits[__fd_setsize / __nfdbits];
# define __fds_bits(set) ((set)->fds_bits)
#else
__fd_mask __fds_bits[__fd_setsize / __nfdbits];
# define __fds_bits(set) ((set)->__fds_bits)
#endif
} fd_set;
/* /usr/include/linux/posix_types.h */
#define __fd_setsize 1024
举个栗子, 假设 fd=3, 当我们执行fd_set(fd, &rdfds)时:
算出 __fdelt(d) 和 __fdmask(d)的值, 通过上面的宏定义, 可以分别得出结果: 3/(8*8), 1<<3%(8*8), 也就是0 和 二进制的 0000 0100
然后分别将值存入 rdfds.__fds_bits第0个位置, 值为十进制的8
我们可以将__fds_bit的每个索引看成是一个聚合的过程, 每个值8字节, 也就是有64位, 可以存64个fd, 在我的系统上, 算出数组的长度是__fd_setsize / __nfdbits = 1024/8=128个, 也就是大概能容纳 128*64=8192(如果理解错误请指出)
经过上面的运算, 我们将需要关注的文件描述关联到 rdfds文件集了, 对于写文件集, 异常文件集都是同样的运算, 等这些步骤都进行完了, 接下来就是进入core_sys_select函数了:
执行到 core_sys_select 时, 定义一个fd_set_bits结构体: fds.
分别为fds的成员(in, out, ex, res_in, res_out, res_ex)申请内存
将我们传给select的 rdfds, wrfds, exfds分别赋值给 in, out, ex, 这样fds就能记录三个集合的结果了
初始化那个三个成员之后, 将执行do_select(n, &fds, end_time)
在do_select中, 函数将进入死循环,其中还有两个循环, 分别是针对 "最大文件描述符数" 和 fd_set_bits数组中单个值位数. 从上面我们已经知道, 在fd_set_bits每个值都代表所关注的文件描述符, 每个值是__nfdbits(8 *8字节)大小,也就是64位, 所以在上面循环内, 还要再循环64次
看到这里其实大家都应该有个底了, 为什么要循环那么多次, 因为我们需要通过每个文件描述符对应的file_operations结构体的接口f_op->poll来得知是否已经准备好了
简单介绍 file_operations
我们都知道,当我们打开一些设备或者文件时, 总是返回一个文件描述符, 其实通过这个文件描述符, 我们通过fget_light 来获得对应的file结构体, 为什么还要反查这个file, 因为通过这个file结构体可以得到: file_operations结构体
file_operations结构体: 用来存储驱动内核模块提供的对 设备进行各种操作的函数的指针。该结构体的每个域都对应着驱动内核模块用来处理某个被请求的 事务的函数的地址。
/* linux-2.6.32/include/linux/fs.h */
struct file_operations {
...
unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *); // select通过这个来获取状态
...(其他接口忽略)
do_select 循环体源码:
/* select.c/do_select() */
for (;;) {
unsigned long *rinp, *routp, *rexp, *inp, *outp, *exp;
inp = fds->in; outp = fds->out; exp = fds->ex;
rinp = fds->res_in; routp = fds->res_out; rexp = fds->res_ex;
for (i = 0; i < n; ++rinp, ++routp, ++rexp) {
unsigned long in, out, ex, all_bits, bit = 1, mask, j;
unsigned long res_in = 0, res_out = 0, res_ex = 0;
const struct file_operations *f_op = null;
struct file *file = null;
in = *inp++; out = *outp++; ex = *exp++;
all_bits = in | out | ex;
if (all_bits == 0) {
i += __nfdbits;
continue;
}
for (j = 0; j < __nfdbits; ++j, ++i, bit <<= 1) { // 遍历64位
int fput_needed;
if (i >= n)
break;
if (!(bit & all_bits))
continue;
//在当前进程的struct files_struct中根据所谓的用户空间文件描述符fd来获取文件描述符
file = fget_light(i, &fput_needed);
if (file) {
f_op = file->f_op; // file_operations结构体
mask = default_pollmask;
if (f_op && f_op->poll) {
wait_key_set(wait, in, out, bit);
mask = (*f_op->poll)(file, wait);
}
fput_light(file, fput_needed);
if ((mask & pollin_set) && (in & bit)) { //判断读状态
res_in |= bit;
retval++;
wait = null;
if ((mask & pollout_set) && (out & bit)) { //判断写状态
res_out |= bit;
if ((mask & pollex_set) && (ex & bit)) { //判断异常状态
res_ex |= bit;
}
if (res_in)
*rinp = res_in;
if (res_out)
*routp = res_out;
if (res_ex)
*rexp = res_ex;
cond_resched();
}
wait = null;
if (retval || timed_out || signal_pending(current))
break;
if (table.error) {
retval = table.error;
/*
* if this is the first loop and we have a timeout
* given, then we convert to ktime_t and set the to
* pointer to the expiry value.
*/
if (end_time && !to) {
expire = timespec_to_ktime(*end_time);
to = &expire;
if (!poll_schedule_timeout(&table, task_interruptible,
to, slack))
timed_out = 1;
}
当select经历完上面的流程, 将会有以下结果:
>0: 准备好的文件描述符个数
0: 超时
-1: 出错或者接收到信号
那我们接下来要做的就是,
通过行fd_isset()判断之前绑定的文件fd, 如果为真, 则进行相应操作
因为select返回后, 之前存好的rdfds, wdfds, exfds都会被清空, 所以需要用fd_set()重新加入
select实战
上面已经学习到关于select的相关知识, 那么我们应该要来实战下:
这次我们需要实现的目标是:
一个程序, 同时连接3个socket_server, 并且将socket_server发送的消息打印出来(不需要响应, 也不需要交互)
程序代码:
/* filename: test_select.c */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/select.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
void main()
{
// socket1
int socketd;
char buffer[1025];
struct sockaddr_in seraddr;
socketd = socket(af_inet, sock_stream, 0);
seraddr.sin_family = af_inet;
seraddr.sin_port = htons(9997);
inet_pton(af_inet, "127.0.0.1", &seraddr.sin_addr);
if (connect(socketd, (struct sockaddr *) &seraddr, sizeof(seraddr))<0)
{
printf("socketd1 connect failed\n");
exit(3);
}
// socket2
int socketd2;
char buffer2[1025];
struct sockaddr_in seraddr2;
socketd2 = socket(af_inet, sock_stream, 0);
seraddr2.sin_family = af_inet;
seraddr2.sin_port = htons(9998);
inet_pton(af_inet, "127.0.0.1", &seraddr2.sin_addr);
if (connect(socketd2, (struct sockaddr *) &seraddr2, sizeof(seraddr))<0)
printf("socketd2 connect failed\n");
// scoket3
int socketd3;
char buffer3[1025];
struct sockaddr_in seraddr3;
socketd3 = socket(af_inet, sock_stream, 0);
seraddr3.sin_family = af_inet;
seraddr3.sin_port = htons(9999);
inet_pton(af_inet, "127.0.0.1", &seraddr3.sin_addr);
if (connect(socketd3, (struct sockaddr *) &seraddr3, sizeof(seraddr))<0)
printf("socketd3 connect failed\n");
int maxfdp;
fd_set fds; // select需要的文件描述符集合
maxfdp = socketd3 + 1; // select 第一个形参就是打开的最大文件描述符+1
struct timeval timeout = {3, 0}; // 超时设置
while(1)
fd_zero(&fds); // 初始化文件描述符集合
fd_set(socketd, &fds); // 分别添加以上三个需要监听的文件描述符
fd_set(socketd2, &fds);
fd_set(socketd3, &fds);
select(maxfdp, &fds, null, null, &timeout);
// 通过fd_isset 来分别判断 监听的文件描述符在fds有没有被设置成1
if (fd_isset(socketd, &fds))
{
read(socketd, buffer, 1024);
printf("1 %s\n",buffer);
if(fd_isset(socketd2, &fds))
read(socketd2, buffer2, 1024);
printf("2 %s\n",buffer2);
if(fd_isset(socketd3, &fds))
read(socketd3, buffer3, 1024);
printf("3 %s\n",buffer3);
}
为了快速建立简单的测试服务端, 所以用python实现简单socket_server:
# socket1.py
import socket
s = socket.socket(socket.af_inet, socket.sock_stream)
s.bind(('localhost', 9997))
s.listen(2)
rint 'socket1 is on ready!'
client, info = s.accept()
print info
while 1:
message = raw_input('input: ')
client.send(message)
s.close()
-------------------------------
# socket2.py
s.bind(('localhost', 9998))
rint 'socket2 is on ready!'
# socket3.py
s.bind(('localhost', 9999))
rint 'socket3 is on ready!'
s.close()
分别运行 socket1.py, socket2.py, socket3.py将会看到如下结果:
# 运行 socket1.py
[root@iz23pynfq19z ~]# python socket1.py
socket1 is on ready!
----------------------
[root@iz23pynfq19z ~]# python socket2.py
socket2 is on ready!
[root@iz23pynfq19z ~]# python socket3.py
socket3 is on ready!
当我们编译 test_select.c 并运行时, 将会看到三个服务端都出现了相应的响应:
('127.0.0.1', 55951) # 客户端连接的信息, 端口不一定相同
input:
('127.0.0.1', 55921)
socket3 is on ready!
('127.0.0.1', 55933)
input:
那么我们来尝试三个服务端分别发送消息到select程序吧:
input: asd
input: qwe
input: as
input: s
input: a
input:
将看到select程序都能输出三个socket_server发出的消息:
需要注意的是:
前面的数字是socket_server的编号, 因为server发送消息的顺序是乱的, 所以输出的编号也是乱的
这次只为验证select, 所以并没对程序的健壮性作较好的设计, 所以如果服务端/客户端刷屏了, 直接ctrl-c终止吧
经过上述的实验, 我们应该能够简单的了解select的用法和效果, 通过select实现io多路复用, 可以让我们一定程度上避免多线程/多进程的繁琐, 在我们日常工作上, 有必要的话尝试这种方式也不失一种偷懒的方法.
作者：lin_r
来源：51cto