Linux Socket 編程I/O Multiplexing

Linux Socket 編程中I/O Multiplexing 主要通過三個函數來實現：select, poll,epoll來實現。I/O Multiplexing，先構造一張有關描述符的列表，然後調用一個函數，直到這些描述符中的一個已准備好進行I/O時，該函數才返回。在返回時，它告訴進程哪些描述符已准備好可以進行I/O。本文具體介紹一下select 和poll的用法，給出簡單的demo代碼，簡要分析一下這兩個函數的使用易出錯的地方。

#include<sys/select.h>

int select(int maxfdp1, fd_set *restrict readfds, fd_set *restrict writefds,fd_set *restrict exceptfds, struct timeval* restrict tvptr);

//Returns: count of ready descriptors, 0 on timeout, -1 on error

　　中間三個參數readfds、writefds和exceptfds是指向描述符集的指針。這三個描述符集說明了我們關心的可讀、可寫或出於異常條件的各個描述符，設置為NULL則表示不關心。每個描述符集存放在一個fd_set數據類型中。這種數據類型為每一可能的描述符保持一位。描述符集的函數接口（可能實現為宏）包括：調用FD_ZERO將一個指定的fd_set變量的所有位設置為0；調用FD_SET設置一個fd_set變量的指定位；調用FD_CLR將一指定位清楚；調用FD_ISSET測試一指定位是否設置。

#include <sys/select.h>

int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset);

　　//Returns: nonzero if fd is in set, 0 otherwise

void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset);

void FD_SET(int fd, fd_set *fdset);

void FD_ZERO(fd_set *fdset); 

　　文件描述符集fdset中的文件描述符的個數是有限制的，最大值由FD_SETSIZE指定，一般為1024.

　　Select 最後一個參數用於設置超時值，當select監聽達到超時值時還未有關心的事件發生則返回，函數返回值為0.

struct timeval{

　　long tv_sec;//second

　　long tv_usec;//minisecond

} 

　　超時參數如果設置為 NULL 則無限等待。

　　下面來是一個簡單的select Echo server：

// simpleEcho.cpp
#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/types.h>
#include <vector>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>

#define SEVER_PORT 1314
#define MAX_LINE_LEN 1024

using namespace std;

int main()
{
    struct sockaddr_in cli_addr, server_addr;
    socklen_t sock_len;
    vector<int> client(FD_SETSIZE,-1);

    fd_set rset,allset;
    int listenfd, connfd, sockfd, maxfd, nready, ix,maxid, nrcv,one;
    char addr_str[INET_ADDRSTRLEN],buf[MAX_LINE_LEN];


    bzero(&server_addr,sizeof server_addr);
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    server_addr.sin_port = htons(SEVER_PORT);

    listenfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);

    one = 1;
    setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR,&one, sizeof(one));


    if(bind (listenfd ,(struct sockaddr *)&server_addr ,sizeof server_addr) < 0 )
    {
        printf("socket bind error" );
        return 0;
    }
    
    listen(listenfd ,10);
    
    FD_ZERO(&allset);
    FD_SET(listenfd ,&allset );
    
    maxfd = listenfd ;
    maxid = -1 ;
    
    while(1 )
    {
        rset = allset; //!
        nready = select (maxfd + 1, &rset,NULL,NULL,NULL);
    
        if(nready < 0 )
        {
                printf("select error! \n" );
                exit(1 );
        }
    
        if(FD_ISSET (listenfd , &rset ))
        {
                sock_len = sizeof cli_addr;
                connfd = accept (listenfd ,(struct sockaddr *)&cli_addr , &sock_len);
    
                printf("recieve from : %s at port %d\n" , inet_ntop(AF_INET,&cli_addr .sin_addr ,addr_str ,INET_ADDRSTRLEN ),cli_addr .sin_port );
    
                for(ix = 0 ; ix < static_cast< int>(client .size()); ix++)
                {
                    if(client[ix] < 0 )
                    {
                            client[ix] = connfd ;
                            break;
                    }
                }
    
                printf("client[%d] = %d\n" ,ix ,connfd );
    
                if( FD_SETSIZE == ix)
                {
                    printf("too many client! \n" );
                    exit(1 );
                }
    
                if( connfd > maxfd)
                {
                    maxfd = connfd;
                }
    
                FD_SET(connfd, &allset );
    
                if(ix > maxid )
                {
                    maxid = ix;
                }
                
                if(--nready == 0)
                {
                    continue;
                }
    
        }
    
        for(ix = 0 ; ix <= maxid; ix++)  //<=
        {
                if((sockfd = client [ix ]) < 0)
                {
                    continue;
                }
    
                if(FD_ISSET (sockfd ,&rset ))
                {
                    if( 0 == (nrcv = read(sockfd,buf,MAX_LINE_LEN )))
                    {
                            close(sockfd);
                            client[ix] = -1 ;
                            FD_CLR(sockfd ,&allset );
                    }
                    else
                    {
                            printf("RECIEVE: %s \n" ,buf );
                            write(sockfd,buf,nrcv);
                    }
                }
    
                if(--nready == 0)
                {
                    break;
                }
        }

    }
    
    return 0;
}  

　　在使用select 的時候要注意兩點：

　　　　第一個參數需要是當前所關心的文件描述符中最大的一個+1

　　　　第二需要注意的是select的中間3個參數采用了“value-result”(UNP1的說法）的方式，設置了關心的文件描述符進行select，select返回之後對應描述的fdset中只有有事件發生的對應fd會被設置，其它關心但是沒有事件發生的描述符將會從fdset中清除掉，如果不進行重新賦值，下次select就不會關注這些描述符了，因此上述代碼中allset每次對rset進行復制。

　　來看看如果只在while(1) 之前設置rset，在while(1) 中不在每次select之前賦值會發生什麼，在控制台輸入: strace ./simpleEcho，另外打開一個控制台窗口輸入：nc localhost 1314，這作為一個連接Echo server 的 client，然後輸入你想發往Echo Server內容。關鍵我們來看一下Echo server的情況：