select深入理解

1 数据结构与函数原型

1.1 select

函数原型

   int select(
      int nfds,
      fd_set *readset,
      fd_set *writeset,
      fd_set* exceptset,
      struct timeval *timeout
   );

头文件
select位于：#include <sys/select.h>
struct timeval位于：#include <sys/time.h>

返回值: 返回对应位仍然为1的fd的总数。
参数

nfds：第一个参数是：最大的文件描述符值+1；
readset：可读描述符集合；
writeset：可写描述符集合；
exceptset：异常描述符；
timeout：select 的监听时长，如果这短时间内所监听的 socket 没有事件发生。

1.2 描述符集合fd_set

试想由你实现这样一个集合，可以往里添加任意0~1024之间的数(FD_SET操作），也可以将加入到集合中的数移除——移除一个（FD_CLR操作）或全部清零（FD_ZERO），你会如何实现？
》》》历史上，系统将描述符集作为整数比特掩码来实现。一种比较好的思路是使用位图bitmap，往集合了添加n时只需将第n个bit位置1，移除n时只需将第n个比特置为0，移除所有数据时，只需将所有bit置为0，可以通过memset操作来实现。fd_set的实现就是采用位图bitmap（关于位图可以参考《编程珠玑》第一章）。

fd_set结构体定义

   #define __FD_SETSIZE    1024
   typedef __kernel_fd_set     fd_set;
   typedef struct {
       unsigned long fds_bits[__FD_SETSIZE / (8 * sizeof(long))];
   } __kernel_fd_set;

可以看出，fd_set结构体里面是一个无符号长整型的数组，总共有1024/(8 * 4) = 32个元素，然而这并不是说select最多只能监控32个文件的变化。过去，描述符集被作为一个整数位屏蔽码得到实现，但是这种实现对于多于32个的文件描述符将无法工作。描述符集现在通常用整数数组中的位域表示，数组元素的每一位对应一个文件描述符。例如，一个整数占32位，那么整数数组的第一个元素代表文件描述符0到31，数组的第二个元素代表文件描述符32到63，以此类推，最多可监控32*32 = 1024个文件的变化。
宏FD_SET设置整数数组中对应于fd文件描述符的位为1，宏FD_CLR设置整数数组中对应于fd文件描述符的位为0，宏FD_ZERO设置整数数组中的所有位都为0。fd_set可以理解为一个集合，这个集合中存放的是文件描述符(file descriptor)，即文件句柄。

//每个ulong为32位，可以表示32个bit。
//fd  >> 5 即 fd / 32，找到对应的ulong下标i；fd & 31 即fd % 32，找到在ulong[i]内部的位置
 
#define __FD_SET(fd, fdsetp)   (((fd_set *)(fdsetp))->fds_bits[(fd) >> 5] |= (1<<((fd) & 31)))             //设置对应的bit
#define __FD_CLR(fd, fdsetp)   (((fd_set *)(fdsetp))->fds_bits[(fd) >> 5] &= ~(1<<((fd) & 31)))            //清除对应的bit
#define __FD_ISSET(fd, fdsetp)   ((((fd_set *)(fdsetp))->fds_bits[(fd) >> 5] & (1<<((fd) & 31))) != 0)     //判断对应的bit是否为1
#define __FD_ZERO(fdsetp)   (memset (fdsetp, 0, sizeof (*(fd_set *)(fdsetp))))                             //memset bitmap

1.2.1 清空描述符集合

FD_ZERO(fd_set *)

1.2.2 向描述符集合添加指定描述符

FD_SET(int, fd_set *)

1.2.3 从描述符集合删除指定描述符

FD_CLR(int, fd_set *)

1.2.4 检测指定描述符是否在描述符集合中

FD_ISSET(int, fd_set *)

1.2.5 描述符最大数量

#define FD_SETSIZE 1024

1.3 深入理解select模型：

理解select模型的关键在于理解fd_set,为说明方便，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。

（1）执行fd_set set; FD_ZERO(&set);则set用位表示是0000,0000。
（2）若fd＝5,执行FD_SET(fd,&set);后set变为0001,0000(第5位置为1)
（3）若再加入fd＝2，fd=1,则set变为0001,0011
（4）执行select(6,&set,0,0,0)阻塞等待
（5）若fd=1,fd=2上都发生可读事件，则select返回，此时set变为0000,0011。注意：没有事件发生的fd=5被清空。

基于上面的讨论，可以轻松得出select模型的特点：

（1)可监控的文件描述符个数取决与sizeof(fd_set)的值。我这边服务器上sizeof(fd_set)＝512，每bit表示一个文件描述符，则我服务器上支持的最大文件描述符是512*8=4096。据说可调，另有说虽然可调，但调整上限受于编译内核时的变量值。

（2）将fd加入select监控集的同时，还要再使用一个数据结构array保存放到select监控集中的fd，一是用于再select 返回后，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并无事件发生的fd清空，则每次开始 select前都要重新从array取得fd逐一加入（FD_ZERO最先），扫描array的同时取得fd最大值maxfd，用于select的第一个参数。

（3）可见select模型必须在select前循环array（加fd，取maxfd），select返回后循环array（FD_ISSET判断是否有时间发生）。

TCP使用select流程图

下面给一个伪码说明基本select模型的服务器模型：

    
　　nSock=0;
　　array[nSock++]=listen_fd;(之前listen port已绑定并listen)
　　maxfd=listen_fd;

　　while(1){

    　　FD_ZERO(&set);

    　　foreach (fd in array)
    　　{
        　　fd大于maxfd，则maxfd=fd
        　　FD_SET(fd,&set)
    　　}

    　　res=select(maxfd+1,&set,0,0,0)；

    　　if(FD_ISSET(listen_fd,&set))
    　　{
        　　newfd=accept(listen_fd);
        　　array[nsock++]=newfd;
        　　if(--res<=0) continue;
    　　}

    　　foreach 下标1开始 (fd in array)
    　　{
        　　if(FD_ISSET(fd,&tyle="COLOR: #ff0000">set))
        　　执行读等相关操作
        　　如果错误或者关闭，则要删除该fd，将array中相应位置和最后一个元素互换就好，nsock减一
        　　if(--res<=0) continue;
    　　}

　　}

利用Select模型，设计的web服务器：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

#define MYPORT 88960    // the port users will be connecting to

#define BACKLOG 10     // how many pending connections queue will hold

#define BUF_SIZE 200

int fd_A[BACKLOG];    // accepted connection fd
int conn_amount;    // current connection amount

void showclient()
{
    int i;
    printf("client amount: %d\n", conn_amount);
    for (i = 0; i < BACKLOG; i++) {
        printf("[%d]:%d  ", i, fd_A[i]);
    }
    printf("\n\n");
}

int main(void)
{
    int sock_fd, new_fd;  // listen on sock_fd, new connection on new_fd
    struct sockaddr_in server_addr;    // server address information
    struct sockaddr_in client_addr; // connector's address information
    socklen_t sin_size;
    int yes = 1;
    char buf[BUF_SIZE];
    int ret;
    int i;

    if ((sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1) {
        perror("socket");
        exit(1);
    }

    if (setsockopt(sock_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &yes, sizeof(int)) == -1) {
        perror("setsockopt");
        exit(1);
    }
    
    server_addr.sin_family = AF_INET;         // host byte order
    server_addr.sin_port = htons(MYPORT);     // short, network byte order
    server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // automatically fill with my IP
    memset(server_addr.sin_zero, '\0', sizeof(server_addr.sin_zero));

    if (bind(sock_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {
        perror("bind");
        exit(1);
    }

    if (listen(sock_fd, BACKLOG) == -1) {
        perror("listen");
        exit(1);
    }

    printf("listen port %d\n", MYPORT);

    fd_set fdsr;
    int maxsock;
    struct timeval tv;

    conn_amount = 0;
    sin_size = sizeof(client_addr);
    maxsock = sock_fd;
    while (1) {
        // initialize file descriptor set
        FD_ZERO(&fdsr);
        FD_SET(sock_fd, &fdsr);

        // timeout setting
        tv.tv_sec = 30;
        tv.tv_usec = 0;

        // add active connection to fd set
        for (i = 0; i < BACKLOG; i++) {
            if (fd_A[i] != 0) {
                FD_SET(fd_A[i], &fdsr);
            }
        }

        ret = select(maxsock + 1, &fdsr, NULL, NULL, &tv);
        if (ret < 0) {
            perror("select");
            break;
        } else if (ret == 0) {
            printf("timeout\n");
            continue;
        }

        // check every fd in the set
        for (i = 0; i < conn_amount; i++) {
            if (FD_ISSET(fd_A[i], &fdsr)) {
                ret = recv(fd_A[i], buf, sizeof(buf), 0);
                
                char str[] = "Good,very nice!\n";
                
                send(fd_A[i],str,sizeof(str) + 1, 0);
                
                
                if (ret <= 0) {        // client close
                    printf("client[%d] close\n", i);
                    close(fd_A[i]);
                    FD_CLR(fd_A[i], &fdsr);
                    fd_A[i] = 0;
                } else {        // receive data
                    if (ret < BUF_SIZE)
                        memset(&buf[ret], '\0', 1);
                    printf("client[%d] send:%s\n", i, buf);
                }
            }
        }

        // check whether a new connection comes
        if (FD_ISSET(sock_fd, &fdsr)) {
            new_fd = accept(sock_fd, (struct sockaddr *)&client_addr, &sin_size);
            if (new_fd <= 0) {
                perror("accept");
                continue;
            }

            // add to fd queue
            if (conn_amount < BACKLOG) {
                fd_A[conn_amount++] = new_fd;
                printf("new connection client[%d] %s:%d\n", conn_amount,
                        inet_ntoa(client_addr.sin_addr), ntohs(client_addr.sin_port));
                if (new_fd > maxsock)
                    maxsock = new_fd;
            }
            else {
                printf("max connections arrive, exit\n");
                send(new_fd, "bye", 4, 0);
                close(new_fd);
                break;
            }
        }
        showclient();
    }

    // close other connections
    for (i = 0; i < BACKLOG; i++) {
        if (fd_A[i] != 0) {
            close(fd_A[i]);
        }
    }

    exit(0);
}

本文内容转自：http://blog.csdn.net/tianmohust/article/details/6595998