高级IO select函数详解及实例分析

时间：2021-04-08 13:48:10 收藏：0 阅读：0

Select函数在Socket编程中还是比较重要的，可是对于初学Socket的人来说都不太爱用Select写程序，他们只是习惯写诸如connect、 accept、recv或recvfrom这样的阻塞程序（所谓阻塞方式block，顾名思义，就是进程或是线程执行到这些函数时必须等待某个事件的发生，如果事件没有发生，进程或线程就被阻塞，函数不能立即返回）。可是使用Select就可以完成非阻塞（所谓非阻塞方式non-block，就是进程或线程执行此函数时不必非要等待事件的发生，一旦执行肯定返回，以返回值的不同来反映函数的执行情况，如果事件发生则与阻塞方式相同，若事件没有发生则返回一个代码来告知事件未发生，而进程或线程继续执行，所以效率较高）方式工作的程序，它能够监视我们需要监视的文件描述符的变化情况——读写或是异常。下面详细介绍一下！

先说明两个结构体：

1、select机制中提供了一个数据结构 struct fd_set ，可以理解为一个集合，实际上是一个位图，每一个特定为来标志相应大小文件描述符，这个集合中存放的是文件描述符(file descriptor)，即文件句柄(也就是位图上的每一位都能与一个打开的文件句柄(文件描述符)建立联系，这个工作由程序员来完成)，这可以是我们所说的普通意义的文件，当然Unix下任何设备、管道、FIFO等都是文件形式，全部包括在内，所以毫无疑问一个socket就是一个文件，socket句柄就是一个文件描述符。fd_set集合可以通过一些宏由人为来操作，程序员通过操作4类宏，来完成最fd_set的操作：

(1)、FD_ZERO(fd_set *) 清空一个文件描述符集合；

(2)、FD_SET(int ,fd_set *)将一个文件描述符添加到一个指定的文件描述符集合中；

(3)、FD_CLR(int ,fd_set*) 将一个给定的文件描述符从集合中删除；

(4)、FD_ISSET(int ,fd_set* )检查集合中指定的文件描述符是否可以读写。

深入的理解select模型的关键点在于理解fd_set，为了说明方便，我们取fd_set长度为1个字节，fd_set中的每一个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用位表示为 0000,0000 。

（2）若fd = 5 ，则执行 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。没有可读事件发生时 fd = 5 被清空。

2、struct timeval，一个大家常用的结构，用来代表时间值，有两个成员，一个是秒数，另一个是毫秒数。


struct timeval
{
    long tv_sec;    //second
    long tv_usec;   //microsecond
};

这个结构体的精度可以精确至百万分之1秒。

接下来介绍select函数，函数格式为：

	int select(int maxfdp,fd_set *readfds,fd_set *writefds,fd_set *errorfds,struct timeval *timeout);

具体解释select的参数：

（1）int maxfdp是一个整数值，是指集合中所有文件描述符的范围，即所有文件描述符的最大值加1，不能错。

说明：对于这个原理的解释可以看上边fd_set的详细解释，fd_set是以位图的形式来存储这些文件描述符。maxfdp也就是定义了位图中有效的位的个数。

（2）fd_set *readfds是指向fd_set结构的指针，这个集合中应该包括文件描述符，我们是要监视这些文件描述符的读变化的，即我们关心是否可以从这些文件中读取数据了，如果这个集合中有一个文件可读，select就会返回一个大于0的值，表示有文件可读；如果没有可读的文件，则根据timeout参数再判断是否超时，若超出timeout的时间，select返回0，若发生错误返回负值。可以传入NULL值，表示不关心任何文件的读变化。

（3）fd_set *writefds是指向fd_set结构的指针，这个集合中应该包括文件描述符，我们是要监视这些文件描述符的写变化的，即我们关心是否可以向这些文件中写入数据了，如果这个集合中有一个文件可写，select就会返回一个大于0的值，表示有文件可写，如果没有可写的文件，则根据timeout参数再判断是否超时，若超出timeout的时间，select返回0，若发生错误返回负值。可以传入NULL值，表示不关心任何文件的写变化。

（4）fd_set *errorfds同上面两个参数的意图，用来监视文件错误异常文件。

（5）struct timeval* timeout是select的超时时间，这个参数至关重要，它可以使select处于三种状态，第一，若将NULL以形参传入，即不传入时间结构，就是将select置于阻塞状态，一定等到监视文件描述符集合中某个文件描述符发生变化为止；第二，若将时间值设为0秒0毫秒，就变成一个纯粹的非阻塞函数，不管文件描述符是否有变化，都立刻返回继续执行，文件无变化返回0，有变化返回一个正值；第三，timeout的值大于0，这就是等待的超时时间，即 select在timeout时间内阻塞，超时时间之内有事件到来就返回了，否则在超时后不管怎样一定返回，返回值同上述。

说明：

函数返回：

（1）当监视的相应的文件描述符集中满足条件时，比如说读文件描述符集中有数据到来时，内核(I/O)根据状态修改文件描述符集，并返回一个大于0 的数。

（2）当没有满足条件的文件描述符，且设置的timeval 监控时间超时时，select函数会返回一个为0的值。

（3）当select返回负值时，发生错误。

select函数的一些参考解析：http://www.groad.net/bbs/read.php?tid-1064.html

select函数与pselect函数的区别参考：http://hi.baidu.com/_jiangming/item/56d5c43fe2cadb4981f1a789

pselect函数是一个防止信号干扰的增强型 select函数

select()函数实例分析：

（1）在有了select后，可以写出像样的网络程序来！举个简单的例子，就是从网络上接受数据写入一个文件中。


int main()
{
    int sock;
    FILE *fp;
    struct fd_set fds;
    struct timeval timeout={3,0}; //select等待3秒，3秒轮询，要非阻塞就置0
    char buffer[256]={0}; //256字节的接收缓冲区
    /* 假定已经建立UDP连接，具体过程不写，简单，当然TCP也同理，主机ip和port都已经给定，要写的文件已经打开
    sock=socket(...);
    bind(...);
    fp=fopen(...); */
    while(1)
    {
        FD_ZERO(&fds); //每次循环都要清空集合，否则不能检测描述符变化
        FD_SET(sock,&fds); //添加描述符
        FD_SET(fp,&fds); //同上
        maxfdp=sock>fp?sock+1:fp+1; //描述符最大值加1
        switch(select(maxfdp,&fds,&fds,NULL,&timeout)) //select使用
        {
            case -1: exit(-1);break; //select错误，退出程序
            case 0:break; //再次轮询
            default:
            if(FD_ISSET(sock,&fds)) //测试sock是否可读，即是否网络上有数据
            {
                recvfrom(sock,buffer,256,.....);//接受网络数据    
                if(FD_ISSET(fp,&fds)) //测试文件是否可写
                fwrite(fp,buffer...);//写入文件
                //buffer清空;
            }// end if break;
        }// end switch
    }//end while
}//end main

（2） Linux下监控键盘上是否有数据到来？


#include <sys/time.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <assert.h>
int main ()
{
    int keyboard;
    int ret,i;
    char c;
    fd_set readfd;
    struct timeval timeout;
    keyboard = open("/dev/tty",O_RDONLY | O_NONBLOCK);
    assert(keyboard>0);
    while(1)
    {
        timeout.tv_sec=1;
        timeout.tv_usec=0;
        FD_ZERO(&readfd);
        FD_SET(keyboard,&readfd);
 
        ///监控函数
        ret=select(keyboard+1,&readfd,NULL,NULL,&timeout);
        if(ret == -1)   //错误情况
            cout<<"error"<<endl ;
        else if(ret)    //返回值大于0 有数据到来
            if(FD_ISSET(keyboard,&readfd))
            {
                i=read(keyboard,&c,1);
                if(‘\n‘==c)
                    continue;
                printf("hehethe input is %c\n",c);
                if (‘q‘==c)
                    break;
            }
        else    //超时情况
        {
            cout<<"time out"<<endl;
            continue;
        }
    }
}

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/select.h>

#define BUFSIZE	64
#define TTY1	"/dev/tty8"
#define TTY2	"/dev/tty9"

enum {
	STATE_R,
	STATE_W,
	STATE_EX,
	STATE_T
};
// 抽象状态机类型
struct relay_st {
	int rfd;
	int wfd;
	int state;
	char buf[BUFSIZE];
	int readcnt;
	char *errmsg;
	int pos;
};

// 状态机推动
int relay_drive(struct relay_st *r)
{
	int n;

	switch(r->state) {
		case STATE_R:
			r->readcnt = read(r->rfd, r->buf, BUFSIZE);
			if (r->readcnt == -1) {
				if (errno != EAGAIN) {
					// 文件为空--》假错
					r->errmsg = "read()";
					r->state = STATE_EX;	
				}
			} else if (r->readcnt == 0) {
				r->state = STATE_T;
			} else {
				r->pos = 0;
				r->state = STATE_W;	
			}
			break;
		case STATE_W:
			n = write(r->wfd, r->buf+r->pos, r->readcnt);
			if (n == -1) {
				if (errno != EAGAIN) {
					r->state = STATE_EX;
					r->errmsg = "write()";
				}
			} else if (n < r->readcnt) {
				r->pos += n;	
				r->readcnt -= n;
			} else {
				r->state = STATE_R;
			}
			break;
		case STATE_EX:
			fprintf(stderr, "%s:%s\n", r->errmsg, strerror(errno));
			r->state = STATE_T;
			break;
		case STATE_T:
			break;
	}

	return 0;
}

struct relay_st *relay_create(int rfd, int wfd)
{
	struct relay_st *me;
	int rfd_save, wfd_save;

	me = malloc(sizeof(*me));
	if (NULL == me)
		return NULL;

	// 确保rfd, wfd都是非阻塞io
	rfd_save = fcntl(rfd, F_GETFL);
	fcntl(rfd, F_SETFL, rfd_save | O_NONBLOCK);
	wfd_save = fcntl(wfd, F_GETFL);
	fcntl(wfd, F_SETFL, wfd_save | O_NONBLOCK);

	me->rfd = rfd;
	me->wfd = wfd;
	me->state = STATE_R;
	memset(me->buf, ‘\0‘, BUFSIZE);
	me->pos = 0;
	me->errmsg = NULL;
	me->readcnt = 0;

	return me;
}


int main(void)
{
	int fd1, fd2;
	struct relay_st *fd12, *fd21;
	fd_set rset, wset;

	fd1 = open(TTY1, O_RDWR);
	if (-1 == fd1) {
		perror("open()");
		exit(1);
	}

	fd2 = open(TTY2, O_RDWR | O_NONBLOCK);
	// if error

	fd12 = relay_create(fd1, fd2);
	fd21 = relay_create(fd2, fd1);

	while (1) {
		if (fd12->state == STATE_T && fd21->state == STATE_T)
			break;
		if (fd12->state == STATE_EX) {
			relay_drive(fd12);
			continue;
		}

		if (fd21->state == STATE_EX) {
			relay_drive(fd21);
			continue;
		}


		FD_ZERO(&rset);
		FD_ZERO(&wset);

		if (fd12->state == STATE_R) {
			FD_SET(fd12->rfd, &rset);
		} else if (fd12->state == STATE_W)
			FD_SET(fd12->wfd, &wset);

		if (fd21->state == STATE_R)
			FD_SET(fd21->rfd, &rset);
		else if (fd21->state == STATE_W)
			FD_SET(fd21->wfd, &wset);

		if (select((fd1>fd2?fd1:fd2)+1, &rset, &wset, NULL, NULL) == -1) {
			if (errno == EINTR)
				continue;
			perror("select()");
			goto ERROR;
		}

		if (FD_ISSET(fd12->rfd, &rset) || FD_ISSET(fd12->wfd, &wset))
			relay_drive(fd12);
		if (FD_ISSET(fd21->rfd, &rset) || FD_ISSET(fd21->wfd, &wset))
			relay_drive(fd21);
	}

	free(fd12);
	free(fd21);

	close(fd1);
	close(fd2);

	exit(0);
ERROR:
	free(fd12);
	free(fd21);

	close(fd1);
	close(fd2);
	exit(1);
}

本文借鉴了很多文章，表示感谢：

http://blog.csdn.net/s_k_yliu/article/details/6642645

http://blog.chinaunix.net/uid-26851094-id-3175153.html

http://baike.baidu.com/view/3421856.htm