当前位置：首页 > news >正文

Linux网络：多路转接 select

news 2025/8/2 21:49:00

Linux网络：多路转接 select

一、系统调用
二、echo server
- 1、SelectServer类
- 2、构造函数
- 3、事件循环
- 4、事件派发
- 5、事件处理
- 6、测试
三、总结

select是最早的多路转接方式，它允许用户同时监听多个文件的状态变化，当一个或多个文件状态发生变化，select就会通知用户。

基本的多路转接使用流程：事件循环、事件派发、事件处理。

一、系统调用

Linux提供的系统调用函数就叫做select，需要包含头文件<sys/select.h>，函数声明如下：

在这里插入图片描述

此处引入了两个新的类型fd_set和struct timeval，它们是select所需的配置项。

fd_set表示一个文件描述符的集合，定义如下：

typedef struct {unsigned long fds_bits[__FDSET_LONGS];
} __kernel_fd_set;

这个结构体内部，存储了一个unsigned long的数组，其实这是一张位图，位图的大小由__FDSET_LONGS这个宏决定。可以把多个文件的描述符fd添加到这张位图中，就可以形成一个文件描述符的集合。

struct timeval表示一个时间，它用于设定select的返回时间，定义如下：

struct timeval{time_t tv_sec;susseconds_t tu_usec;
};

这个结构体的第一个变量tv_sec指定秒数，第二个变量tu_usec指定微秒数，两个数值结合，就得到一个指定的时间段

简单了解了这两个结构体的功能后，再看看select的五个参数：

nfds：监听的所有文件描述符中，最大的描述符的值 +1
readfds：文件描述符集指针，可以为NULL，集合内包含要监听读事件的文件
writefds：文件描述符集指针，可以为NULL，集合内存包含要监听写事件的文件
exceptfds：文件描述符集指针，可以为NULL，集合内包含要监听异常事件的文件
timeout：指向struct timeval的指针，表示这个select的超时时间

再解释一下三个文件描述符集合的事件：

读事件：这个文件内有数据到来了，可以进行读取
写事件：这个文件内有空位置了，可以进行写入
异常事件：这个文件发生了异常，需要进行异常处理

在网络的IO模型中，最常用的就是readfds读事件，因为不确定网络报文何时到达，也就是文件内何时有数据，此时就可以让select代管。当select检测到某一个网络文件内有数据到来了，本质就是有网络报文到达，就会触发读事件，表示这个文件内有数据可读了。

文件描述符集合fd_set不能直接操作，操作系统提供了四个函数专门操作fd_set：

// 把 fd 从 fd_set 中移除
void FD_CLR(int fd, fd_set *set);// 把 fd 添加到 fd_set 中
void FD_SET(int fd, fd_set *set);// 检测 fd 是否在 fd_set 中
int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set);// 把 fd_set 清空
void FD_ZERO(fd_set *set);

刚刚提到，fd_set本质是一个位图，它的大小由__FDSET_LONGS控制。而这个宏由操作系统维护，如果想要修改，需要重新编译内核，非常麻烦。所以select有一个重要的特性：

select能够同时监听的文件描述符fd是有上限的。

这其实是select的一个缺点，但是也不算很大的缺点。

另一个缺点才是最麻烦的：

每次select返回，三张fd_set集合全部都会被重新设置

在select中，三个fd_set传入的都是指针，这其实是一个输入输出型参数，输入时fd_set存储要监听事件的文件描述符，而返回时，三个fd_set都会被重新设置，表示这次调用select触发事件的文件描述符。

每次select返回，都会清空没有触发事件的描述符，下一次调用select要把所有文件描述符重新设置一遍
用户等到select返回后，要遍历整个fd_set才知道哪些文件描述符就绪了

除此之外timeval也是一个输入输出型参数，它的返回值表示剩余的时间。一个select不一定等到timeval设置的事件结束才返回，有可能某些文件就绪就提前返回了，此时timeval会被设置成剩余时间。

最后select本身还有一个int的返回值，这表示本次select中，有多少个文件描述符就绪了。

总结一下select的四个返回值：

select函数返回值：表示本次调用select有几个文件就绪
readfds：读事件就绪的文件描述符集合
writefds：写事件就绪的文件描述符集合
exceptfds：异常事件就绪的文件描述符集合
timeout：返回时的剩余时间

二、echo server

接下来使用select系统调用，实现一个简单的echo server。

1、SelectServer类

class SelectServer
{// Select可以监听的最大文件描述符的数量const static int gnum = sizeof(fd_set) * 8;const static int gdefaultfd = -1;public:// 构造SelectServer(uint16_t port) : _port(port), _listensock(std::make_unique<TcpSocket>()){_listensock->BuildListenSocket(port); // 初始化的时候，通过调用Socket.hpp里面的函数：创建listenfd}// 初始化函数void InitServer(){}// 事件派发后：处理listensock的函数void Accepter(){}// 事件派发后：处理普通文件IO的函数void HandlerIO(int i){}// 事件派发函数：一定会存在大量的fd就绪，可能是普通sockfd，也可能是listensockfdvoid HandlerEvent(fd_set &rfds){// 事件派发 :遍历辅助数组里面的fd}// 打印测试函数void PrintDebug(){}// 循环！void Loop(){}// 析构~SelectServer(){}
private:uint16_t _port;std::unique_ptr<Socket> _listensock;// 1. select要正常工作，需要借助一个辅助数组，来保存所有合法fdint fd_array[gnum];
};

在SelectSerer类中，包含3个成员变量：

_port：链接该进程的端口号
_listensock：TCP的监听套接字的fd，用于监听到来的客户端连接
fd_array：select要正常工作，需要借助一个辅助数组，来保存所有合法fd

除此之外，还维护了一个常量gnum，这是select可以监听的套接字的最大数量。sizeof(fd_set)是fd_set的字节数，每个字节8 bit，所以gnum= sizeof(fd_set) * 8。

2、构造函数

SelectServer(uint16_t port) : _port(port), _listensock(std::make_unique<TcpSocket>()){_listensock->BuildListenSocket(port); // 初始化的时候，通过调用Socket.hpp里面的函数：创建listenfd}

构造函数接收一个端口号，表示这个服务监听的端口。

开启服务：

先初始化把辅助数组里面的位图位置，设置为默认值，添加listensock到数组中
开启loop

void InitServer(){for (int i = 0; i < gnum; i++){fd_array[i] = gdefaultfd;}fd_array[0] = _listensock->Sockfd(); // 默认直接添加listensock到数组中}

这个函数用于进行死循环，每一轮循环进行一次select的调用，监听所有套接字，并处理数据。

void Loop(){// 只要将新的fd加入到辅助数组里面就会由Select统一监管！}

事件派发：

void HandlerEvent(fd_set &rfds);

这个函数用于进行事件派发，接受一个fd_set，把这个集合内部的为1的描述符进行读取，并调用事件处理函数，完成业务处理

事件处理：

 Accepter();// 1. listensockfd HandlerIO(i);// 2、普通的fd的读写

套接字包含两种类型：listensockfd用于接收客户端连接，以及一般的客户端套接字sockfd用于完成echo server，这需要两个不同的函数进行处理。

3、事件循环

void Loop(){// 只要将新的fd加入到辅助数组里面就会由Select统一监管！while (true){// 1、文件描述符初始化fd_set rfds;FD_ZERO(&rfds);int max_fd = gdefaultfd;// 2. 合法的fd 添加到rfds集合中for (int i = 0; i < gnum; i++){if (fd_array[i] == gdefaultfd)continue;FD_SET(fd_array[i], &rfds);// 更新出最大的fd值if (max_fd < fd_array[i])max_fd = fd_array[i];}struct timeval timeout{3, 0};int n = ::select(_listensock->Sockfd() + 1, &rfds, nullptr, nullptr, &timeout);// Select的返回值：n>0就绪事件的个数，n=0,超时；n<0，出错switch (n){case 0:LOG(DEBUG, "time out,%d.%d\n", timeout.tv_sec, timeout.tv_usec);break;case -1:LOG(ERROR, "select error\n");default:LOG(INFO, "have event ready,n:%d\n", n);HandlerEvent(rfds); // 事件派发PrintDebug();       // 测试打印sleep(1);break;}}}

4、事件派发

// 一定会存在大量的fd就绪，可能是普通sockfd，也可能是listensockfdvoid HandlerEvent(fd_set &rfds){// 事件派发 :遍历辅助数组里面的fdfor (int i = 0; i < gnum; i++){if (fd_array[i] == gdefaultfd)continue;// 代码走到此时，FD一定是合法的，但是不一定就绪！if (FD_ISSET(_listensock->Sockfd(), &rfds)) // 就绪的文件fd可能有多个，所以FD_ISSET，就是用来判断，具体按一个就绪了{// 1. listensockfd if(_listensock->Sockfd()==fd_array[i]){Accepter();// 进行了封装}// 2、普通的fd的读写else {HandlerIO(i);}}}}

对 1. listensockfd 和 2、普通的fd 的读写分别进行了封装！

5、事件处理

listensockfd 特殊处理：对网络监听套接字

void Accepter(){InetAddr addr;int sockfd = _listensock->Accepter(&addr);if (sockfd > 0){LOG(DEBUG, "get a new link,client info:%s:%d\n", addr.Ip().c_str(), addr.Port());// 事件处理bool flag = false;for (int pos = 1; pos < gnum; pos++){if (fd_array[pos] == gdefaultfd) // 说明该位置没有被设置！{flag = true;fd_array[pos] = sockfd;LOG(INFO, "add success %d to fd_array\n", sockfd);break;}}if (!flag){LOG(WARNING, "Server is full\n");::close(sockfd);}}}

对普通文件的读写处理！

void HandlerIO(int i){char buffer[1024];ssize_t n = ::recv(fd_array[i], buffer, sizeof(buffer) - 1, 0);if (n > 0){buffer[n] = 0;std::cout << "client say#" << buffer << std::endl;// 将客户端说的话，回显给服务器！std::string echo_str = "[server echo info]";echo_str += buffer;::send(fd_array[i], echo_str.c_str(), echo_str.size(), 0);}else if (n == 0) // 客户端啥也没说/退出{LOG(INFO, "client qiut...\n");// 关闭fd，让Select不再关心这个FD::close(fd_array[i]);fd_array[i] = gdefaultfd;}else{LOG(ERROR, "recv error\n");}return;}