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Linux中select函数学习及实例笔记

作者:  时间: 2010-09-19
Unix中的函数select和poll用来,支持Unix中I/O复用的 功能,在Unix中I/O模型可以分为以一几种:
(1)阻塞I/O
(2)非阻塞I/O
(3)I/O复用(select和poll)
(4)信号驱动I/O(SIGIO)
(5)异步I/O
   其中,现在比较流行的I/O模型是阻塞I/O模型.阻塞I/O是当应用程序和内核交换数据时,由于内核还没有准备好数据,那么应用程序必须进行阻塞,不能 继续执行,直到内核的数据准备好!应用程序取到数据返回后,阻塞过程结束!但返回的结果也并不一定是正确的!这里只是举一个简单的例子!也许情况会更加的 复杂!
   非阻塞I/O,例如在和内核交换数据时,如果内核的数据没有准备好,那么应用程序不会一真等待,会有一个返回信息,以判断是那里出了问题!这样有助于确认 是在那个阶段出了问题!
   I/O复用,我们就可以调用系统调用select和poll!在这两个系统调用中的某一个阻塞,而不是真正的阻塞I/O系统调用!
   下面主要介绍I/O复用中的select函数!select函数可以指示内核等待多个事件中的任一个发生,仅在一个或多个事件发生,或者等待一个足够的时 间后才唤醒进程!select函数的原型如下:
#include <sys/types.h>
#include<sys/time.h>
int select (int maxfdp1,fd_set *readset,fd_set * writeset,fd_set excpetset,const struct timeval *timeout);
返回值:准备好的描述符的正数目 0---超时 -1---出错!
其中最后一个参数是一个结构体的指针,它表示等待内核中的一组 描述符任一个准备好需要花费多久的时间!其中timeval指定了秒数和微秒数。
struct timeval{
         long tv_sec;//秒数
         long tv_usec;//微秒数
};
        
   将 timeout设置为空指针时,会永远等待下去,等待固定的时间:如果timeout指向的timeval中的具体的值时,会等待一个固定的时间,不等待 立刻返回,这时timeval中的tv_sec和tv_usec为0.
select有三个可能的返回值。
1.正常情况下返回就绪的文件描述符个数;
2.经过了 timeout时长后仍无设备准备好,返回值为0;
3.如果select被某个信号中断,它将返回-1并设置errno为EINTR。
4. 如果出错,返回-1并设置相应的errno。
EBADF 文件描述词为无效的或该文件已关闭
EINTR 此调用被信号所中断
EINVAL 参数n 为负值。
ENOMEM 核心内存不足
 中间的三个参数readset writeset和excpetset指定我们要让内核测试读、写、异常条件所需的描述字!函数select使用描述字集,它一般是一个整型的数组,每个 数中的每一位代表一个描述符!

系统提供了4个宏对描述符集进行操作:
#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
//设置文件描述符集fdset中对应于文件描述符fd的位
void FD_SET(int fd, fd_set *fdset);
//清除文件描述符集fdset中对应于文件描述符fd的位(设置为0)
void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset);
//清除文件描述符集fdset中的所有位(既把所有位都设置为0)
void FD_ZERO(fd_set *fdset);
//在调用select后使用FD_ISSET来检测文件描述符集 fdset中对应于文件描述符fd的位是否被设置。
void FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset);

例如下面一段代码:
fd_set readset;
FD_ZERO(&readset);
FD_SET(5, &readset);
FD_SET(33, &readset);
则文件描述符集readset中对应于文件描述符6和33的相应位被置为 1,如图1所示:
 
再执行如下程序后:
FD_CLR(5, &readset);
则文件描述符集readset对应于文件描述符6的相应位被置为0,如图2所示:
  通常,操作系统通过宏FD_SETSIZE来声明在一个进程中select所能操作的文件描述符的最大数目。一般情况下被定义为1024.一个整数占4个 字节,既32位,那么就是用包含32个元素的整数数组来表示文件描述符集。我们可以在头文件中修改这个值来改变select使用的文件描述符集的大小,但 是需要注意的是:必须重新编译内核才能使修改后的值有效。
   如果我们对其中的个一不感兴趣的话,可以设置为空指针。如果我们把三个都设为空指针,就实现了一个比sleep更准确的定时器。

   注意select函数的第一个参数maxfdp1,是所有加入集合的句柄值的最大那个值还要加1。比如我们的描述符为1 4 5,那么maxfdp1就为6.描述符从0开始。当我们调用函数时,指定我们关心的描述符集,当返回时,指示那些描述符已经准备好了。怎么样才算准备好 呢!下面列出几种情况:
下列四个条件中的任何一个满足时,套接口准备好读:
(1) 套接口接收缓冲区中的数据字节数大于等于套接口接收缓冲区低潮限度的当前值。可以通过SO_REVILOAT来设置此低潮限度。
(2)连接的读这 一半关闭,也就是接收了FIN的TCP连接,
(3)套接口是一个监听套接口且已完成的连接数为非0.
(4)有一个套接口错误等处理。
下列三个条件中的任一个满足时,套接口准备好写:
(1) 套接口发送缓冲区的可用空间字节娄大于等于套接口发送缓冲区低潮限度的当前值且或者(i)套接口已连接,或者(ii)套接口不要求连接。
(2)连 接的写这一半关闭,对这样的套接口写操作将产生信号SIGPIEP。
(3)有一个套接口错误待处理。

   下面是select函数的一个例子,主要参考网上的例子,并进行的适当的改变!并增加了客户端的程序。修改不fd[i]数组,可是实现动态的管理,也解决 了,当一个客户不断的断开再连接时,服务器也断开的情况。网址参考如下:
http://www.cnblogs.com/faraway/archive/2009/03/06/1404449.html

/*使用select函数可以以非阻塞的方式和多个socket通信。程序只是演示select函数的使用, 即使某个连接关闭以后也不会修改当前连接数,连接数达到最大值后会终止程序。
1. 程序使用了一个数组fd,通信开始后把需要通信的多个socket描述符都放入此数组
2. 首先生成一个叫sock_fd的socket描述符,用于监听端口。
3. 将sock_fd和数组fd中不为0的描述符放入select将检查的集合fdsr。
4. 处理fdsr中可以接收数据的连接。如果是sock_fd,表明有新连接加入,将新加入连接的socket描述符放置到fd。 */ 

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

#define MYPORT 1234 //连接时使用的端口

#define MAXCLINE 5 //连接队列中的个数

#define BUF_SIZE 200

int fd[MAXCLINE]; // 连接的fd

int conn_amount; //当 前的连接数


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


int main(void)
{
  int sock_fd,new_fd; // 监听套接字 连接套接字

  struct sockaddr_in server_addr; // 服务器的地址信息

  struct sockaddr_in client_addr; // 客户端的地址信息

  socklen_t sin_size;
  int yes = 1;
  char buf[BUF_SIZE];
  int ret;
  int i;
  // 建立sock_fd套接字

  if((sock_fd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==-1)
  {
    perror("setsockopt");
    exit(1);
  }
  // 设置套接口的选项 SO_REUSEADDR 允许在同一个端口启动服务器的多个实例

  // setsockopt的第二个参数SOL SOCKET 指定系统中,解释选项的级别 普通套接字

  if(setsockopt(sock_fd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&yes,sizeof(int))==-1)
  {
    perror("setsockopt error \n");
    exit(1);
  }
  
  server_addr.sin_family = AF_INET; // 主机字节序

  server_addr.sin_port = htons(MYPORT);
  server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;// 通配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 error!\n");
    exit(1);
  }

  if(listen(sock_fd,MAXCLINE)==-1)
  {
    perror("listen error!\n");
    exit(1);
  }

  printf("listen port %d\n",MYPORT);

  fd_set fdsr; //文件描述符集的定义

  int maxsock;
  struct timeval tv;

  conn_amount =0;
  sin_size = sizeof(client_addr);
  maxsock = sock_fd;

  while(1)
  {
    // 初始化文件描述符集合

    FD_ZERO(&fdsr); // 清除描述符集

    FD_SET(sock_fd,&fdsr); // 把sock_fd加入描述符集

    //超时的设定

    tv.tv_sec = 30;
    tv.tv_usec =0;
    // 添加活动的连接

    for(i=0;i<MAXCLINE;i++) 
    {
      if(fd[i]!=0)
      {
          FD_SET(fd[i],&fdsr);
      }
    }
    // 如果文件描述符中有连接请求 会做相应的处理,实现I/O的复用 多用户的连接通讯

    ret = select(maxsock +1,&fdsr,NULL,NULL,&tv);
    if(ret <0) // 没有找到有效的连接 失败

    {
      perror("select error!\n");
      break;
    }
    else if(ret ==0)// 指定的时间到,

    {
      printf("timeout \n");
      continue;
    }
    // 循环判断有效的连接是否有数据到达

    for(i=0;i<conn_amount;i++)
    {
      if(FD_ISSET(fd[i],&fdsr))
      {
        ret = recv(fd[i],buf,sizeof(buf),0);
        if(ret <=0) // 客户端连接关闭,清除文件描述符集中的相应的位

        {
          printf("client[%d] close\n",i);
          close(fd[i]);
          FD_CLR(fd[i],&fdsr);
          fd[i]=0;
          conn_amount--;
          
        }
        // 否则有相应的数据发送过来 ,进行相应的处理

        else
        {
          if(ret <BUF_SIZE)
            memset(&buf[ret],'\0',1);
          printf("client[%d] send:%s\n",i,buf);
        }
      }
    }

    if(FD_ISSET(sock_fd,&fdsr))
      {
        new_fd = accept(sock_fd,(struct sockaddr *)&client_addr,&sin_size);
        if(new_fd <=0)
        {
          perror("accept error\n");
          continue;
        }
        // 添加新的fd 到数组中 判断有效的连接数是否小于最大的连接数,如果小于的话,就把新的连接套接字加入集合

        if(conn_amount <MAXCLINE)
        {
          for(i=0;i< MAXCLINE;i++)
          {
            if(fd[i]==0)
            {
              fd[i] = new_fd;
              break;
            }
          }
         conn_amount++;
          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);
            continue;
          }
        }
        showclient();
      }

      for(i=0;i<MAXCLINE;i++)
      {
        if(fd[i]!=0)
        {
          close(fd[i]);
        }
      }
      
      exit(0);
  } 



//客户端的一个简单的实现,只是为了证实一下,服务器端程序的正确性 

//select_client.c

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

#define MAXDATASIZE 100
#define SERVPORT 1234
#define MAXLINE 1024
int main(int argc,char *argv[])
{
  int sockfd,sendbytes;
  // char send[MAXLINE];

   char send[MAXLINE];
  char buf[MAXDATASIZE];
  struct hostent *host;
  struct sockaddr_in serv_addr;
  if(argc <2)
  {
    fprintf(stderr,"Please enter the server's hostname\n");
    exit(1);
  }

  if((host = gethostbyname(argv[1])) == NULL)
  {
    perror("gethostbyname");
    exit(1);
  }
  if((sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0)) == -1)
  {
    perror("socket error \n");
    exit(1);
  }

  serv_addr.sin_family = AF_INET;
  serv_addr.sin_port = htons(SERVPORT);
  serv_addr.sin_addr = *((struct in_addr *)host->h_addr);
  bzero(&(serv_addr.sin_zero),8);

  if(connect(sockfd,(struct sockaddr *)&serv_addr,sizeof(struct sockaddr)) ==-1)
  {
    perror("connect \n");
    exit(1);
  }
  while(fgets(send,1024,stdin)!=NULL)
  {
     if((sendbytes = write(sockfd,send,100)) ==-1)
  {
    perror("send error \n");
    exit(1);
  }
  }
  close(sockfd);
}