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在Linux環境下select函數的初體驗

作者：Lin_R
運維 系統運維 Linux
在linux中, 主要的 IO復用方式中, 有epoll, poll 和select, 這次先來學習下select。select 能夠同時監視多個文件描述符的變法, 也支持超時返回。

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select介紹

在linux中, 主要的 IO復用方式中, 有epoll, poll 和select, 這次先來學習下select.

select 能夠同時監視多個文件描述符的變法, 也支持超時返回.

先來看下select函數的定義

  1. /* /usr/include/sys/select.h */ 
  2. extern int select (int __nfds,               // 最大文件描述符+1 
  3.            fd_set *__restrict __readfds,     // 讀狀態文件集 
  4.            fd_set *__restrict __writefds,    // 寫狀態文件集 
  5.            fd_set *__restrict __exceptfds,   // 異常狀態文件集 
  6.            struct timeval *__restrict __timeout);  // 超時時間  

如上圖函數聲明所示, 不管我們關注什么狀態, 我們都應該把同一類狀態的文件描述符存到同一個fd_set集合,以便select能夠相應的位置打上標簽, 以便后續我們來判斷該文件描述符是否已經準備好

這些傳遞給select函數的參數, 將告訴內核:

  • 我們需要監聽的文件描述符
  • 對于每個文件描述符, 我們所關心的狀態 (讀/寫/異常)
  • 我們要等待多長時間 (無限長/超時返回)

而內核也會通過select的返回, 告知我們一些信息:

  • 已經準備好的文件描述符個數
  • 那三種狀態分別是哪些文件描述符

我們可以通過以下方式將關注的文件描述符加入相應的文件集:

  1. int socket_test; 
  2. socket_test = socket(...);      //創建socket文件描述符 
  3. connent(socket_test,..);        //連接服務端 
  4. FD_SET(socket_test, &rdfds);    //加入讀狀態文件集 
  5. FD_SET(socket_test, &wdfds);    //加入寫狀態文件集 
  6. ....  

select原理

select函數執行順序是: SYSCALL_DEFINE5 (sys_select) -> core_sys_select -> do_select

我們都知道, select 支持監聽三個文件集: 讀文件集, 寫文件集, 異常文件集;

在我們調用FD_SET(socket_test, &rdfds)時, 實際上執行的操作是: 在rdfds成員數組中, 將__FDELT (d)位置的值 設成 __FDMASK (d), 直接說會有點疑惑, 先看下相關的函數,宏定義是怎樣定義的吧:

  1. /* 取自: /usr/include/sys/select.h */ 
  2. #define FD_SET(fd, fdsetp)  __FD_SET (fd, fdsetp) 
  3. typedef long int __fd_mask; 
  4.  
  5. /* 取自: /usr/include/bits/select.h  */ 
  6.  
  7. #define __NFDBITS   (8 * (int) sizeof (__fd_mask)) 
  8. #define __FDELT(d)  ((d) / __NFDBITS) 
  9. #define __FDMASK(d) ((__fd_mask) 1 << ((d) % __NFDBITS)) 
  10.  
  11. #define __FD_SET(d, set)    (__FDS_BITS (set)[__FDELT (d)] |= __FDMASK (d)) 
  12.  
  13. typedef struct 
  14.   { 
  15.     /* XPG4.2 requires this member name.  Otherwise avoid the name 
  16.        from the global namespace.  */ 
  17. #ifdef __USE_XOPEN 
  18.     __fd_mask fds_bits[__FD_SETSIZE / __NFDBITS]; 
  19. # define __FDS_BITS(set) ((set)->fds_bits) 
  20. #else 
  21.     __fd_mask __fds_bits[__FD_SETSIZE / __NFDBITS]; 
  22. # define __FDS_BITS(set) ((set)->__fds_bits) 
  23. #endif 
  24.   } fd_set; 
  25.  
  26. /* /usr/include/linux/posix_types.h */ 
  27. #define __FD_SETSIZE    1024  

舉個栗子, 假設 fd=3, 當我們執行FD_SET(fd, &rdfds)時:

  1. 算出 __FDELT(d) 和 __FDMASK(d)的值, 通過上面的宏定義, 可以分別得出結果: 3/(8*8), 1<<3%(8*8), 也就是0 和 二進制的 0000 0100
  2. 然后分別將值存入 rdfds.__fds_bits第0個位置, 值為十進制的8
  3. 我們可以將__fds_bit的每個索引看成是一個聚合的過程, 每個值8字節, 也就是有64位, 可以存64個fd, 在我的系統上, 算出數組的長度是__FD_SETSIZE / __NFDBITS = 1024/8=128個, 也就是大概能容納 128*64=8192(如果理解錯誤請指出)

經過上面的運算, 我們將需要關注的文件描述關聯到 rdfds文件集了, 對于寫文件集, 異常文件集都是同樣的運算, 等這些步驟都進行完了, 接下來就是進入core_sys_select函數了:

  1. 執行到 core_sys_select 時, 定義一個fd_set_bits結構體: fds.
  2. 分別為fds的成員(in, out, ex, res_in, res_out, res_ex)申請內存
  3. 將我們傳給select的 rdfds, wrfds, exfds分別賦值給 in, out, ex, 這樣fds就能記錄三個集合的結果了
  4. 初始化那個三個成員之后, 將執行do_select(n, &fds, end_time)
  5. 在do_select中, 函數將進入死循環,其中還有兩個循環, 分別是針對 "最大文件描述符數" 和 fd_set_bits數組中單個值位數. 從上面我們已經知道, 在fd_set_bits每個值都代表所關注的文件描述符, 每個值是__NFDBITS(8 *8字節)大小,也就是64位, 所以在上面循環內, 還要再循環64次
  6. 看到這里其實大家都應該有個底了, 為什么要循環那么多次, 因為我們需要通過每個文件描述符對應的file_operations結構體的接口f_op->poll來得知是否已經準備好了

簡單介紹 file_operations

我們都知道,當我們打開一些設備或者文件時, 總是返回一個文件描述符, 其實通過這個文件描述符, 我們通過fget_light 來獲得對應的file結構體, 為什么還要反查這個file, 因為通過這個file結構體可以得到: file_operations結構體

file_operations結構體: 用來存儲驅動內核模塊提供的對 設備進行各種操作的函數的指針。該結構體的每個域都對應著驅動內核模塊用來處理某個被請求的 事務的函數的地址。

  1. /* linux-2.6.32/include/linux/fs.h */ 
  2. struct file_operations { 
  3.    ... 
  4.     unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);    // select通過這個來獲取狀態 
  5.    ...(其他接口忽略)  

do_select 循環體源碼:

  1. /* select.c/do_select() */ 
  2. for (;;) { 
  3.         unsigned long *rinp, *routp, *rexp, *inp, *outp, *exp; 
  4.  
  5.         inp = fds->in; outp = fds->out; exp = fds->ex; 
  6.         rinp = fds->res_in; routp = fds->res_out; rexp = fds->res_ex; 
  7.  
  8.         for (i = 0; i < n; ++rinp, ++routp, ++rexp) {       
  9.             unsigned long in, out, ex, all_bits, bit = 1, mask, j; 
  10.             unsigned long res_in = 0, res_out = 0, res_ex = 0; 
  11.             const struct file_operations *f_op = NULL; 
  12.             struct file *file = NULL; 
  13.  
  14.             in = *inp++; out = *outp++; ex = *exp++; 
  15.             all_bits = in | out | ex; 
  16.             if (all_bits == 0) { 
  17.                 i += __NFDBITS; 
  18.                 continue; 
  19.             } 
  20.  
  21.             for (j = 0; j < __NFDBITS; ++j, ++i, bit <<= 1) {   // 遍歷64位 
  22.                 int fput_needed; 
  23.                 if (i >= n) 
  24.                     break; 
  25.                 if (!(bit & all_bits)) 
  26.                     continue; 
  27.  
  28.                 //在當前進程的struct files_struct中根據所謂的用戶空間文件描述符fd來獲取文件描述符 
  29.                 file = fget_light(i, &fput_needed);             
  30.                 if (file) { 
  31.                     f_op = file->f_op;          // file_operations結構體 
  32.                     mask = DEFAULT_POLLMASK; 
  33.                     if (f_op && f_op->poll) { 
  34.                         wait_key_set(wait, in, out, bit); 
  35.                         mask = (*f_op->poll)(file, wait); 
  36.                     } 
  37.                     fput_light(file, fput_needed); 
  38.                     if ((mask & POLLIN_SET) && (in & bit)) {    //判斷讀狀態 
  39.                         res_in |= bit; 
  40.                         retval++; 
  41.                         wait = NULL; 
  42.                     } 
  43.                     if ((mask & POLLOUT_SET) && (out & bit)) {  //判斷寫狀態 
  44.                         res_out |= bit; 
  45.                         retval++; 
  46.                         wait = NULL; 
  47.                     } 
  48.                     if ((mask & POLLEX_SET) && (ex & bit)) {    //判斷異常狀態 
  49.                         res_ex |= bit; 
  50.                         retval++; 
  51.                         wait = NULL; 
  52.                     } 
  53.                 } 
  54.             } 
  55.             if (res_in) 
  56.                 *rinp = res_in; 
  57.             if (res_out) 
  58.                 *routp = res_out; 
  59.             if (res_ex) 
  60.                 *rexp = res_ex; 
  61.             cond_resched(); 
  62.         } 
  63.         wait = NULL; 
  64.         if (retval || timed_out || signal_pending(current)) 
  65.             break; 
  66.         if (table.error) { 
  67.             retval = table.error; 
  68.             break; 
  69.         } 
  70.  
  71.         /* 
  72.          * If this is the first loop and we have a timeout 
  73.          * given, then we convert to ktime_t and set the to 
  74.          * pointer to the expiry value. 
  75.          */ 
  76.         if (end_time && !to) { 
  77.             expire = timespec_to_ktime(*end_time); 
  78.             to = &expire; 
  79.         } 
  80.  
  81.         if (!poll_schedule_timeout(&table, TASK_INTERRUPTIBLE, 
  82.                        to, slack)) 
  83.             timed_out = 1; 
  84.     }  

當select經歷完上面的流程, 將會有以下結果:

  • >0: 準備好的文件描述符個數
  • 0: 超時
  • -1: 出錯或者接收到信號

那我們接下來要做的就是,

  • 通過行FD_ISSET()判斷之前綁定的文件fd, 如果為真, 則進行相應操作
  • 因為select返回后, 之前存好的rdfds, wdfds, exfds都會被清空, 所以需要用FD_SET()重新加入

select實戰

上面已經學習到關于select的相關知識, 那么我們應該要來實戰下:

這次我們需要實現的目標是:

一個程序, 同時連接3個socket_server, 并且將socket_server發送的消息打印出來(不需要響應, 也不需要交互)

程序代碼:

  1. /* filename: test_select.c */ 
  2.  
  3. #include <stdio.h> 
  4. #include <stdlib.h> 
  5. #include <sys/socket.h> 
  6. #include <sys/select.h> 
  7. #include <sys/types.h> 
  8. #include <netinet/in.h> 
  9. #include <unistd.h> 
  10. #include <fcntl.h> 
  11. void main() 
  12. { 
  13.     // socket1 
  14.     int socketd; 
  15.     char buffer[1025];  
  16.     struct sockaddr_in seraddr; 
  17.     socketd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); 
  18.     seraddr.sin_family = AF_INET; 
  19.     seraddr.sin_port = htons(9997); 
  20.     inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &seraddr.sin_addr); 
  21.     if (connect(socketd, (struct sockaddr *) &seraddr, sizeof(seraddr))<0) 
  22.     { 
  23.         printf("socketd1 connect failed\n"); 
  24.         exit(3); 
  25.     } 
  26.  
  27.     // socket2 
  28.     int socketd2; 
  29.     char buffer2[1025]; 
  30.     struct sockaddr_in seraddr2; 
  31.     socketd2 = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); 
  32.     seraddr2.sin_family = AF_INET; 
  33.     seraddr2.sin_port = htons(9998); 
  34.     inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &seraddr2.sin_addr); 
  35.     if (connect(socketd2, (struct sockaddr *) &seraddr2, sizeof(seraddr))<0) 
  36.     { 
  37.         printf("socketd2 connect failed\n"); 
  38.         exit(3); 
  39.     } 
  40.  
  41.     // scoket3 
  42.     int socketd3; 
  43.     char buffer3[1025]; 
  44.     struct sockaddr_in seraddr3; 
  45.     socketd3 = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); 
  46.     seraddr3.sin_family = AF_INET; 
  47.     seraddr3.sin_port = htons(9999); 
  48.     inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &seraddr3.sin_addr); 
  49.     if (connect(socketd3, (struct sockaddr *) &seraddr3, sizeof(seraddr))<0) 
  50.     { 
  51.         printf("socketd3 connect failed\n"); 
  52.         exit(3); 
  53.     } 
  54.  
  55.     int maxfdp;   
  56.     fd_set fds;                      // select需要的文件描述符集合  
  57.     maxfdp = socketd3 + 1;           // select 第一個形參就是打開的最大文件描述符+1 
  58.     struct timeval timeout = {3, 0}; // 超時設置 
  59.     while(1) 
  60.     { 
  61.         FD_ZERO(&fds);               // 初始化文件描述符集合 
  62.         FD_SET(socketd, &fds);       // 分別添加以上三個需要監聽的文件描述符 
  63.         FD_SET(socketd2, &fds); 
  64.         FD_SET(socketd3, &fds); 
  65.         select(maxfdp, &fds, NULL, NULL, &timeout); 
  66.         // 通過FD_ISSET 來分別判斷 監聽的文件描述符在fds有沒有被設置成1 
  67.         if (FD_ISSET(socketd, &fds)) 
  68.         { 
  69.             read(socketd, buffer, 1024); 
  70.             printf("1 %s\n",buffer); 
  71.         } 
  72.         if(FD_ISSET(socketd2, &fds)) 
  73.         { 
  74.             read(socketd2, buffer2, 1024); 
  75.             printf("2 %s\n",buffer2); 
  76.              
  77.         } 
  78.         if(FD_ISSET(socketd3, &fds)) 
  79.         { 
  80.             read(socketd3, buffer3, 1024); 
  81.             printf("3 %s\n",buffer3); 
  82.              
  83.         } 
  84.     } 
  85. }  

為了快速建立簡單的測試服務端, 所以用python實現簡單socket_server:

  1. # socket1.py 
  2.  
  3. import socket 
  4. s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) 
  5. s.bind(('localhost', 9997)) 
  6. s.listen(2) 
  7. rint 'Socket1 is on ready!' 
  8. client, info = s.accept() 
  9. print info 
  10. while 1: 
  11.     message = raw_input('input: ') 
  12.     client.send(message) 
  13. s.close() 
  14.  
  15. ------------------------------- 
  16. # socket2.py 
  17.  
  18. import socket 
  19. s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) 
  20. s.bind(('localhost', 9998)) 
  21. s.listen(2) 
  22. rint 'Socket2 is on ready!' 
  23. client, info = s.accept() 
  24. print info 
  25. while 1: 
  26.     message = raw_input('input: ') 
  27.     client.send(message) 
  28. s.close() 
  29.  
  30. ------------------------------- 
  31. # socket3.py 
  32.  
  33. import socket 
  34. s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) 
  35. s.bind(('localhost', 9999)) 
  36. s.listen(2) 
  37. rint 'Socket3 is on ready!' 
  38. client, info = s.accept() 
  39. print info 
  40. while 1: 
  41.     message = raw_input('input: ') 
  42.     client.send(message) 
  43. s.close()  

分別運行 socket1.py, socket2.py, socket3.py將會看到如下結果:

  1. # 運行 socket1.py 
  2. [root@iZ23pynfq19Z ~]# python socket1.py  
  3. Socket1 is on ready! 
  4.  
  5. ---------------------- 
  6. # 運行 socket1.py 
  7. [root@iZ23pynfq19Z ~]# python socket2.py  
  8. Socket2 is on ready! 
  9.  
  10. ---------------------- 
  11. # 運行 socket1.py 
  12. [root@iZ23pynfq19Z ~]# python socket3.py  
  13. Socket3 is on ready!  

當我們編譯 test_select.c 并運行時, 將會看到三個服務端都出現了相應的響應:

  1. # 運行 socket1.py 
  2. [root@iZ23pynfq19Z ~]# python socket1.py  
  3. Socket1 is on ready! 
  4. ('127.0.0.1', 55951)  # 客戶端連接的信息, 端口不一定相同 
  5. input: 
  6.  
  7. ---------------------- 
  8. # 運行 socket1.py 
  9. [root@iZ23pynfq19Z ~]# python socket2.py  
  10. Socket2 is on ready! 
  11. ('127.0.0.1', 55921) 
  12. input: 
  13.  
  14. ---------------------- 
  15. # 運行 socket1.py 
  16. [root@iZ23pynfq19Z ~]# python socket3.py  
  17. Socket3 is on ready! 
  18. ('127.0.0.1', 55933) 
  19. input:  

那么我們來嘗試三個服務端分別發送消息到select程序吧:

  1. # socket1.py 
  2. [root@iZ23pynfq19Z ~]# python socket1.py  
  3. Socket1 is on ready! 
  4. ('127.0.0.1', 55951)  # 客戶端連接的信息, 端口不一定相同 
  5. input: asd 
  6. input: qwe 
  7. input: as 
  8. input:  
  9. ---------------------- 
  10. # socket1.py 
  11. [root@iZ23pynfq19Z ~]# python socket2.py  
  12. Socket2 is on ready! 
  13. ('127.0.0.1', 55921) 
  14. input: asd 
  15. input: asd 
  16. input: asd 
  17. input: as 
  18. input: s 
  19. input:  
  20.  
  21. ---------------------- 
  22. # socket1.py 
  23. [root@iZ23pynfq19Z ~]# python socket3.py  
  24. Socket3 is on ready! 
  25. ('127.0.0.1', 55933) 
  26. input: asd 
  27. input: qwe 
  28. input: a 
  29. input:   

將看到select程序都能輸出三個socket_server發出的消息:

 

 

 

 

需要注意的是:

  • 前面的數字是socket_server的編號, 因為server發送消息的順序是亂的, 所以輸出的編號也是亂的
  • 這次只為驗證select, 所以并沒對程序的健壯性作較好的設計, 所以如果服務端/客戶端刷屏了, 直接ctrl-c終止吧

經過上述的實驗, 我們應該能夠簡單的了解select的用法和效果, 通過select實現IO多路復用, 可以讓我們一定程度上避免多線程/多進程的繁瑣, 在我們日常工作上, 有必要的話嘗試這種方式也不失一種偷懶的方法. 

責任編輯：龐桂玉 來源： Lin_R的博客
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