从零开始认识五种IO模型
1 前言2 认识多路转接select3 多路转接select等待连接4 完善代码5 总结
1 前言
上一篇文章我们讲解了五种IO模型的基本概念，并通过系统调用使用了非阻塞IO。
一般的服务器不会使用非阻塞IO，因为非阻塞IO非常耗费CPU资源，导致CPU发热效率下降！非阻塞IO只有在特定情况下才比较好用！
今天我们来学习多路转接select。
我们知道IO = 等 + 拷贝。拷贝的前提是底层有数据，没有数据的时候就需要进行等待。为了提高效率可以等待多个文件描述符。多路转接就是等待文件描述符上的新事件，等到就可以通知程序员事件已经就绪，可以进行拷贝！
这个事件可以是：
读事件就绪：OS底层有数据了写事件就绪：OS底层有空间了今天我们要学习的就是多路转接select
2 认识多路转接select
我们先来看其作用与定位：
select的定位是：只在IO中只负责等待，不进行拷贝！ 并且select可以等待多个文件描述符，有新事件就进行通知。来看select系统调用：
SELECT(2) Linux Programmer's Manual SELECT(2)NAME select, pselect, FD_CLR, FD_ISSET, FD_SET, FD_ZERO - synchronous I/O multiplexingSYNOPSIS #include <sys/select.h> int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout); void FD_CLR(int fd, fd_set *set); int FD_ISSET(int fd, fd_set *set); void FD_SET(int fd, fd_set *set); void FD_ZERO(fd_set *set); int pselect(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, const struct timespec *timeout, const sigset_t *sigmask); Feature Test Macro Requirements for glibc (see feature_test_macros(7)): pselect(): _POSIX_C_SOURCE >= 200112Lselect函数中有5个参数，都是用来干什么的呢？
int nfds：输入性参数 ，表示等待的多个文件描述符最大值 加 1。比如等待1 2 5 6 99 这几个文件描述符，那么就要传入100。注意不是文件描述符的个数！struct timeval *timeout：输入输出性参数 ，这是一个结构体表示微秒级别的时间戳，其中有两个参数分别表示秒和微秒。这个参数告诉select在这个时间戳内进行阻塞式select，超出时间就进行一次返回。如果时间以内等到了新事件，就返回，并把剩余时间返回。传入{0，0}就是非阻塞轮询了。传入nullptr表示一直阻塞等待事件。
那么现在我们知道了两个参数，我们探索一下返回值：
大于0：有几个就绪了等于0：超时返回了小于0：select出错了那么其他三个参数呢？首先fd_set代表文件描述符集，是用位图进行维护的！位图下标表示文件描述符，该比特位的内容表示对应信息！一共1024比特位，可以表示1024个文件描述符，下面我们就来了解一下这三个参数：
这三个参数都是fd_set，是输入输出参数，分别对应读事件，写事件，异常事件。通过这三个位图的设置，我们就可以对一个文件描述符的操作指明清楚。今天我们以读事件为例进行讲解：
OK，现在我们了解了select的基本参数，下面我们就开始使用select进行编程
3 多路转接select等待连接
我们首先把之前的套接字基础的类拷贝过来：
class Socket:实现套接字的创建工作，并进入监听模式。class InetAddr:网络套接字基本信息类，用于进行网络套接字传参工作。class Log:进行日志信息的打印，便于调试 然后我们就来设计Selectsever类：
#pragma once#include "Socket.hpp"#include <sys/select.h>#include "Log.hpp"using namespace socket_ns;using namespace log_ns;class SelectServer{public: SelectServer(uint16_t port) : _port(port),_listensock(std::make_unique<TcpSocket>()) { // 建立监听套接字 _listensock->BuildListenSocket(_port); } ~SelectServer() {}; void Initserver() { } void Loop() { //进入服务 while(true) { //不能直接进行accept 因为底层不一定建立了连接,所以需要等待底层就绪 //等待过程交给select //_listensock->Accepter(); //创建fd_set fd_set rfds ; FD_ZERO(&rfds); //加入监听套接字文件描述符 FD_SET( _listensock->GetSockfd() , &rfds); //创建timeout struct timeval timeout = {3 , 0}; //进行select int n = ::select(_listensock->GetSockfd() + 1 , &rfds , nullptr , nullptr , &timeout); switch (n) { case 0: //超时 LOG(DEBUG , "timeout : %d.%d\n" , timeout.tv_sec , timeout.tv_usec); break; case -1: //出错了 LOG(ERROR, "select error\n"); break; default: //正常 LOG(INFO, "have event ready: n = %d\n" , n); //执行任务 HandlerEvent(rfds); break; } } }private: uint16_t _port; std::unique_ptr<Socket> _listensock;};我们运行程序来看等待效果：
可以正常的进行等待，当我们进行连接时：
select函数就能告诉我们有哪些文件描述符就绪，可以进行拷贝。这里可以得到一个现象：
当我们知道底层就绪时，我们就可以进行"拷贝"了：
void HandlerEvent(fd_set& rfds) { //判断是否是套接字就绪 if(FD_ISSET(_listensock->GetSockfd() , &rfds)) { //连接事件就绪 //那么这里我们可以进行accept吗？ InetAddr addr; int sockfd = _listensock->Accepter(&addr);//已经就绪 ,不会阻塞 //这时会得到一个新连接 if(sockfd > 0) { LOG(DEBUG ,"get a new link , client info %s:%d\n" , addr.Ip().c_str() ,addr.Port()); //TODO } else { return ; } } }但是有几个问题：
在上面的handler函数中，我们已经获取到了连接，那么下面敢不敢直接进行读取呢？当然不能，因为建立连接并不代表会有请求传过来！所以还需要等待请求！那么怎么知道底层有没有就绪呢？
还是通过select进行等待，想办法将新的fd添加给select，进行统一管理！那么这样select等待的fd不就越来越多，这要怎么进行维护呢？
通过辅助数据结构进行维护！由于select接口的参数是输入输出性，无法保存文件描述符，所以必然需要额外的数据结构进行维护文件描述符！
4 完善代码
针对上面的三个问题，我们首先要做的就是想办法通过一个数据结构维护需要进行select的文件描述符。每次进入循环进行select时，就要通过这个数据结构初始化rfds！然后在通过对返回值的rfds与辅助数据结构中的文件描述符进行比对，对有新事件的文件描述符进行处理！
对于这个数据结构我们选择最简单的一维C风格数组即可！进行初始化时都设置为默认值-1
const static int gnum = sizeof(fd_set) * 8; const static int gdefault = -1; //...void Initserver() { // 对数组进行初始化 for (int i = 0; i < gnum; i++) { fd_array[i] = gdefault; } // 加入监听套接字 fd_array[0] = _listensock->GetSockfd(); } //... // 辅助数组 int fd_array[gnum];通过这个数组，当我们进行循环时，每次就都需要通过这个数组进行初始化rfds。
void Loop() { // 进入服务 while (true) { // 创建fd_set fd_set rfds; FD_ZERO(&rfds); int max_fd = 0; // 首先根据fd_array将合法fd加入到rfds for (int i = 0; i < gnum; i++) { if (fd_array[i] == gdefault) continue; // 加入合法的文件描述符 FD_SET(fd_array[i], &rfds); // 维护一个文件描述符最大值 if (fd_array[i] > max_fd) max_fd = fd_array[i]; } // 创建timeout struct timeval timeout = {30, 0}; // 进行select int n = ::select(max_fd + 1, &rfds, nullptr, nullptr, &timeout); switch (n) { case 0: // 超时 LOG(DEBUG, "timeout : %d.%d\n", timeout.tv_sec, timeout.tv_usec); break; case -1: // 出错了 LOG(ERROR, "select error\n"); break; default: // 正常 LOG(INFO, "have event ready: n = %d\n", n); // 处理事件 HandlerEvent(rfds); PrintDebug(); break; } } }接下来我们来看handlerevent函数，进行select之后，如果有事件就绪，程序就会进入handlerevent函数。那么我们要如何判断是哪一个文件操作符的事件就绪了呢？
FD_ISSET，通过对每一个合法fd进行判断，我们就能够知道是哪一个文件操作符有事件就绪！如果是listenfd就绪，说明有新连接，需要进行accepter获取新连接的fd，将其存入到文件描述符数组中！如果是普通fd就绪，我们进行读写操作即可，如果有连接退出了，要及时更新数组。 void Accepter() { // 连接事件就绪 InetAddr addr; int sockfd = _listensock->Accepter(&addr); // 已经就绪 ,不会阻塞 // 这时会得到一个新连接 if (sockfd > 0) { LOG(DEBUG, "get a new link , client info %s:%d\n", addr.Ip().c_str(), addr.Port()); // 将新获取的fd加入到数组中 LOG(INFO, "get new fd :%d\n", sockfd); bool flag = false; for (int i = 0; i < gnum; i++) { if (fd_array[i] == gdefault) { flag = true; fd_array[i] = sockfd; break; } else continue; } if (flag == false) { LOG(WARNING, "fd_array have fill!\n"); } } } void HandlerIO(int &fd) { char buffer[1024]; int n = ::recv(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0); if (n > 0) { // 读取到了数据 buffer[n] = 0; std::string echo_str = "[client say]#"; echo_str += buffer; std::cout << echo_str << std::endl; // 返回一个报文 std::string content = "<html><body><h1>hello bite</h1></body></html>"; std::string ret_str = "HTTP/1.0 200 OK\r\n"; ret_str += "Content-Type: text/html\r\n"; ret_str += "Content-Length: " + std::to_string(content.size()) + "\r\n\r\n"; ret_str += content; // echo_str += buffer; ::send(fd, ret_str.c_str(), ret_str.size(), 0); // 临时方案 } else if (n == 0) { // 此时fd退出了 LOG(INFO, "fd:%d quit!\n", fd); ::close(fd); fd = gdefault; } else { LOG(ERROR, "recv error! errno:%d\n", errno); ::close(fd); fd = gdefault; } }void HandlerEvent(fd_set &rfds) { // 遍历fd_array判断是否有就绪的新事件 for (int i = 0; i < gnum; i++) { if (fd_array[i] == gdefault) continue; // 如果有新事件 if (FD_ISSET(fd_array[i], &rfds)) { // 进行判断是scokfd 还是普通fd if (fd_array[i] == _listensock->GetSockfd()) { Accepter(); } // 普通fd 进行正常读写 else { HandlerIO(fd_array[i]); } } } }这样就使用select完成了对连接的获取读取工作！来看效果：
可以看到，我们的数组中的有效fd随着客户端连接与中断会动态变化！
5 总结
根据上面的代码，我们可以总结出select的一些优缺点：
每次调用 select，都需要手动设置 fd 集合， 从接口使用角度来说也非常不便.每次调用 select， 都需要把 fd 集合从用户态拷贝到内核态， 这个开销在 fd 很多时会很大。这个是多路转接IO无法避免的问题！同时每次调用 select 都需要在内核遍历传递进来的所有 fd，这个开销在 fd 很多时很大。select 支持的文件描述符数量太小！虽然操作系统中文件描述符也有限制，但是这是操作系统的缺陷。同样select也是缺点这里不断的要进行循环遍历数组，造成的性能开销是比较大的！所以就有了其他两种多路转接方案：poll与epoll