select()函数以及FD_ZERO、FD_SET、FD_CLR、FD_ISSET

Z时代
2024-01-10
分类：综合

coding

select函数用于在非阻塞中，当一个套接字或一组套接字有信号时通知你，系统提供select函数来实现多路复用输入/输出模型，原型：
         #include <sys/time.h>
         #include <unistd.h>
         int select(int maxfd,fd_set *rdset,fd_set *wrset,fd_set *exset,struct timeval *timeout);
     参数maxfd是需要监视的最大的文件描述符值+1；rdset,wrset,exset分别对应于需要检测的可读文件描述符的集合，可写文件描述符的集合及异常文件描述符的集合。struct timeval结构用于描述一段时间长度，如果在这个时间内，需要监视的描述符没有事件发生则函数返回，返回值为0。
     fd_set（它比较重要所以先介绍一下）是一组文件描述字(fd)的集合，它用一位来表示一个fd（下面会仔细介绍），对于fd_set类型通过下面四个宏来操作：
      FD_ZERO(fd_set *fdset);将指定的文件描述符集清空，在对文件描述符集合进行设置前，必须对其进行初始化，如果不清空，由于在系统分配内存空间后，通常并不作清空处理，所以结果是不可知的。
      FD_SET(int fd, fd_set *fdset);用于在文件描述符集合中增加一个新的文件描述符。
      FD_CLR(int fd, fd_set *fdset);用于在文件描述符集合中删除一个文件描述符。
      FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset);用于测试指定的文件描述符是否在该集合中。
     过去，一个fd_set通常只能包含<32的fd（文件描述字），因为fd_set其实只用了一个32位矢量来表示fd；现在,UNIX系统通常会在头文件<sys/select.h>中定义常量FD_SETSIZE，它是数据类型fd_set的描述字数量，其值通常是1024，这样就能表示<1024的fd。根据fd_set的位矢量实现，我们可以重新理解操作fd_set的四个宏：
     fd_set set;
     FD_ZERO(&set);
     FD_SET(0, &set);
     FD_CLR(4, &set);
     FD_ISSET(5, &set);
―――――――――――――――――――――――――――――――――――――――
注意fd的最大值必须<FD_SETSIZE。
―――――――――――――――――――――――――――――――――――――――

select函数的接口比较简单：
int select(int nfds, fd_set *readset, fd_set *writeset,fd_set* exceptset, struct tim *timeout);

功能：
测试指定的fd可读？可写？有异常条件待处理？
参数：

—— nfds
     需要检查的文件描述字个数（即检查到fd_set的第几位），数值应该比三组fd_set中所含的最大fd值更大，一般设为三组fd_set中所含的最大fd值加1（如在readset,writeset,exceptset中所含最大的fd为5，则nfds=6，因为fd是从0开始的）。设这个值是为提高效率，使函数不必检查fd_set的所有1024位。
—— readset
     用来检查可读性的一组文件描述字。
—— writeset
     用来检查可写性的一组文件描述字。
—— exceptset
     用来检查是否有异常条件出现的文件描述字。(注：错误不包括在异常条件之内)
—— timeout
     用于描述一段时间长度，如果在这个时间内，需要监视的描述符没有事件发生则函数返回，返回值为0。
     有三种可能：
       1.timeout=NULL（阻塞：select将一直被阻塞，直到某个文件描述符上发生了事件）
       2.timeout所指向的结构设为非零时间（等待固定时间：如果在指定的时间段里有事件发生或者时间耗尽，函数均返回）
       3.timeout所指向的结构，时间设为0（非阻塞：仅检测描述符集合的状态，然后立即返回，并不等待外部事件的发生）

返回值：
返回对应位仍然为1的fd的总数。

Remarks：
三组fd_set均将某些fd位置0，只有那些可读，可写以及有异常条件待处理的fd位仍然为1。

举个例子，比如recv(),    在没有数据到来调用它的时候,你的线程将被阻塞,如果数据一直不来,你的线程就要阻塞很久.这样显然不好.
所以采用select来查看套节字是否可读(也就是是否有数据读了)
步骤如下——
socket    s;
.....
fd_set    set;
while(1)
{
       FD_ZERO(&set);//将你的套节字集合清空
       FD_SET(s,    &set);//加入你感兴趣的套节字到集合,这里是一个读数据的套节字s
       select(0,&set,NULL,NULL,NULL);//检查套节字是否可读,
                                                         //很多情况下就是是否有数据(注意,只是说很多情况)
                                                         //这里select是否出错没有写
       if(FD_ISSET(s,    &set)    //检查s是否在这个集合里面,
       {                                    //select将更新这个集合,把其中不可读的套节字去掉
                                           //只保留符合条件的套节字在这个集合里面
               recv(s,...);
       }
       //do    something    here
}

     理解select模型的关键在于理解fd_set,为说明方便，取fd_set长度为1字节，fd_set中的每一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用位表示是0000,0000。
     （2）若fd＝5,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。注意：没有事件发生的fd=5被清空。
     基于上面的讨论，可以轻松得出select模型的特点：
     （1)可监控的文件描述符个数取决与sizeof(fd_set)的值。我这边服务器上sizeof(fd_set)＝512，每bit表示一个文件描述符，则我服务器上支持的最大文件描述符是512*8=4096。据说可调，另有说虽然可调，但调整上限受于编译内核时的变量值。本人对调整fd_set的大小不太感兴趣，参考http://www.cppblog.com/CppExplore/archive/2008/03/21/45061.html中的模型2（1）可以有效突破select可监控的文件描述符上限。
     （2）将fd加入select监控集的同时，还要再使用一个数据结构array保存放到select监控集中的fd，一是用于再select 返回后，array作为源数据和fd_set进行FD_ISSET判断。二是select返回后会把以前加入的但并无事件发生的fd清空，则每次开始 select前都要重新从array取得fd逐一加入（FD_ZERO最先），扫描array的同时取得fd最大值maxfd，用于select的第一个参数。
     （3）可见select模型必须在select前循环array（加fd，取maxfd），select返回后循环array（FD_ISSET判断是否有时间发生）。
     下面给一个伪码说明基本select模型的服务器模型：
array[slect_len];
nSock=0;
array[nSock++]=listen_fd;(之前listen port已绑定并listen)
maxfd=listen_fd;
while{
    FD_ZERO(&set);
    foreach (fd in array)
    {
        fd大于maxfd，则maxfd=fd
        FD_SET(fd,&set)
    }
    res=select(maxfd+1,&set,0,0,0)；
    if(FD_ISSET(listen_fd,&set))
    {
        newfd=accept(listen_fd);
        array[nsock++]=newfd;
             if(--res=0) continue
    }
    foreach 下标1开始 (fd in array)
    {
        if(FD_ISSET(fd,&set))
           执行读等相关操作
           如果错误或者关闭，则要删除该fd，将array中相应位置和最后一个元素互换就好，nsock减一
              if(--res=0) continue
    }
}
     使用select函数的过程一般是：
     先调用宏FD_ZERO将指定的fd_set清零，然后调用宏FD_SET将需要测试的fd加入fd_set，接着调用函数select测试fd_set中的所有fd，最后用宏FD_ISSET检查某个fd在函数select调用后，相应位是否仍然为1。

     以下是一个测试单个文件描述字可读性的例子：
      int isready(int fd)
      {
          int rc;
          fd_set fds;
          struct tim tv;
          FD_ZERO(&fds);
          FD_SET(fd,&fds);
          tv.tv_sec = tv.tv_usec = 0;
          rc = select(fd+1, &fds, NULL, NULL, &tv);
          if (rc < 0)    //error
          return -1;
          return FD_ISSET(fd,&fds) ? 1 : 0;
      }
     下面还有一个复杂一些的应用：
     //这段代码将指定测试Socket的描述字的可读可写性，因为Socket使用的也是fd
uint32 SocketWait(TSocket *s,bool rd,bool wr,uint32 timems)
{
      fd_set rfds,wfds;
#ifdef _WIN32
      TIM tv;
#else
      struct tim tv;
#endif
      FD_ZERO(&rfds);
      FD_ZERO(&wfds);
      if (rd)      //TRUE
      FD_SET(*s,&rfds);    //添加要测试的描述字
      if (wr)      //FALSE
        FD_SET(*s,&wfds);
      tv.tv_sec=timems/1000;      //second
      tv.tv_usec=timems%1000;      //ms
      for (;;) //如果errno==EINTR，反复测试缓冲区的可读性
           switch(select((*s)+1,&rfds,&wfds,NULL,
               (timems==TIME_INFINITE?NULL:&tv))) //测试在规定的时间内套接口接收缓冲区中是否有数据可读
          {                                               //0－－超时，-1－－出错
          case 0:
               return 0;
          case (-1):
               if (SocketError()==EINTR)
                    break;
               return 0; //有错但不是EINTR
           default:
               if (FD_ISSET(*s,&rfds)) //如果s是fds中的一员返回非0，否则返回0
                    return 1;
               if (FD_ISSET(*s,&wfds))
                    return 2;
               return 0;
          };
}