多路I/O转接服务器
总览概述
多路IO转接服务器也叫做多任务IO服务器。该类服务器实现的主旨思想是，不再由应用程序自己监视客户端连接，取而代之由内核替应用程序监视文件。
主要使用的方法有三种：select poll epoll （三者通信原理一样）
select 多路IO转接
原理： 借助内核， select 来监听， 客户端连接、数据通信事件。
select工作原理：
传入要监听的文件描述符集合（可读、可写或异常）开始监听，select处于阻塞状态，当有事件发生或设置的等待时间timeout到了就会返回，返回之前自动去除集合中无事件发生的文件描述符，返回时传出有事件发生的文件描述符集合。但select传出的集合并没有告诉用户集合中包括哪几个就绪的文件描述符，需要用户后续进行遍历操作
多路I/O转接原理分析一
https://www.bilibili.com/video/BV1iJ411S7UA?p=52&spm_id_from=pageDriver&vd_source=d239c7cf48aa4f74eccfa736c3122e65多路IO转接原理分析二https://www.bilibili.com/video/BV1iJ411S7UA/?p=56&spm_id_from=pageDriver&vd_source=d239c7cf48aa4f74eccfa736c3122e65
select 函数原型
函数作用：select 就是监听 文件描述符 是否有读事件
监听等待参数集合中的两类文件描述符产生动静，产生动静后集合中只会剩下产生动静的文件描述符
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
- nfds：监听的所有文件描述符中，最大文件描述符+1
- readfds： 读 文件描述符监听集合。 传入、传出参数
- writefds：写 文件描述符监听集合。 传入、传出参数 NULL
- exceptfds：异常 文件描述符监听集合 传入、传出参数 NULL
- timeout： > 0: 设置监听超时时长。
NULL: 阻塞监听
0： 非阻塞监听，轮询
- 返回值：
> 0： 所有监听集合（3个）中， 满足对应事件的总数。
0： 没有满足监听条件的文件描述符
-1： errno
从 select函数返回后，内核告诉我们一下信息：
- 对我们的要求已经做好准备的描述符的个数
- 对于三种条件哪些描述符已经做好准备.(读，写，异常)
有了这些返回信息，我们可以调用合适的I/O函数(通常是 read 或 write)，并且这些函数不会再阻塞
select函数配套使用的四个宏
void FD_ZERO(fd_set *set); --- 清空一个文件描述符集合。fd_set rset;FD_ZERO(&rset);void FD_SET(int fd, fd_set *set); --- 将待监听的文件描述符，添加到监听集合中FD_SET(3, &rset); FD_SET(5, &rset); FD_SET(6, &rset);void FD_CLR(int fd, fd_set *set); --- 将一个文件描述符从监听集合中 移除。FD_CLR（4， &rset）;int FD_ISSET(int fd, fd_set *set); --- 判断一个文件描述符是否在监听集合中。返回值： 在：1；不在：0；FD_ISSET（4， &rset）;select实现多路IO转接原理分析
select实现多路IO转接原理分析https://www.bilibili.com/video/BV1iJ411S7UA/?p=57&spm_id_from=pageDriver&vd_source=d239c7cf48aa4f74eccfa736c3122e65
select使用经典案例
用select函数编写一个简单的高并发服务器，且假设服务器启动时处于无连接状态，满足以下功能：
a)可处理来自一个新客户端的连接请求；
b)监听可读事件，若已连接客户端的已连接描述符发生可读事件，服务器从客户端读取数据并处理；
select实现多路I/O转接
/* server.c */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <ctype.h>#include "wrap.h"#define SERV_PORT 6666int main(int argc, char *argv[])
{int listenfd, connfd; // connect fdchar buf[BUFSIZ]; /* #define INET_ADDRSTRLEN 16 */struct sockaddr_in clie_addr, serv_addr;socklen_t clie_addr_len;listenfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); int opt = 1; // 设置端口复用setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));bzero(&serv_addr, sizeof(serv_addr));serv_addr.sin_family= AF_INET;serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);serv_addr.sin_port= htons(SERV_PORT);Bind(listenfd, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr));Listen(listenfd, 128);fd_set rset, allset; // 定义 读集合,备份集合allsetint ret, maxfd = 0, n, i, j;maxfd = listenfd; // 最大文件描述符FD_ZERO(&allset); // 清空 监听集合FD_SET(listenfd, &allset); // 将待监听fd添加到监听集合中while (1) {rset = allset; // 备份ret = select(maxfd+1, &rset, NULL, NULL, NULL); // 使用select 监听if (ret < 0) {perr_exit("select error");}// 1、select监听listenfd 是否有客户端的连接请求if (FD_ISSET(listenfd, &rset)) { // listenfd 满足监听的 读事件clie_addr_len = sizeof(clie_addr) ;connfd = Accept(listenfd, (struct sockaddr *)&clie_addr, &clie_addr_len); // 建立链接 --- 不会阻塞FD_SET(connfd, &allset); // 将新产生的fd,添加到监听集合中, 监听数据读事件if (maxfd < connfd) // 修改maxfdmaxfd = connfd;if (ret == 1) // 说明select 只返回一个,并且是listenfd, 后续执行无须执行.continue;}for (i = listenfd+1; i <= maxfd; i++) { // 处理满足读事件的 fd // 2、select监听connfd 客户端是否有动静if (FD_ISSET(i, &rset)) { // 找到满足读事件的那个 fdn = Read(i, buf, sizeof(buf));if (n == 0) { // 检测到客户端已经关闭链接.Close(i); FD_CLR(i, &allset); // 将关闭的fd, 移除出监听集合.} else if (n == -1) {perr_exit("read error");}for (j = 0; j < n; j++)buf[j] = toupper(buf[j]);write(i, buf, n);write(STDOUT_FILENO, buf, n);}}}Close(listenfd);return 0;
}
select优缺点
优点：
- select的可移植性较好，可以跨平台；win、linux、macOS、Unix、类Unix、mips
- select可设置的监听时间timeout精度更好，可精确到微秒，而poll为毫秒。
缺点：
- 监听上限受文件描述符限制。 最大 1024；检测满足条件的fd， 自己添加业务逻辑提高小。 提高了编码难度。
- select每次调用时都要将文件描述符集合从用户态拷贝到内核态，开销较大；
- select返回的就绪文件描述符集合，需要用户循环遍历所监听的所有文件描述符是否在该集合中，当监听描述符数量很大时效率较低。
select案例改进（自定义数组）
select自定义数组改进经典案例
select 监听的文件描述符 比较散乱且数量较少 则效率较低 考虑改进
/* server */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <ctype.h>#include "wrap.h"#define SERV_PORT 6666int main(int argc, char *argv[])
{int i, j, n, maxi;int nready, client[FD_SETSIZE]; /* 自定义数组client, 防止遍历1024个文件描述符 FD_SETSIZE默认为1024 */int maxfd, listenfd, connfd, sockfd;char buf[BUFSIZ], str[INET_ADDRSTRLEN]; /* #define INET_ADDRSTRLEN 16 */struct sockaddr_in clie_addr, serv_addr;socklen_t clie_addr_len;fd_set rset, allset; /* rset 读事件文件描述符集合 allset用来暂存 */listenfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);int opt = 1; /* 设置端口复用 */setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));bzero(&serv_addr, sizeof(serv_addr));serv_addr.sin_family= AF_INET;serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);serv_addr.sin_port= htons(SERV_PORT);Bind(listenfd, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr));Listen(listenfd, 128);maxfd = listenfd; /* 起初 listenfd 即为最大文件描述符 */maxi = -1; /* 将来用作client[]的下标, 初始值指向0个元素之前下标位置 */for (i = 0; i < FD_SETSIZE; i++)client[i] = -1; /* 用-1初始化client[] */FD_ZERO(&allset);FD_SET(listenfd, &allset); /* 构造select监控文件描述符集 */while (1) { rset = allset; /* 每次循环时都从新设置select监控信号集 */nready = select(maxfd+1, &rset, NULL, NULL, NULL); //2 1--lfd 1--connfdif (nready < 0)perr_exit("select error");if (FD_ISSET(listenfd, &rset)) { /* 说明有新的客户端链接请求 */clie_addr_len = sizeof(clie_addr);connfd = Accept(listenfd, (struct sockaddr *)&clie_addr, &clie_addr_len); /* Accept 不会阻塞 */printf("received from %s at PORT %d\\n",inet_ntop(AF_INET, &clie_addr.sin_addr, str, sizeof(str)),ntohs(clie_addr.sin_port));for (i = 0; i < FD_SETSIZE; i++)if (client[i] < 0) { /* 找client[]中没有使用的位置 */client[i] = connfd; /* 保存accept返回的文件描述符到client[]里 */break;}if (i == FD_SETSIZE) { /* 达到select能监控的文件个数上限 1024 */fputs("too many clients\\n", stderr);exit(1);}FD_SET(connfd, &allset); /* 向监控文件描述符集合allset添加新的文件描述符connfd */if (connfd > maxfd)maxfd = connfd; /* select第一个参数需要 */if (i > maxi)maxi = i; /* 保证maxi存的总是client[]最后一个元素下标 */if (--nready == 0)continue;} for (i = 0; i <= maxi; i++) { /* 检测哪个clients 有数据就绪 */if ((sockfd = client[i]) < 0)continue;if (FD_ISSET(sockfd, &rset)) {if ((n = Read(sockfd, buf, sizeof(buf))) == 0) { /* 当client关闭链接时,服务器端也关闭对应链接 */Close(sockfd);FD_CLR(sockfd, &allset); /* 解除select对此文件描述符的监控 */client[i] = -1;} else if (n > 0) {for (j = 0; j < n; j++)buf[j] = toupper(buf[j]);Write(sockfd, buf, n);Write(STDOUT_FILENO, buf, n);}if (--nready == 0)break; /* 跳出for, 但还在while中 */}}}Close(listenfd);return 0;
}