【Linux | 网络】多路转接IO之select

一、select函数

#include <sys/select.h>int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

功能：用于同时监控多个文件描述符的 IO 状态，通过 select，程序可以在单个线程中处理多个 IO 事件，避免为每个 IO 操作创建单独的线程，从而提高资源利用率和并发性能。但是select只负责等待，拷贝需要read、recv、write、send等负责。

参数：

• nfds：需要检查的最大文件描述符值 + 1
• readfds：输入输出型参数，fd_set本质上是一张位图
  • 输入时：
    • 比特位的位置：对应文件描述符的值
    • 比特位的内容：用户告诉内核，是否监控对应文件描述符的读事件
  • 输出时：
    • 比特位的位置：对应文件描述符的值
    • 比特位的内容：内核告诉用户，对应文件描述符的读事件 是否就绪
• writefds：输入输出型参数，fd_set本质上是一张位图
  • 输入时：
    • 比特位的位置：对应文件描述符的值
    • 比特位的内容：用户告诉内核，是否监控对应文件描述符的写事件
  • 输出时：
    • 比特位的位置：对应文件描述符的值
    • 比特位的内容：内核告诉用户，对应文件描述符的写事件 是否就绪
• exceptfds：输入输出型参数，fd_set本质上是一张位图
  • 输入时：
    • 比特位的位置：对应文件描述符的值
    • 比特位的内容：用户告诉内核，是否监控对应文件描述符的异常事件
  • 输出时：
    • 比特位的位置：对应文件描述符的值
    • 比特位的内容：内核告诉用户，对应文件描述符的异常事件 是否就绪
• timeout：超时时间，控制 select 的阻塞行为：
  • NULL：永久阻塞，直到有文件描述符就绪
  • 0：立即返回（非阻塞模式）
  • >0：指定超时时间（秒 + 微秒），超时后返回。
    

返回值：

• 正数：表示就绪的文件描述符总数
• 0：表示超时（无文件描述符就绪）
• -1：表示错误，并设置 errno（如 EINTR 表示被信号中断）

操作系统不建议用户直接修改fd_set位图，所以操作系统提供以下宏操作，来操作fd_set位图。

FD_ZERO(fd_set *set);    // 清空集合
FD_SET(int fd, fd_set *set);  // 将 fd 添加到集合
FD_CLR(int fd, fd_set *set);  // 从集合中移除 fd
FD_ISSET(int fd, fd_set *set);  // 检查 fd 是否在集合中（就绪时返回非零）

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二、select的优缺点

• 优点
  • select只负责等待，可以等待多个文件描述符，在IO的时候效率会比较高
• 缺点
  1. 使用select的时候，用户每次都需要对select的参数进行重置
  2. 在编写代码的时候，select需要用到第三方数组，会充满遍历，可能会影响select的效率
  3. 用户到内核，内核到用户，每次select的调用和返回，都需要对位图进行重置操作；用户和内核之间，需要一直进行数据拷贝
  4. select会让操作系统在底层遍历要关心的所有文件描述符，会导致效率降低
  5. fd_set是操作系统提供的一个类型，本身是一个位图，fd_set的大小是固定的，也就是fd_set的比特位位数是有上线的，所以select能够检测文件描述符的个数也是有限的

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三、实现select服务器（只关心读事件）

3.1 Log.hpp（日志）

#pragma once#include "LockGuard.hpp"
#include <iostream>
#include <string>
#include <stdarg.h>
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <time.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>using namespace std;// 日志等级
enum
{Debug = 0, // 调试Info,      // 正常Warning,   // 警告Error,     // 错误，但程序并未直接退出Fatal      // 程序直接挂掉
};enum
{Screen = 10, // 打印到显示器上OneFile,     // 打印到一个文件中ClassFile    // 按照日志等级打印到不同的文件中
};string LevelToString(int level)
{switch (level){case Debug:return "Debug";case Info:return "Info";case Warning:return "Warning";case Error:return "Error";case Fatal:return "Fatal";default:return "Unknow";}
}const char *default_filename = "log.";
const int default_style = Screen;
const char *defaultdir = "log";class Log
{
public:Log(): style(default_style), filename(default_filename){// mkdir(defaultdir,0775);pthread_mutex_init(&_log_mutex, nullptr);}void SwitchStyle(int sty){style = sty;}void WriteLogToOneFile(const string &logname, const string &logmessage){int fd = open(logname.c_str(), O_CREAT | O_WRONLY | O_APPEND, 0666);if (fd == -1)return;{LockGuard lockguard(&_log_mutex);write(fd, logmessage.c_str(), logmessage.size());}close(fd);}void WriteLogToClassFile(const string &levelstr, const string &logmessage){mkdir(defaultdir, 0775);string name = defaultdir;name += "/";name += filename;name += levelstr;WriteLogToOneFile(name, logmessage);}void WriteLog(int level, const string &logmessage){switch (style){case Screen:{LockGuard lockguard(&_log_mutex);cout << logmessage;}break;case OneFile:WriteLogToClassFile("All", logmessage);break;case ClassFile:WriteLogToClassFile(LevelToString(level), logmessage);break;default:break;}}string GetTime(){time_t CurrentTime = time(nullptr);struct tm *curtime = localtime(&CurrentTime);char time[128];// localtime 的年是从1900开始的，所以要加1900， 月是从0开始的所以加1snprintf(time, sizeof(time), "%d-%d-%d %d:%d:%d",curtime->tm_year + 1900, curtime->tm_mon + 1, curtime->tm_mday,curtime->tm_hour, curtime->tm_min, curtime->tm_sec);return time;return "";}void LogMessage(int level, const char *format, ...){char left[1024];string Levelstr = LevelToString(level).c_str();string Timestr = GetTime().c_str();string Idstr = to_string(getpid());snprintf(left, sizeof(left), "[%s][%s][%s] ",Levelstr.c_str(), Timestr.c_str(), Idstr.c_str());va_list args;va_start(args, format);char right[1024];vsnprintf(right, sizeof(right), format, args);string logmessage = left;logmessage += right;WriteLog(level, logmessage);va_end(args);}~Log(){pthread_mutex_destroy(&_log_mutex);};private:int style;string filename;pthread_mutex_t _log_mutex;
};Log lg;class Conf
{
public:Conf(){lg.SwitchStyle(Screen);}~Conf(){}
};Conf conf;

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3.2 Lockguard.hpp（自动管理锁）

#pragma once#include <iostream>class Mutex
{
public:Mutex(pthread_mutex_t* lock):pmutex(lock){}void Lock(){pthread_mutex_lock(pmutex);}void Unlock(){pthread_mutex_unlock(pmutex);}~Mutex(){}
public:pthread_mutex_t* pmutex;
};class LockGuard
{
public:LockGuard(pthread_mutex_t* lock):mutex(lock){mutex.Lock();}~LockGuard(){mutex.Unlock();}
public:Mutex mutex;
};

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3.3 Socket.hpp（封装套接字）

#pragma once#include <iostream>
#include <string>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <errno.h>#define CONV(addrptr) (struct sockaddr*)addrptrenum{Socket_err = 1,Bind_err,Listen_err
};const static int defalutsockfd = -1;
const int defalutbacklog = 5;class Socket
{
public:virtual ~Socket(){};virtual void CreateSocketOrDie() = 0;virtual void BindSocketOrDie(uint16_t port) = 0;virtual void ListenSocketOrDie(int backlog) = 0;virtual Socket* AcceptConnection(std::string* ip , uint16_t* port) = 0;virtual bool ConnectServer(const std::string& serverip , uint16_t serverport) = 0;virtual int GetSockFd() = 0;virtual void SetSockFd(int sockfd) = 0;virtual void CloseSockFd() = 0;virtual bool Recv(std::string& buffer,int size) = 0;virtual void Send(const std::string& send_string) = 0;public:void BuildListenSocketMethod(uint16_t port,int backlog = defalutbacklog){CreateSocketOrDie();BindSocketOrDie(port);ListenSocketOrDie(backlog);}bool BuildConnectSocketMethod(const std::string& serverip , uint16_t serverport){CreateSocketOrDie();return ConnectServer(serverip,serverport);}void BuildNormalSocketMethod(int sockfd){SetSockFd(sockfd);}
};class TcpSocket : public Socket
{
public:TcpSocket(int sockfd = defalutsockfd):_sockfd(sockfd){}~TcpSocket(){};void CreateSocketOrDie() override{_sockfd = ::socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if(_sockfd < 0) exit(Socket_err);}void BindSocketOrDie(uint16_t port) override{struct sockaddr_in addr;memset(&addr,0,sizeof(addr));addr.sin_family = AF_INET;addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;addr.sin_port = htons(port);socklen_t len = sizeof(addr);int n = ::bind(_sockfd,CONV(&addr),len);if(n < 0) exit(Bind_err);}void ListenSocketOrDie(int backlog) override{int n = ::listen(_sockfd,backlog);if(n < 0) exit(Listen_err);}Socket* AcceptConnection(std::string* clientip , uint16_t* clientport) override{struct sockaddr_in client;memset(&client,0,sizeof(client));socklen_t len = sizeof(client);int fd = ::accept(_sockfd,CONV(&client),&len);if(fd < 0) return nullptr;char buffer[64];inet_ntop(AF_INET,&client.sin_addr,buffer,len);*clientip = buffer;*clientport = ntohs(client.sin_port);Socket* s = new TcpSocket(fd);return s;}   bool ConnectServer(const std::string& serverip , uint16_t serverport) override{struct sockaddr_in server;memset(&server,0,sizeof(server));server.sin_family = AF_INET;// server.sin_addr.s_addr =  inet_addr(serverip.c_str());inet_pton(AF_INET,serverip.c_str(),&server.sin_addr);server.sin_port = htons(serverport);socklen_t len = sizeof(server);int n = connect(_sockfd,CONV(&server),len);if(n < 0) return false;else return true;}int GetSockFd() override{return _sockfd;}void SetSockFd(int sockfd) override{_sockfd = sockfd;}void CloseSockFd() override{if(_sockfd > defalutsockfd){close(_sockfd);}}bool Recv(std::string& buffer , int size)override{char inbuffer[size];int n = recv(_sockfd,inbuffer,sizeof(inbuffer)-1,0);if(n > 0){inbuffer[n] = 0;}else{return false;}buffer += inbuffer;return true;}void Send(const std::string& send_string){send(_sockfd,send_string.c_str(),send_string.size(),0);}private:int _sockfd;
};

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3.4 SelectServer.hpp（服务端封装）

#pragma once#include <iostream>
#include <string>
#include <sys/select.h>
#include "Socket.hpp"
#include "Log.hpp"
#include <memory>using namespace std;const static uint16_t defalutport = 8888;
const static int gbacklog = 8;
const static int num = sizeof(fd_set) * 8;class SelectServer
{
private:void HandlerEvent(fd_set &rfds){for (int i = 0; i < num; i++){// 是否监控if (!_rfds_array[i])continue;// 是否就绪int fd = _rfds_array[i]->GetSockFd();if (FD_ISSET(fd, &rfds)){// 是新连接到来，还是新数据到来// 新连接到来if (FD_ISSET(_listensock->GetSockFd(), &rfds)){lg.LogMessage(Info, "get a new link\n");string clientip;uint16_t cilentport;// 由于select已经检测到listensock已经就绪了，这里不会阻塞Socket *sock = _listensock->AcceptConnection(&clientip, &cilentport);if (!sock){lg.LogMessage(Error, "accept error\n");continue;}lg.LogMessage(Info, "get a client , client info# %s %d , fd:%d\n", clientip.c_str(), cilentport, sock->GetSockFd());// 这里已经获取连接成功，由于底层数据不一定就绪// 所以这里需要将新连接的文件描述符交给select托管// 只需将文件描述符加入到_rfds_array即可int pos = 0;for (; pos < num; pos++){if (_rfds_array[pos] == nullptr){_rfds_array[pos] = sock;break;}}// fd_set能够存储的文件描述符是有上限的if(pos == num){sock->CloseSockFd();delete sock;lg.LogMessage(Warning, "server is full...!\n");}}else{  // 是新数据来了// 这里读是有问题的string buffer;bool flag = _rfds_array[i]->Recv(buffer,1024);if(flag)  // 读取成功{lg.LogMessage(Info,"client say# %s\n",buffer.c_str());}else  // 读取失败{lg.LogMessage(Warning,"cilent quit !! close fd : %d\n",fd);_rfds_array[i]->CloseSockFd();delete _rfds_array[i];_rfds_array[i] = nullptr;}}}}}public:SelectServer(uint16_t port = defalutport): _port(port), _listensock(new TcpSocket()), _isrunning(false){}void Init(){_listensock->BuildListenSocketMethod(_port, gbacklog);for (int i = 0; i < num; i++){_rfds_array[i] = nullptr;}_rfds_array[0] = _listensock.get();}void Loop(){_isrunning = true;while (_isrunning){fd_set rfds;FD_ZERO(&rfds);PrintDebug();// 设置需要监控的读事件文件描述符集，并找到最大的文件描述符int max_fd = _listensock->GetSockFd();for (int i = 0; i < num; i++){if (_rfds_array[i] == nullptr)continue;else{int fd = _rfds_array[i]->GetSockFd();// rfds本质是一个输入输出型参数，rfds是在select调用返回的时候，不断被修改，所以，每次都要重置FD_SET(fd, &rfds);if (max_fd < fd){max_fd = fd;}}}struct timeval timeout = {0, 0};ssize_t n = select(max_fd + 1, &rfds, nullptr, nullptr, &timeout);switch (n){case -1:{lg.LogMessage(Fatal, "select Error , last time : %u.%u\n", timeout.tv_sec, timeout.tv_usec);break;}case 0:{lg.LogMessage(Info, "select timeout... , last time : %u.%u\n", timeout.tv_sec, timeout.tv_usec);break;}default:{lg.LogMessage(Info, "select success , begin handler event , last time : %u.%u\n", timeout.tv_sec, timeout.tv_usec);HandlerEvent(rfds);break;}}}_isrunning = false;}void Stop(){_isrunning = false;}// 查看当前哪些文件描述符需要被监控void PrintDebug(){std::cout << "current select rfds list is : ";for (int i = 0; i < num; i++){if (_rfds_array[i] == nullptr)continue;elsestd::cout << _rfds_array[i]->GetSockFd() << " ";}std::cout << std::endl;}~SelectServer() {}private:unique_ptr<Socket> _listensock;uint16_t _port;bool _isrunning;// Select服务器需要所有的fd以数据结构的方式组织起来Socket *_rfds_array[num];
};

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3.5 Main.cpp（服务端）

#include <iostream>
#include <memory>
#include "SelectServer.hpp"using namespace std;// ./selectserver port
int main(int argc , char* argv[])
{if(argc != 2){cout << "Usage : " << argv[0] << " port" << endl;exit(0); }uint16_t localport = stoi(argv[1]);unique_ptr<SelectServer> svr = make_unique<SelectServer>(localport);svr->Init();svr->Loop();return 0;
}

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结尾

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