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I/O模型：用select实现多路复用I/O（linux下C语言版）

news 2025/10/3 11:49:21

1. 多路复用I/O

1. 在UNIX/Linux下主要有4种I/O 模型：阻塞I/O、非阻塞I/O、多路复用I/O、信号驱动I/O，在本文我们主要讲解多路复用I/O

2. 为什么要选择多路复用I/O？

（1）应用程序中同时处理多路输入输出流时，若采用阻塞模式，将得不到预期的目的；

（2）若采用非阻塞模式，对多个输入进行轮询，但又太浪费CPU时间；

（3）若设置多个进程，分别处理一条数据通路，将新产生进程间的同步与通信问题，则会使程序变得更加复杂；

（4）比较好的方法是使用I/O多路复用，其基本思想是：

先构造一张有关文件描述符的表，然后调用一个函数，当这些文件描述符中的一个或多个已准备好进行I/O时，函数才返回，函数返回时告诉进程那个描述符已就绪，可以进行I/O操作。

3. 大致实现步骤：

创建文件描述符的集合/表, 把想要监测的文件描述符加入到集合中
监测集合中是否有事件产生
判断是谁产生了什么事件
处理事件

总之就是调用函数来操作文件描述符，那怎么调函数呢？调什么函数呢？本文我们用select函数来实现I/O多路复用，让我们一起来看看详细操作吧。

2. select函数介绍

（1）select函数

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

作用:

实现IO多路复用/监测集合中是否有事件产生

参数:

nfds: 最大文件描述符+1

readfds: 读事件集合

writefds: 写事件集合

exceptfds: 其他事件集合

timeout: 超时设置， NULL -- 阻塞

struct timeval {

long tv_sec; /* seconds */

long tv_usec; /* microseconds */

};

返回值:

>0: 有事件产生

=0: 有超时设置，且再设定的实践范围内没有事件产生返回

-1: 失败，并设置errno

（2）辅助功能函数

void FD_CLR(int fd, fd_set *set); //删除集合中fd文件描述符

int FD_ISSET(int fd, fd_set *set); //判断fd是否还在集合set中

void FD_SET(int fd, fd_set *set); //把fd加入集合set中

void FD_ZERO(fd_set *set); //清空集合set

3. 举例实现select函数的I/O多路复用

这里我们举两个例子来用select实现I/O多路复用

1. 同时检测键盘和鼠标，获取数据来自哪里

2. 在客户端/服务器模型中，服务器同时监测键盘、监听套接字和通信套接字，接收键盘输入的数据、客户端的发送的数据，并打印在终端上

例1：数据来源于键盘还是鼠标

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <time.h>int main(int argc, char *argv[])
{ //0.打开设备int fd = open("/dev/input/mouse0", O_RDONLY); //鼠标设备的文件路径if(0 > fd){perror("open");return -1;}//1.创建文件描述符集合，把想要监测的文件描述符加入集合中fd_set fds, rfds; //创建集合FD_ZERO(&fds); //清空集合FD_SET(0, &fds); //把键盘加入集合中FD_SET(fd, &fds); //把鼠标加入//2.监测是否有事件产生int retval;char buf[1024];while(1) //循环监测事件产生{struct timeval tv = {1}; //超时设置：没有信息时传来时1s发送一句超时提示rfds = fds; //保存原集合retval = select(fd+1, &rfds, NULL, NULL, &tv); //获取返回值if(retval < 0) //返回值小于0：select失败{perror("select");break;}else if(retval == 0) //返回值等于0：有超时设置，且在设定的时间范围内没有事件产生返回{printf("timeout...\n");continue;}//返回值大于0：有事件产生//3.判断是谁产生了事件if(FD_ISSET(0, &rfds))//此时数据来源于键盘{//4.处理事件read(0, buf, sizeof(buf)); //读取来自键盘的数据buf[strlen(buf)-1] = '\0';if(strcmp(buf, "exit") == 0) //设置退出条件break;printf("Data from keyboard\n"); //提示该条数据来自键盘}if(FD_ISSET(fd, &rfds))//此时数据来源于鼠标{//4.处理事件read(fd, buf, sizeof(buf)); //读取来自鼠标的数据（移动鼠标就会产生数据）printf("Data from mouse\n"); //提示该条数据来自鼠标}}return 0;
}

这里为什么要保存原集合fds？

select函数会原地修改传入的fd_set参数，返回时集合中仅保留就绪的文件描述符。

假设初始 fds 包含{0，fd}（键盘和鼠标），调用 select 后：

（1）如果只有键盘有数据，rfds 会被修改为 { 0 }

（2）如果只有鼠标有数据，rfds 会被修改为 { fd }

（3）如果两者都有数据，rfds 会被修改为 { 0，fd }

不保存的后果：若不保存原始集合，每次循环时fds会被 select() 破坏，导致后续无法正确监测所有描述符。

例2：服务器接收客户端的发送的数据并打印在终端上

（1）server.c

服务器端代码如下：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <time.h>int main(int argc, char *argv[])
{ //创建套接字int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if(sockfd < 0){perror("socket");return -1;}printf("socket create success\n");//绑定本机地址和端口struct sockaddr_in srvaddr;memset(&srvaddr, 0, sizeof(srvaddr));srvaddr.sin_family = AF_INET;srvaddr.sin_port = htons(60621);srvaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.2.154");if(0 > bind(sockfd, (struct sockaddr *)&srvaddr, sizeof(srvaddr))){perror("bind");return -1;}printf("bind success\n");//设置监听套接字if(0 > listen(sockfd, 1)){perror("listen");return -1;}printf("listen success\n");//1.创建文件描述符集合，把想要监测的文件描述符加入集合中fd_set fds, rfds; //创建集合FD_ZERO(&fds); //清空集合FD_SET(0, &fds); //把键盘加入集合中FD_SET(sockfd, &fds); //把监听套接字加入int maxfd = sockfd; //存放监测的最大文件描述符//2.循环监测是否有事件产生int connfd;while(1){rfds = fds; //保存原集合int retval = select(maxfd+1, &rfds, NULL, NULL, NULL);if(retval < 0){perror("select");break;}//3.判断是谁产生了事件char buf[1024];memset(buf, 0, sizeof(buf));int ret;int i = 0;//从0到maxfd遍历所有文件描述符判断是否是i产生事件for(i; i < maxfd+1; i++){if(FD_ISSET(i, &rfds)){if(i == 0) //键盘产生了事件{read(0, buf, sizeof(buf));buf[strlen(buf)-1] = '\0';if(strcmp(buf, "exit") == 0)return 0;printf("keyboard: %s\n", buf);}else if(sockfd == i)//监听套接字产生了事件{//接收客户端的连接， 并生成通信套接字connfd = accept(sockfd, NULL, NULL);if(0 > connfd){perror("accept");return -1;}printf("accept success\n");FD_SET(connfd, &fds); //将通信套接字加入集合maxfd = connfd > maxfd ? connfd : maxfd; //选出最大的文件描述符}else //通信套接字产生了事件{//与客户端通信：接收客户端的数据并打印ret = read(i, buf, sizeof(buf));if(0 > ret){perror("recv");break;}else if(0 == ret){printf("client close\n");FD_CLR(i, &fds);close(i);break;}printf("recv: %s\n", buf);//设置退出条件if(strcmp(buf, "exit") == 0){FD_CLR(i, &fds);close(i);break;}}}}}//6.关闭套接字close(sockfd);return 0;
}

（2）client.c

客户端代码如下：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <time.h>int main(int argc, char *argv[])
{ //创建套接字int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if(0 > sockfd){perror("socket");return -1;}printf("socket create success\n");//主动连接服务器struct sockaddr_in srvaddr;memset(&srvaddr, 0, sizeof(srvaddr));srvaddr.sin_family = AF_INET;srvaddr.sin_port = htons(60621);srvaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.2.154");if(0 > connect(sockfd, (struct sockaddr *)&srvaddr, sizeof(srvaddr))){perror("connect");return -1;}//与服务器通信：发送数据int ret;char buf[1024];while(1){printf("send: ");fgets(buf, sizeof(buf), stdin);buf[strlen(buf)-1] = '\0';if(0 > send(sockfd, buf, sizeof(buf), 0)){perror("send");break;}//设置退出条件if(strcmp(buf, "exit") == 0)break;}//关闭套接字close(sockfd);return 0;
}