文章内容
一、基本概念
IO多路复用是指内核一旦发现进程指定的一个或者多个IO条件准备读取，它就通知该进程。IO多路复用适用如下场合：
- 1）当客户处理多个描述字时（一般是交互式输入和网络套接口），必须使用I/O复用。
- 2）当一个客户同时处理多个套接口时，而这种情况是可能的，但很少出现。
- 3）如果一个TCP服务器既要处理监听套接口，又要处理已连接套接口，一般也要用到I/O复用。
- 4）如果一个服务器即要处理TCP，又要处理UDP，一般要使用I/O复用。
- 5）如果一个服务器要处理多个服务或多个协议，一般要使用I/O复用。
与多进程和多线程技术相比，I/O多路复用技术的最大优势是系统开销小，系统不必创建进程/线程，也不必维护这些进程/线程，从而大大减小了系统的开销。
二、select函数
该函数准许进程指示内核等待多个事件中的任何一个发送，并只在有一个或多个事件发生或经历一段指定的时间后才唤醒。函数原型如下：
#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
int select(int maxfdp1,fd_set *readset,fd_set *writeset,fd_set *exceptset,const struct timeval *timeout)
// 返回值：就绪描述符的数目，超时返回0，出错返回-1
1、函数参数介绍
1）maxfdp1参数
第一个参数maxfdp1指定待测试的描述字个数，它的值是待测试的最大描述字加1（因此把该参数命名为maxfdp1），描述字0、1、2…maxfdp1-1均将被测试。
因为文件描述符是从0开始的。
2）readset、writeset和exceptset三个参数
中间的三个参数readset、writeset和exceptset指定我们要让内核测试读、写和异常条件的描述字。如果对某一个的条件不感兴趣，就可以把它设为空指针。struct fd_set可以理解为一个集合，这个集合中存放的是文件描述符，可通过以下四个宏进行设置：
void FD_ZERO(fd_set *fdset); //清空集合
void FD_SET(int fd, fd_set *fdset); //将一个给定的文件描述符加入集合之中
void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset); //将一个给定的文件描述符从集合中删除
int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset); // 检查集合中指定的文件描述符是否可以读写
3）timeout参数
timeout告知内核等待所指定描述字中的任何一个就绪可花多少时间。其timeval结构用于指定这段时间的秒数和微秒数。
struct timeval{
long tv_sec; //seconds
long tv_usec; //microseconds
};
这个参数有三种可能：
- 1）永远等待下去：仅在有一个描述字准备好I/O时才返回。为此，把该参数设置为空指针NULL。
- 2）等待一段固定时间：在有一个描述字准备好I/O时返回，但是不超过由该参数所指向的timeval结构中指定的秒数和微秒数。
- 3）根本不等待：检查描述字后立即返回，这称为轮询。为此，该参数必须指向一个timeval结构，而且其中的定时器值必须为0。
2、基本原理图
三、测试程序
写一个TCP回射程序，程序的功能是：客户端向服务器发送信息，服务器接收并原样发送给客户端，客户端显示出接收到的信息。
1、服务端程序
服务端程序如下：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/select.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <assert.h>
#define IPADDR "127.0.0.1"
#define PORT 8787
#define MAXLINE 1024
#define LISTENQ 5
#define SIZE 10
typedef struct server_context_st
{
int cli_cnt; /*客户端个数*/ int clifds[SIZE]; /*客户端的个数*/ fd_set allfds; /*句柄集合*/ int maxfd; /*句柄最大值*/} server_context_st;
static server_context_st *s_srv_ctx = NULL;
/*===========================================================================
* ==========================================================================*/static int create_server_proc(const char* ip,int port)
{
int fd;
struct sockaddr_in servaddr;
fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM,0);
if (fd == -1) {
fprintf(stderr, "create socket fail,erron:%d,reason:%sn",
errno, strerror(errno));
return -1;
}
/*一个端口释放后会等待两分钟之后才能再被使用，SO_REUSEADDR是让端口释放后立即就可以被再次使用。*/ int reuse = 1;
if (setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &reuse, sizeof(reuse)) == -1) {
return -1;
}
bzero(&servaddr,sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
inet_pton(AF_INET,ip,&servaddr.sin_addr);
servaddr.sin_port = htons(port);
if (bind(fd,(struct sockaddr*)&servaddr,sizeof(servaddr)) == -1) {
perror("bind error: ");
return -1;
}
listen(fd,LISTENQ);
return fd;
}
static int accept_client_proc(int srvfd)
{
struct sockaddr_in cliaddr;
socklen_t cliaddrlen;
cliaddrlen = sizeof(cliaddr);
int clifd = -1;
printf("accpet clint proc is called.n");
ACCEPT:
clifd = accept(srvfd,(struct sockaddr*)&cliaddr,&cliaddrlen);
if (clifd == -1) {
if (errno == EINTR) {
goto ACCEPT;
} else {
fprintf(stderr, "accept fail,error:%sn", strerror(errno));
return -1;
}
}
fprintf(stdout, "accept a new client: %s:%dn",
inet_ntoa(cliaddr.sin_addr),cliaddr.sin_port);
//将新的连接描述符添加到数组中
int i = 0;
for (i = 0; i < SIZE; i++) {
if (s_srv_ctx->clifds[i] < 0) {
s_srv_ctx->clifds[i] = clifd;
s_srv_ctx->cli_cnt++;
break;
}
}
if (i == SIZE) {
fprintf(stderr,"too many clients.n");
return -1;
}
}
static int handle_client_msg(int fd, char *buf)
{
assert(buf);
printf("recv buf is :%sn", buf);
write(fd, buf, strlen(buf) +1);
return 0;
}
static void recv_client_msg(fd_set *readfds)
{
int i = 0, n = 0;
int clifd;
char buf[MAXLINE] = {0};
for (i = 0;i <= s_srv_ctx->cli_cnt;i++) {
clifd = s_srv_ctx->clifds[i];
if (clifd < 0) {
continue;
}
/*判断客户端套接字是否有数据*/ if (FD_ISSET(clifd, readfds)) {
//接收客户端发送的信息
n = read(clifd, buf, MAXLINE);
if (n <= 0) {
/*n==0表示读取完成，客户都关闭套接字*/ FD_CLR(clifd, &s_srv_ctx->allfds);
close(clifd);
s_srv_ctx->clifds[i] = -1;
continue;
}
handle_client_msg(clifd, buf);
}
}
}
static void handle_client_proc(int srvfd)
{
int clifd = -1;
int retval = 0;
fd_set *readfds = &s_srv_ctx->allfds;
struct timeval tv;
int i = 0;
while (1) {
/*每次调用select前都要重新设置文件描述符和时间，因为事件发生后，文件描述符和时间都被内核修改啦*/ FD_ZERO(readfds);
/*添加监听套接字*/ FD_SET(srvfd, readfds);
s_srv_ctx->maxfd = srvfd;
tv.tv_sec = 30;
tv.tv_usec = 0;
/*添加客户端套接字*/ for (i = 0; i < s_srv_ctx->cli_cnt; i++) {
clifd = s_srv_ctx->clifds[i];
/*去除无效的客户端句柄*/ if (clifd != -1) {
FD_SET(clifd, readfds);
}
s_srv_ctx->maxfd = (clifd > s_srv_ctx->maxfd ? clifd : s_srv_ctx->maxfd);
}
/*开始轮询接收处理服务端和客户端套接字*/ retval = select(s_srv_ctx->maxfd + 1, readfds, NULL, NULL, &tv);
if (retval == -1) {
fprintf(stderr, "select error:%s.n", strerror(errno));
return;
}
if (retval == 0) {
fprintf(stdout, "select is timeout.n");
continue;
}
if (FD_ISSET(srvfd, readfds)) {
/*监听客户端请求*/ accept_client_proc(srvfd);
} else {
/*接受处理客户端消息*/ recv_client_msg(readfds);
}
}
}
static void server_uninit()
{
if (s_srv_ctx) {
free(s_srv_ctx);
s_srv_ctx = NULL;
}
}
static int server_init()
{
s_srv_ctx = (server_context_st *)malloc(sizeof(server_context_st));
if (s_srv_ctx == NULL) {
return -1;
}
memset(s_srv_ctx, 0, sizeof(server_context_st));
int i = 0;
for (;i < SIZE; i++) {
s_srv_ctx->clifds[i] = -1;
}
return 0;
}
int main(int argc,char *argv[])
{
int srvfd;
/*初始化服务端context*/ if (server_init() < 0) {
return -1;
}
/*创建服务,开始监听客户端请求*/ srvfd = create_server_proc(IPADDR, PORT);
if (srvfd < 0) {
fprintf(stderr, "socket create or bind fail.n");
goto err;
}
/*开始接收并处理客户端请求*/ handle_client_proc(srvfd);
server_uninit();
return 0;
err:
server_uninit();
return -1;
}
2、客户端程序
客户端程序如下：
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/select.h>
#include <time.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <errno.h>
#define MAXLINE 1024
#define IPADDRESS "127.0.0.1"
#define SERV_PORT 8787
#define max(a,b) (a > b) ? a : b
static void handle_recv_msg(int sockfd, char *buf)
{
printf("client recv msg is:%sn", buf);
sleep(5);
write(sockfd, buf, strlen(buf) +1);
}
static void handle_connection(int sockfd)
{
char sendline[MAXLINE],recvline[MAXLINE];
int maxfdp,stdineof;
fd_set readfds;
int n;
struct timeval tv;
int retval = 0;
while (1) {
FD_ZERO(&readfds);
FD_SET(sockfd,&readfds);
maxfdp = sockfd;
tv.tv_sec = 5;
tv.tv_usec = 0;
retval = select(maxfdp+1,&readfds,NULL,NULL,&tv);
if (retval == -1) {
return ;
}
if (retval == 0) {
printf("client timeout.n");
continue;
}
if (FD_ISSET(sockfd, &readfds)) {
n = read(sockfd,recvline,MAXLINE);
if (n <= 0) {
fprintf(stderr,"client: server is closed.n");
close(sockfd);
FD_CLR(sockfd,&readfds);
return;
}
handle_recv_msg(sockfd, recvline);
}
}
}
int main(int argc,char *argv[])
{
int sockfd;
struct sockaddr_in servaddr;
sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
bzero(&servaddr,sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
inet_pton(AF_INET,IPADDRESS,&servaddr.sin_addr);
int retval = 0;
retval = connect(sockfd,(struct sockaddr*)&servaddr,sizeof(servaddr));
if (retval < 0) {
fprintf(stderr, "connect fail,error:%sn", strerror(errno));
return -1;
}
printf("client send to server .n");
write(sockfd, "hello server", 32);
handle_connection(sockfd);
return 0;
}
四、程序结果
启动服务程序，执行三个个客户程序进行测试，结果如下图所示：
