多路转接之select(fd_set介绍,参数详细介绍),实现非阻塞式网络通信
目录
多路转接之select
引入
介绍
fd_set
函数原型
nfds
readfds / writefds / exceptfds
readfds
总结
fd_set操作接口
timeout
timevalue 结构体
传入值
返回值
代码
注意点 -- 调用函数
select的参数填充
获取新连接
注意点 -- 通信时的调用函数
添加新fd到位图中
处理函数
多路转接之select
引入
io本质+io效率本质,5种io模型(介绍,异步/同步区别,阻塞/非阻塞区别)-CSDN博客
以前使用的io接口,既完成等待,又完成拷贝
但在多路转接的io方式中不同,分为两个部分,需要调用两个函数来完成
介绍
select只负责等待,一次可以等待多个fd
- 就像之前钓鱼例子中的d,他拥有多个鱼竿,就相当于等待多个fd
既然可以关注多个fd,自然参数中就要使用其他数据结构了 -- fd_set
fd_set
内核提供的一种数据类型
- 位图
因为fd_set是一个具体的类型
- 既然是类型,就一定有大小
- 有大小就会有比特位的数量
- 也就相当于可以等待的文件fd值和文件数量是有上限的
使用sizeof测试fd_set的大小,得到它是1024个bit
- 所以一次最多等待1024个文件的某个事件
- 这个值随着系统不同会有变化,实际应该动态计算 -- sizeof(fd_set) * 8
函数原型
nfds
要等待的多个fd中的最大值+1
readfds / writefds / exceptfds
等待多个fd的关键,属于输入输出型参数
等待 -- 等待事件就绪
- 事件 -- 一般分为 读/写/有异常
- 只要读写事件就绪,就可以直接完成拷贝操作,不会阻塞住
- 异常事件是例外,需要特殊处理,这里不做介绍
如果想关注某个文件上的读事件,就把该文件的fd设置进readfds
- 其他同理
- 可以关注同一个文件上的多个事件,也可以分顺序地关注,总之设置进相应位图中就行
接下来我们以readfds为例,详细介绍一下,其他位图同理
readfds
fd本身就是从0开始的数字
- 和数组下标/位图均可以一一对应
因为是输入输出型参数:
输入时
- 我们要告诉内核需要关注的fd集,你要帮我关心这些文件上面的读事件 + 这是个位图结构 + fd和位图可以对应
- 所以,可以得出,位图上的比特位位置(从左向右,从0开始) 对应 文件的fd值
- 只要该位设置为1,就是我们想让内核关注该文件
- eg:我们要关注0,1,2,3这四个文件:
输出时
- 内核要告诉我们,关注的fd集中有哪些fd上的读事件已经就绪 + 返回的也是个位图结构
- 所以,对应关系依然没有变,但代表的含义不同
- 如果该位为1,说明该文件上的读事件已经就绪
- 内核会先将位图清零,然后将[读事件已经就绪的文件]的fd值 对应的 比特位 置1
- eg:四个文件中,fd=2的文件的读事件就绪:
总结
所以,总结来说,fd_set这张位图,是让用户和内核之间互相传递信息的
- 那么,在使用select函数的过程中,一定会涉及大量的位图操作
fd_set操作接口
为了让用户更方便,内核为我们提供了接口
timeout
设置select的等待方式
每隔若干秒,timeout一次,timeout后 / 有文件就绪后函数会返回
timevalue 结构体
在gettimeofday()中也有使用这个类型作为参数:
- 获取特定时区下的特定时间,精确到微秒级别
- 时间戳 -- 秒单位和微妙单位
- 比如传入参数{5,0},代表设置时间戳为5s
传入值
- 设置>0 -- 每隔一段时间timeout一次,比如5s
- 设置为0 -- 非阻塞(select立即返回)
- 设置为NULL -- 阻塞等待,直到有文件就绪
如果设置(非NULL)了该时间
- 则为输入输出型参数
- 如果在等待的中途有文件就绪,则返回[timeout时间-已经等待时间],也就是[距离超时时间的剩余时间 ]
返回值
- >0 -- 有n个fd就绪
- =0 -- 超时,等待过程中没有错误,也没有fd就绪
- <0 -- 等待出错(要等待的某个文件已经关闭了)
代码
我们这里实现一个非阻塞版网络通信
注意点 -- 调用函数
创建好套接字后,不能直接accept
- accept本质就是在检测并获取listensock上面的事件
- 但我们这里目的就是要让select去等待事件(有事件了再去通知我们来获取,这时候调用accept就不会被阻塞了)
- 所以不能先调用accept
这里的事件:
- = 新连接到来 = 三次握手完成,系统把新连接投递到全连接队列里 = select里的读事件
- 所以我们先调用select等待读事件
select的参数填充
这里是服务器刚启动时,是我们需要让listensocket检测并获取新连接(新客户端与当前服务器通信)
- 所以,等待的是listensocket上的读事件,并且当前只有这一个套接字
- 所以,max_fd=listensocket_fd+1
- 等有客户端连接后,会有新的套接字被创建(通信时使用的套接字),就需要添加检测这些套接字上的读写事件了(后面会细说)
因为timeout是输入输出型参数
- 一旦超时/当前有事件就绪,就会修改timeout的值
- 所以,为了不影响下一次的等待方式,需要重复设置timeout参数
三个位图集也是同理,需要重复设置
- 不然会被修改成已经就绪的,而不代表需要内核关注的fd集
获取新连接
如果事件就绪,上层却不处理,select会一直通知
- 所以需要我们手动调用accept()去把新连接拿走(这个操作在我们新的处理函数中)
当然,我们无法确定是哪个fd就绪了
- 所以需要先判断
- 判断完成后,就可以拿到新连接,创建新套接字了
注意点 -- 通信时的调用函数
接下来要开始通信了,原先我们的服务器是直接read,但这里不行
- 因为read是阻塞式等待,而我们要实现非阻塞式
- 而且一旦阻塞在这里,就无法获取新连接以及与其他客户端通信了(因为我们写的是单进程)
- 所以,还是需要使用select
添加新fd到位图中
当然,我们不能调用新的select
- 为什么?
- 一般都是在主循环处持续调用select,高效且简洁
- 如果使用多个select,会导致代码逻辑复杂化,也难以管理
所以,需要我们把这个新套接字的fd设置进刚才的select的位图中
- 这一过程就相当于d在不断增加自己鱼竿的数量
但是,这两个数据在不同的函数中(我们在处理函数中获取新连接,而select的使用在主逻辑函数中),如何传递呢?
- 因为这两个函数都在类中,所以我们搞一个类内变量 -- 辅助数组
- 让新增的fd都添加进辅助数组中,然后让select每次动态设置max_fd,以及三个位图
可以固定监听套接字(也就是我们创建的第一个套接字)作为数组的第一项
- 方便我们后续区分[获取新连接] 和 [读写事件]
因为在过程中,可能会陆陆续续关掉一些文件
- 所以原本添加进的连续fd,会变成零零星星的
- 所以,需要我们每次都重新整理一下这个数组,把有效的fd统一放在左侧
我们每次在循环开头就处理数组中的值
- 合法的fd就让它设置进位图中
- 不仅如此,在这个过程中,我们还可以找到fd中的最大值,来填充select参数
解决了如何添加新fd的问题,接下来回到处理函数
处理函数
当我们识别到有事件就绪,获取连接后获得新套接字fd,之后就该将该fd设置进辅助数组中了
- 需要我们遍历数组,找到空位(值为-1/其他你设定的[数组内的初始值]),然后添加进去
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