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windows和linux套接字中的select机制浅析
先来谈谈为什么会出现select函数,也就是select是解决什么问题的?
平常使用的recv函数时阻塞的,也就是如果没有数据可读,recv就会一直阻塞在那里,这是如果有另外一个连接过来,就得一直等待,这样实时性就不是太好。
这个问题的几个解决方法:1. 使用ioctlsocket函数,将recv函数设置成非阻塞的,这样不管套接字上有没有数据都会立刻返回,可以重复调用recv函数,这种方式叫做轮询(polling),但是这样效率很是问题,因为,大多数时间实际上是无数据可读的,花费时间不断反复执行read系统调用,这样就比较浪费CPU的时间。并且循环之间的间隔不好确定。2. 使用fork,使用多进程来解决,这里终止会比较复杂(待研究)。 3.使用多线程来解决,这样避免了终止的复杂性,但却要求处理线程之间的同步,在减少复杂性方面这可能会得不偿失。4. 使用异步IO(待研究)。5. 就是本文所使用的I/O多路转接(多路复用)--其实就是在套接字阻塞和非阻塞之间做了一个均衡,我们称之为半阻塞。
经过对select的初步了解,在windows和linux下的实现小有区别,所以分开来写。这里先写windows下的select机制。
select的大概思想:将多个套接字放在一个集合里,然后统一检查这些套接字的状态(可读、可写、异常等),调用select后,会更新这些套接字的状态,然后做判断,如果套接字可读,就执行read操作。这样就巧妙地避免了阻塞,达到同时处理多个连接的目的。当然如果没有事件发生,select会一直阻塞,如果不想一直让它等待,想去处理其它事情,可以设置一个最大的等待时间。
/***********************************************************************************************************/
下面具体讲讲函数的参数,参见MSDN的解释http://msdn.microsoft.com/en-us/library/windows/desktop/ms740141(v=vs.85).aspx:
- int select(
- _In_ int nfds,
- _Inout_ fd_set *readfds,
- _Inout_ fd_set *writefds,
- _Inout_ fd_set *exceptfds,
- _In_ const struct timeval *timeout
- );
函数的返回值,表示准备好的套接字的个数,如果是0,则表示没有一个准备好(超时就是一种情况),如果是-1(SOCKET_ERROR),表示有错误发生,可以使用WSAGetLastError()函数来得到错误代码,从而知道是什么错误。
函数的参数,第一个是输入参数nfds,表示满足条件的套接字的个数,windows下可以设置为0,因为fd_set结构体中已经包含了这个参数,这个参数已经是多余的了,之所以还存在,只是是为了与FreeBSD兼容。
第二三四参数都是输入输出参数(值-结果参数,输入和输出会不一样),表示套接字的可读、可写和异常三种状态的集合。调用select之后,如果指定套接字不可读或者不可写,就会从相应队列中清除,这样就可以判断哪些套接字可读或者可写。
说明一下,这里的可读性是指:如果有客户的连接请求到达,套接口就是可读的,调用accept能够立即完成,而不发生阻塞;如果套接口接收队列缓冲区中的字节数大于0,调用recv或者recvfrom就不会阻塞。可写性是指,可以向套接字发送数据(套接字创建成功后,就是可写的)。当然不是套接字可写就会去发送数据,就像不是看到电话就去打电话一样,而是由打电话的需求了,才去看电话是否可打;可读就不一样了,电话响了,自然要去接电话(除非,你有事忙或者不想接,一般都是要接的)。可读已经包含了缓冲区中有数据可以读取,可写只是说明了缓冲区有空间让你写,你需不需要写就要看你有没有数据要写了.关于异常,就是指一些意外情况,自己用的比较少,以后用到了,再过来补上。
第五个参数是等待的最大时间,是一个结构体:struct timeval,它的定义是:
- /*
- * Structure used in select() call, taken from the BSD file sys/time.h.
- */
- struct timeval {
- long tv_sec; /* seconds */
- long tv_usec; /* and microseconds */
- };
具体到秒和微妙,按照等待的时间长短可以分为不等待、等待一定时间、一直等待。对应的设置分别为,(0,0)是不等待,这是select是非阻塞的,(x,y)最大等待时间x秒y微妙(如果有事件就会提前返回,而不继续等待),NULL表示一直等待,直到有事件发生。这里可以将timeout分别设置成0(不阻塞)或者1微妙(阻塞很短的时间),然后观察CPU的使用率,会发现设置成非阻塞后,CPU的使用率已下载就上升到了50%左右,这样可以看出非阻塞占用CPU很多,但利用率不高。
/***********************************************************************************************************/
跟select配合使用的几个宏和fd_set结构体介绍:
套接字描述符为了方便管理是放在一个集合里的,这个集合是fd_set,它的具体定义是:
- typedef struct fd_set {
- u_int fd_count; /* how many are SET? */
- SOCKET fd_array[FD_SETSIZE]; /* an array of SOCKETs */
- } fd_set;
fd_count是集合中已经设置的套接口描述符的数量。fd_array数组保存已经设置的套接口描述符,其中FD_SETSIZE的定义是:
- #ifndef FD_SETSIZE
- #define FD_SETSIZE 64
- #endif /* FD_SETSIZE */
这个默认值在一般的程序中已经够用,如果需要,可以将其更改为更大的值。
集合的管理操作,比如元素的清空、加入、删除以及判断元素是否在集合中都是用宏来完成的。四个宏是:
- FD_ZERO(*set)
- FD_SET(s, *set)
- FD_ISSET(s, *set)
- FD_CLR(s, *set)
下面一一介绍这些宏的作用和定义:
FD_ZERO(*set),是把集合清空(初始化为0,确切的说,是把集合中的元素个数初始化为0,并不修改描述符数组).使用集合前,必须用FD_ZERO初始化,否则集合在栈上作为自动变量分配时,fd_set分配的将是随机值,导致不可预测的问题。它的宏定义如下:
- #define FD_ZERO(set) (((fd_set FAR *)(set))->fd_count=0)
FD_SET(s,*set),向集合中加入一个套接口描述符(如果该套接口描述符s没在集合中,并且数组中已经设置的个数小于最大个数时,就把该描述符加入到集合中,集合元素个数加1)。这里是将s的值直接放入数组中。它的宏定义如下:
- #define FD_SET(fd, set) do { \
- if (((fd_set FAR *)(set))->fd_count < FD_SETSIZE) \
- ((fd_set FAR *)(set))->fd_array[((fd_set FAR *)(set))->fd_count++]=(fd);\
- } while(0)
FD_ISSET(s,*set),检查描述符是否在集合中,如果在集合中返回非0值,否则返回0. 它的宏定义并没有给出具体实现,但实现的思路很简单,就是搜索集合,判断套接字s是否在数组中。它的宏定义是:
- #define FD_ISSET(fd, set) __WSAFDIsSet((SOCKET)(fd), (fd_set FAR *)(set))
FD_CLR(s,*set),从集合中移出一个套接口描述符(比如一个套接字连接中断后,就应该移除它)。实现思路是,在数组集合中找到对应的描述符,然后把后面的描述依次前移一个位置,最后把描述符的个数减1. 它的宏定义是:
- #define FD_CLR(fd, set) do { \
- u_int __i; \
- for (__i = 0; __i < ((fd_set FAR *)(set))->fd_count ; __i++) { \
- if (((fd_set FAR *)(set))->fd_array[__i] == fd) { \
- while (__i < ((fd_set FAR *)(set))->fd_count-1) { \
- ((fd_set FAR *)(set))->fd_array[__i] = \
- ((fd_set FAR *)(set))->fd_array[__i+1]; \
- __i++; \
- } \
- ((fd_set FAR *)(set))->fd_count--; \
- break; \
- } \
- } \
- } while(0)
/***********************************************************************************************************/
至此,一些基础的点基本就讲完了,然后给出大概流程和一个示例:
1.调用FD_ZERO来初始化套接字状态;
2.调用FD_SET将感兴趣的套接字描述符加入集合中(每次循环都要重新加入,因为select更新后,会将一些没有满足条件的套接字移除队列);
3.设置等待时间后,调用select函数--更新套接字的状态;
4.调用FD_ISSET,来判断套接字是否有相应状态,然后做相应操作,比如,如果套接字可读,就调用recv函数去接收数据。
关键技术:套接字队列和状态的表示与处理。
server端得程序如下(套接字管理队列一个很重要的作用就是保存套接字描述符,因为accept得到的套接字描述符会覆盖掉原来的套接字描述符,而readfs中的描述符在select后会删除这些套接字描述符):
- // server.cpp :
- //程序中加入了套接字管理队列,这样管理起来更加清晰、方便,当然也可以不用这个东西
- #include "winsock.h"
- #include "stdio.h"
- #pragma comment (lib,"wsock32.lib")
- struct socket_list{
- SOCKET MainSock;
- int num;
- SOCKET sock_array[64];
- };
- void init_list(socket_list *list)
- {
- int i;
- list->MainSock = 0;
- list->num = 0;
- for(i = 0;i < 64;i ++){
- list->sock_array[i] = 0;
- }
- }
- void insert_list(SOCKET s,socket_list *list)
- {
- int i;
- for(i = 0;i < 64; i++){
- if(list->sock_array[i] == 0){
- list->sock_array[i] = s;
- list->num += 1;
- break;
- }
- }
- }
- void delete_list(SOCKET s,socket_list *list)
- {
- int i;
- for(i = 0;i < 64; i++){
- if(list->sock_array[i] == s){
- list->sock_array[i] = 0;
- list->num -= 1;
- break;
- }
- }
- }
- void make_fdlist(socket_list *list,fd_set *fd_list)
- {
- int i;
- FD_SET(list->MainSock,fd_list);
- for(i = 0;i < 64;i++){
- if(list->sock_array[i] > 0){
- FD_SET(list->sock_array[i],fd_list);
- }
- }
- }
- int main(int argc, char* argv[])
- {
- SOCKET s,sock;
- struct sockaddr_in ser_addr,remote_addr;
- int len;
- char buf[128];
- WSAData wsa;
- int retval;
- struct socket_list sock_list;
- fd_set readfds,writefds,exceptfds;
- timeval timeout; //select的最多等待时间,防止一直等待
- int i;
- unsigned long arg;
- WSAStartup(0x101,&wsa);
- s = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
- ser_addr.sin_family = AF_INET;
- ser_addr.sin_addr.S_un.S_addr = htonl(INADDR_ANY);
- ser_addr.sin_port = htons(0x1234);
- bind(s,(sockaddr*)&ser_addr,sizeof(ser_addr));
- listen(s,5);
- timeout.tv_sec = 5; //如果套接字集合中在1s内没有数据,select就会返回,超时select返回0
- timeout.tv_usec = 0;
- init_list(&sock_list);
- FD_ZERO(&readfds);
- FD_ZERO(&writefds);
- FD_ZERO(&exceptfds);
- sock_list.MainSock = s;
- arg = 1;
- ioctlsocket(sock_list.MainSock,FIONBIO,&arg);
- while(1){
- make_fdlist(&sock_list,&readfds);
- //make_fdlist(&sock_list,&writefds);
- //make_fdlist(&sock_list,&exceptfds);
- retval = select(0,&readfds,&writefds,&exceptfds,&timeout); //超过这个时间,就不阻塞在这里,返回一个0值。
- if(retval == SOCKET_ERROR){
- retval = WSAGetLastError();
- break;
- }
- else if(retval == 0) {
- printf("select() is time-out! There is no data or new-connect coming!\n");
- continue;
- }
- if(FD_ISSET(sock_list.MainSock,&readfds)){
- len = sizeof(remote_addr);
- sock = accept(sock_list.MainSock,(sockaddr*)&remote_addr,&len);
- if(sock == SOCKET_ERROR)
- continue;
- printf("accept a connection\n");
- insert_list(sock,&sock_list);
- }
- for(i = 0;i < 64;i++){
- if(sock_list.sock_array[i] == 0)
- continue;
- sock = sock_list.sock_array[i];
- if(FD_ISSET(sock,&readfds)){
- retval = recv(sock,buf,128,0);
- if(retval == 0){
- closesocket(sock);
- printf("close a socket\n");
- delete_list(sock,&sock_list);
- continue;
- }else if(retval == -1){
- retval = WSAGetLastError();
- if(retval == WSAEWOULDBLOCK)
- continue;
- closesocket(sock);
- printf("close a socket\n");
- delete_list(sock,&sock_list); //连接断开后,从队列中移除该套接字
- continue;
- }
- buf[retval] = 0;
- printf("->%s\n",buf);
- send(sock,"ACK by server",13,0);
- }
- //if(FD_ISSET(sock,&writefds)){
- //}
- //if(FD_ISSET(sock,&exceptfds)){
- }
- FD_ZERO(&readfds);
- FD_ZERO(&writefds);
- FD_ZERO(&exceptfds);
- }
- closesocket(sock_list.MainSock);
- WSACleanup();
- return 0;
- }
关于linux下的select跟windows下的区别还有待学习。
参考书籍:
《WinSock网络编程经络》第19章
《UNIX环境高级编程》