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目录

I/O 多路转接之 select

初识 select

理解 select 执行过程

socket 就绪条件

select 的特点

select 缺点

select 使用示例: 检测标准输入输出

select 使用示例

tcp_select_server.hpp

dict_server.cc

I/O 多路转接之 select

初识 select

系统提供 select 函数来实现多路复用输入/输出模型.

• select 系统调用是用来让我们的程序监视多个文件描述符的状态变化的;

• 程序会停在 select 这里等待，直到被监视的文件描述符有一个或多个发生了状 态改变;

select 函数原型

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

参数解释:

• 参数 nfds 是需要监视的最大的文件描述符值+1；

• rdset,wrset,exset 分别对应于需要检测的可读文件描述符的集合，可写文件描 述符的集 合及异常文件描述符的集合;

• 参数 timeout 为结构 timeval，用来设置 select()的等待时间

参数 timeout 取值:

• NULL：则表示 select（）没有 timeout，select 将一直被阻塞，直到某个文件 描述符上发生了事件;

• 0：仅检测描述符集合的状态，然后立即返回，并不等待外部事件的发生。

• 特定的时间值：如果在指定的时间段里没有事件发生，select 将超时返回

关于 fd_set 结构

其实这个结构就是一个整数数组, 更严格的说, 是一个 "位图". 使用位图中对应的位来表 示要监视的文件描述符. 提供了一组操作 fd_set 的接口, 来比较方便的操作位图.

void FD_CLR(int fd, fd_set *set); // 用来清除描述词组 set 中相关fd 的位 int FD_ISSET(int fd, fd_set *set); // 用来测试描述词组 set 中相关fd 的位是否为真 void FD_SET(int fd, fd_set *set); // 用来设置描述词组 set 中相关fd 的位 void FD_ZERO(fd_set *set); // 用来清除描述词组 set 的全部位

关于 timeval 结构

timeval 结构用于描述一段时间长度，如果在这个时间内，需要监视的描述符没有事件 发生则函数返回，返回值为 0

函数返回值：

• 执行成功则返回文件描述词状态已改变的个数

• 如果返回 0 代表在描述词状态改变前已超过 timeout 时间，没有返回

• 当有错误发生时则返回-1，错误原因存于 errno，此时参数 readfds，writefds, exceptfds 和 timeout 的值变成不可预测

错误值可能为：

• EBADF 文件描述词为无效的或该文件已关闭

• EINTR 此调用被信号所中断

• EINVAL 参数 n 为负值。

• ENOMEM 核心内存不足

常见的程序片段如下:

fs_set readset； FD_SET(fd,&readset); select(fd+1,&readset,NULL,NULL,NULL); if(FD_ISSET(fd,readset)){……}

理解 select 执行过程

理解 select 模型的关键在于理解 fd_set,为说明方便，取 fd_set 长度为 1 字节，fd_set 中的每一 bit 可以对应一个文件描述符 fd。则 1 字节长的 fd_set 最大可以对应 8 个 fd.

• （1）执行 fd_set set; FD_ZERO(&set);则 set 用位表示是 0000,0000。

• （2）若 fd＝5,执行 FD_SET(fd,&set);后 set 变为 0001,0000(第 5 位置为 1)

• （3）若再加入 fd＝2，fd=1,则 set 变为 0001,0011

• （4）执行 select(6,&set,0,0,0)阻塞等待

• （5）若 fd=1,fd=2 上都发生可读事件，则 select 返回，此时 set 变为 0000,0011。注意：没有事件发生的 fd=5 被清空。

socket 就绪条件

读就绪

此时调用read/recv/accept等读操作，不会阻塞，会立即返回数据或结果。

• socket 内核中, 接收缓冲区中的字节数, 大于等于低水位标记 SO_RCVLOWAT. 此时可以无阻塞的读该文件描述符, 并且返回值大于 0;

• socket TCP 通信中, 对端关闭连接, 此时对该 socket 读, 则返回 0;

• 监听的 socket 上有新的连接请求，accept可以立即返回。

• socket 上有未处理的错误，read会返回 -1。

写就绪

此时调用write/send等写操作，不会阻塞，可以立即写入数据。

• socket 内核中, 发送缓冲区中的可用字节数(发送缓冲区的空闲位置大小), 大于 等于低水位标记 SO_SNDLOWAT, 此时可以无阻塞的写, 并且返回值大于 0;

• socket 的写操作被关闭(close 或者 shutdown). 对一个写操作被关闭的 socket 进行写操作, 会触发 SIGPIPE 信号;

• socket 使用非阻塞 connect 连接成功或失败之后;

• socket 上有未读取的错误

异常就绪

在 I/O 多路复用（select/poll/epoll）中，除了关注文件描述符是否可读或可写，还可以关注是否发生异常事件。当出现这类特殊事件时，多路复用接口会标记该 fd 为“异常就绪”。

• 收到带外数据（Out‑of‑Band Data, OOB）
  TCP 支持紧急数据（例如 Telnet 的Ctrl+C），接收端可通过MSG_OOB标志读取。当有 OOB 数据到达时，select的exceptfds、poll的POLLPRI、epoll的EPOLLPRI会被触发。

• 某些错误条件（取决于实现）
  例如 socket 上发生了未处理的错误（如连接异常），部分系统也可能通过异常就绪通知。

select 的特点

• 可监控的文件描述符个数取决于 sizeof(fd_set)的值. 我这边服务器上 sizeof(fd_set)＝512，每 bit 表示一个文件描述符，则我服务器上支持的最大文件描述 符是 512*8=4096.

• 将 fd 加入 select 监控集的同时，还要再使用一个数据结构 array 保存放到 select 监控集中的 fd，

￮ 一是用于再 select 返回后，array 作为源数据和 fd_set 进行 FD_ISSET 判 断。

￮ 二是 select 返回后会把以前加入的但并无事件发生的 fd 清空，则每次开始 select 前都要重新从 array 取得 fd 逐一加入(FD_ZERO 最先)，扫描 array 的同时 取得 fd 最大值 maxfd，用于 select 的第一个参数。

select 缺点

• 每次调用 select, 都需要手动设置 fd 集合, 从接口使用角度来说也非常不便.

• 每次调用 select，都需要把 fd 集合从用户态拷贝到内核态，这个开销在 fd 很 多时会很大

• 同时每次调用 select 都需要在内核遍历传递进来的所有 fd，这个开销在 fd多时也很大

• select 支持的文件描述符数量太小.

select 使用示例: 检测标准输入输出

只检测标准输入:

使用select系统调用仅监视标准输入（文件描述符 0）。当用户在终端输入数据（按回车）时，select会返回，主程序再调用read读取并打印。

#include <stdio.h> #include <unistd.h> #include <sys/select.h> int main() { fd_set read_fds; // 读文件描述符集合 FD_ZERO(&read_fds); // 清空集合 FD_SET(0, &read_fds); // 将标准输入（fd=0）加入集合 for (;;) { printf("> "); // 打印提示符 fflush(stdout); // 确保提示符立即显示 // 第一个参数：最大fd+1 = 0+1 = 1 // 第二个参数：读集合（监视可读） // 第三、四参数：写集合和异常集合（NULL表示不关心） // 第五参数：超时时间（NULL表示无限等待） int ret = select(1, &read_fds, NULL, NULL, NULL); if (ret < 0) { perror("select"); continue; // 出错后继续循环 } // 检查标准输入是否在集合中且就绪 if (FD_ISSET(0, &read_fds)) { char buf[1024] = {0}; // 注意：演示代码未检查read返回值，实际应处理返回值<=0的情况 read(0, buf, sizeof(buf) - 1); printf("input: %s", buf); } else { printf("error! invalid fd\n"); continue; } // 重要：select会修改read_fds（只保留就绪的fd） // 所以下一次循环前必须重新初始化集合 FD_ZERO(&read_fds); FD_SET(0, &read_fds); } return 0; }

说明： • 当只检测文件描述符 0（标准输入）时，因为输入条件只有在你有输入信息的时候，才成立，所以如果一直不输入，就会产生超时信息。

select 使用示例

使用select实现了一个字典服务器（即通过 TCP 查询单词含义）。用Selector类封装select，管理多个客户端连接，TcpSelectServer负责监听并派发请求。

1. 监听 socket被加入Selector，监视其读就绪（有客户端连接）。

2. Selector::Wait()调用select，返回所有读就绪的 socket。

3. 遍历就绪列表：

   • 如果是监听 socket，调用Accept接收新连接，并将新客户端 socket 加入Selector。

   • 如果是客户端 socket，调用Recv读取请求，通过Handler业务函数生成响应，用Send返回结果。如果读取失败（客户端关闭），从Selector中删除并关闭 socket。

tcp_select_server.hpp

#pragma once #include <vector> #include <unordered_map> #include <functional> #include <sys/select.h> #include "tcp_socket.hpp" // 假设已经封装了 TcpSocket 类（Socket/Bind/Listen/Accept/Recv/Send/Close等） // 辅助函数：打印 fd_set 中哪些 fd 被设置（调试用） inline void PrintFdSet(fd_set* fds, int max_fd) { printf("select fds: "); for (int i = 0; i <= max_fd; ++i) { // 遍历 0～max_fd if (!FD_ISSET(i, fds)) continue; printf("%d ", i); } printf("\n"); } // 业务处理函数的类型：接收请求字符串，填充响应字符串 typedef std::function<void(const std::string& req, std::string* resp)> Handler; // Selector 类：封装 select 的操作，管理多个 TcpSocket 的读事件 // 注意：它存储 TcpSocket 对象的拷贝（需要 TcpSocket 可拷贝，通常用 shared_ptr 更好 class Selector { public: Selector() { max_fd_ = 0; // 当前最大文件描述符值 FD_ZERO(&read_fds_); // 清空读集合 } // 添加一个 socket 到监视集合中 bool Add(const TcpSocket& sock) { int fd = sock.GetFd(); printf("[Selector::Add] %d\n", fd); if (fd_map_.find(fd) != fd_map_.end()) { printf("Add failed! fd has in Selector!\n"); return false; } fd_map_[fd] = sock; // 保存 fd -> TcpSocket 的映射 FD_SET(fd, &read_fds_); // 加入读集合 if (fd > max_fd_) { max_fd_ = fd; // 更新最大 fd } return true; } // 从监视集合中删除一个 socket bool Del(const TcpSocket& sock) { int fd = sock.GetFd(); printf("[Selector::Del] %d\n", fd); if (fd_map_.find(fd) == fd_map_.end()) { printf("Del failed! fd has not in Selector!\n"); return false; } fd_map_.erase(fd); // 删除映射 FD_CLR(fd, &read_fds_); // 从读集合中清除 // 重新计算最大 fd（因为被删除的 fd 可能是原来的 max_fd_） for (int i = max_fd_; i >= 0; --i) { if (FD_ISSET(i, &read_fds_)) { max_fd_ = i; break; } } return true; } // 等待事件发生，返回读就绪的 socket 列表 bool Wait(std::vector<TcpSocket>* output) { output->clear(); // 重要：select 会修改传入的 fd_set，所以必须传一个副本 fd_set tmp = read_fds_; PrintFdSet(&tmp, max_fd_); // 调试输出 // 第一个参数：最大 fd + 1 // 第二个参数：读集合（我们只关心可读） // 第三、四：写集合和异常集合（NULL） // 第五：超时时间（NULL 表示无限等待） int nfds = select(max_fd_ + 1, &tmp, NULL, NULL, NULL); if (nfds < 0) { perror("select"); return false; } // 遍历所有可能的 fd（0 到 max_fd_），找出就绪的 for (int i = 0; i <= max_fd_; ++i) { if (!FD_ISSET(i, &tmp)) continue; // 从映射表中取出对应的 TcpSocket 对象，加入输出列表 output->push_back(fd_map_[i]); } return true; } private: fd_set read_fds_; // 读文件描述符集合（主副本） int max_fd_; // 当前监视的最大 fd std::unordered_map<int, TcpSocket> fd_map_; // fd -> TcpSocket 映射 }; // TcpSelectServer 类：使用 Selector 实现 TCP 服务器 class TcpSelectServer { public: TcpSelectServer(const std::string& ip, uint16_t port) : ip_(ip), port_(port) {} // 启动服务器，传入业务处理函数 handler bool Start(Handler handler) const { // 1. 创建监听 socket TcpSocket listen_sock; if (!listen_sock.Socket()) return false; // 2. 绑定地址和端口 if (!listen_sock.Bind(ip_, port_)) return false; // 3. 开始监听（backlog = 5） if (!listen_sock.Listen(5)) return false; // 4. 创建 Selector 对象，并把监听 socket 加入监视 Selector selector; selector.Add(listen_sock); // 5. 主事件循环 for (;;) { std::vector<TcpSocket> ready_list; if (!selector.Wait(&ready_list)) { continue; // select 失败，重试 } // 6. 处理就绪的 socket for (size_t i = 0; i < ready_list.size(); ++i) { int fd = ready_list[i].GetFd(); // 情况1：就绪的是监听 socket → 有新连接到来 if (fd == listen_sock.GetFd()) { TcpSocket new_sock; // Accept 不会阻塞（因为 select 已告知可读） if (!listen_sock.Accept(&new_sock, NULL, NULL)) { continue; } // 将新客户端 socket 加入 Selector 监视 selector.Add(new_sock); } // 情况2：就绪的是客户端 socket → 有数据可读 else { std::string req, resp; // 接收请求（注意：这里假设 Recv 能完整读取一次请求，实际要处理粘包） bool ret = ready_list[i].Recv(&req); if (!ret) { // 对端关闭或出错，删除并关闭 socket selector.Del(ready_list[i]); ready_list[i].Close(); continue; } // 调用业务处理函数（例如查字典，生成响应） handler(req, &resp); // 发送响应给客户端 ready_list[i].Send(resp); } } } return true; } private: std::string ip_; uint16_t port_; };

dict_server.cc

#include "tcp_select_server.hpp" #include <iostream> // 示例业务处理：单词->简单翻译 void DictHandler(const std::string& req, std::string* resp) { if (req == "hello") *resp = "你好"; else if (req == "world") *resp = "世界"; else *resp = "未知单词"; } int main() { TcpSelectServer server("0.0.0.0", 9090); server.Start(DictHandler); return 0; }

注意：

• select的 fd_set 会被修改，所以Wait中必须拷贝一份传给内核。

• 最大 fd 值需要动态维护（max_fd_），select的第一个参数是max_fd_ + 1。

• 两种 socket 类型：监听 socket（只负责accept）和客户端 socket（负责读写数据）。

• 事件驱动：select告诉你有事件，你再根据 fd 区分是连接还是数据。

• 限制：fd_set默认最大 fd 为FD_SETSIZE（通常 1024），不适合高并发。
  实际更常用poll/epoll，但select的思想是基础。