首先我們要了解一下，什么是多路轉接？

多路轉接也叫多路復用，是一種用于管理多個IO通道的技術。

它能實現(xiàn)同時監(jiān)聽和處理多個IO事件，而不是為每個IO通道創(chuàng)建單獨的線程或者進程，多路轉接允許在單個進程或線程中同時處理多個IO操作，從而提高程序的性能和效率。

本篇文章介紹的select函數(shù)，就用于select系統(tǒng)調用的多路轉接技術。

1. 認識select函數(shù)

select函數(shù)是系統(tǒng)提供的一個多路轉接接口。

IO = 等待就緒 + 數(shù)據(jù)拷貝，而select是只負責等。

• select系統(tǒng)調用可以讓我們的程序同時監(jiān)聽多個文件描述符上的事件是否就緒。
• select的核心工作就是等，當監(jiān)聽的多個文件描述符中有一個或多個事件就緒時，select函數(shù)才會成功返回并將對應文件描述符的就緒事件告知調用者。

2. select函數(shù)原型

參數(shù)說明：

• nfds：需要監(jiān)聽的文件描述符中，最大的文件描述符值 + 1。
• readfs：輸入輸出型參數(shù)，調用時用戶告知內核需要監(jiān)聽哪些文件描述符的讀事件是否就緒，返回時內核告訴用戶哪些文件描述符的讀事件已經(jīng)就緒。
• writefds：輸入輸出型參數(shù)，調用時用戶告知內核需要監(jiān)聽哪些文件描述符的寫事件是否就緒，返回時內核告知用戶哪些文件描述符的寫事件已經(jīng)就緒。
• exceptfds：輸入輸出型參數(shù)，調用時告知內核需要監(jiān)聽哪些文件描述符的異常事件是否就緒，返回時內核告知用戶哪些文件描述符的異常事件已經(jīng)就緒。
• timeout：輸入輸出參數(shù)，調用時由用戶設置select的等待時間，返回時表示timeout的剩余時間。

參數(shù)timeout的取值：

• NULL/nullptr：select調用后進行阻塞等待，直到被監(jiān)視的某個文件描述符上的事件就緒。
• 0：select調用后進行非阻塞等待，無論被監(jiān)視的文件描述符的事件是否就緒，select檢測后都會立即返回。
• 特定的時間值：select調用后在指定的時間內進行阻塞等待，如果被監(jiān)視的文件描述符上一直沒有事件就緒，則在該時間后select進行超時返回。

返回值說明：

• 如果函數(shù)調用成功，則返回有事件就緒的文件描述符個數(shù)。
• 如果timeout時間耗盡，則返回0。
• 如果函數(shù)調用失敗，則返回-1，同時錯誤碼會被設置。

select調用失敗，錯誤碼可能被設置為：

• EBADF：文件描述符有無效的或者該文件已關閉
• EINTR：此調用被信號所中斷
• EINVAL：參數(shù)nfds為負值
• ENOMEM：核心內存不足

fd_set 結構

fd_set 結構與 sigset_t 結構類似，fd_set 本質也是一個位圖，用位圖中對應的位來表示要監(jiān)聽的文件描述符。

調用select函數(shù)之前就需要用fd_set結構定義出對應的文件描述符集，然后將需要監(jiān)視的文件描述符添加到文件描述符集當中，這個添加的過程本質就是在進行位操作，但是這個位操作不需要用戶自己進行，系統(tǒng)專門提供了一組專門的接口，用戶對fd_set位圖進行各種操作。

timeval 結構

傳入select函數(shù)的最后一個參數(shù)timeout，就是一個指向timeval結構的指針，timeval結構用于描述一段時間長度，該結構當中包含兩個成員，其中tv_sec表示的是秒，tv_usec表示的是微妙。

3. socket就緒條件

讀就緒

• socket內核中，接收緩沖區(qū)中的字節(jié)數(shù)，大于等于低水位標記物SO_RCVLOWAT，此時可以無阻塞地讀取該文件描述符，并且返回值大于0。
• socket TCP通信中，對端連接關閉，此時對該socket讀，則返回0。
• 監(jiān)聽的socket上有新的連接請求。
• socket上有未處理的錯誤。

寫就緒

• socket內核中，發(fā)送緩沖區(qū)中的可用字節(jié)數(shù)，大于等于低水位標記SO_SNDLOWAT，此時可以無阻塞地寫，并且返回值大于0。
• socket的寫操作被關閉（close或者shutdown），對一個寫操作被關閉的socket進行寫操作，會觸發(fā)SIGPIPE信號。
• socket使用非阻塞connect連接成功或失敗之后。
• socket上有未讀取的錯誤。

異常就緒

• socket上收到帶外數(shù)據(jù)

4. select工作流程

這里我們只介紹select處理讀取的操作。

如果我們要實現(xiàn)一個簡單的select服務器，該服務器要做的就是讀取客戶端發(fā)來的數(shù)據(jù)并進行打印，那么這個select服務器的工作流程應該是這樣的：

• 先初始化服務器，完成套接字的創(chuàng)建、綁定和監(jiān)聽。
• 定義一個fd_array數(shù)組用于保存監(jiān)聽套接字和已經(jīng)與客戶端建立連接的套接字，剛開始時就將監(jiān)聽套接字添加到fd_array數(shù)組當中。
• 然后服務器開始循環(huán)調用select函數(shù)，檢測讀事件是否就緒，如果就緒則執(zhí)行對應的操作。
• 每次調用select函數(shù)之前，都需要定義一個讀文件描述符集readfds，并將fd_array當中的文件描述符依此設置進readfds當中，表示讓select幫我們監(jiān)視這些文件描述符的讀事件是否就緒。
• 當select檢測到數(shù)據(jù)就緒時會讀事件就緒的文件描述符設置進readfds當中，此時我們能夠得知哪些文件描述符的讀事件就緒了，并對這些文件描述符進行對應的操作。
• 如果讀事件就緒的就是監(jiān)聽套接字，則調用accept函數(shù)從底層全連接隊列獲取已經(jīng)建立好的連接，并將該連接對應的套接字添加到fd_array數(shù)組當中。
• 如果讀事件就緒的是與客戶端建議連接的套接字，則調用read函數(shù)讀取客戶端發(fā)來的數(shù)據(jù)并進行打印輸出。
• 當然，服務器與客戶端建立連接的套接字讀事件就緒，也可能是因為客戶端將連接關閉了，此時服務器應該調用close關閉套接字，并將該套接字從fd_array中清除，因為下一次不需要再監(jiān)視該文件描述符的讀事件了。

注意：

• 因為傳入的select函數(shù)的readfds、writefds和exceptfds都是輸入輸出型參數(shù)，當select函數(shù)返回時這些參數(shù)當中的值已經(jīng)被修改了，因此每次調用seletct函數(shù)時都需要對其進行重新設置，timeout也是類似的道理。
• 因為每次調用select函數(shù)之前都需要對readfds進行重新設置，所以需要定義一個fd_array數(shù)組保存與客戶端已經(jīng)建立的若干連接和監(jiān)聽套接字，實際fd_array數(shù)組當中的文件描述符就是需要讓select監(jiān)視讀事件的文件描述符。
• 我們的select服務器只是讀取客戶端發(fā)來的數(shù)據(jù)，因此只需讓select幫我們監(jiān)視特定文件描述符的讀事件，如果同時讓select幫我們監(jiān)視特定文件描述符的讀事件和寫事件，則需要分別定義readfds和writefds，并定義兩個數(shù)組分別保存需要被監(jiān)視讀事件和寫事件的文件描述符，便于每次調用select函數(shù)前對readfds和writefds進行重新設置。
• 服務器剛開始運行時，fd_array數(shù)組當中只有監(jiān)聽套接字，因此select第一次調用時只需要監(jiān)視監(jiān)聽套接字的讀事件是否就緒，但每次調用accept獲取到新連接之后，都會將連接對應的套接字添加到fd_array當中，因此后續(xù)select調用時就需要監(jiān)視監(jiān)聽套接字和若干連接套接字的讀事件是否就緒。
• 由于調用select時還需要傳入被監(jiān)視的文件描述符中最大文件描述符值+1，因此每次在遍歷fd_array對readfds進行重新設置時，還需要記錄最大文件描述符的值。

5. select服務器

Socket類

我們編寫一個Socket類，對套接字相關的接口進行一定程序的封裝，為了讓外部能夠直接調用Socket類當中的函數(shù)，我們將這些成員函數(shù)定義成靜態(tài)成員函數(shù)。

#pragma once

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <cstring>
#include <cstdlib>

class Socket
{
public:
    // 創(chuàng)建套接字
    static int SocketCreate()
    {
        int sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
        if (sock < 0)
        {
            std::cerr << "socket error" << std::endl;
            exit(2);
        }

        // 設置端口復用
        int opt = 1;
        setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));
        return sock;
    }

    // 綁定
    static void SocketBind(int sock, int port)
    {
        struct sockaddr_in local;
        memset(&local, 0, sizeof(local));
        local.sin_family = AF_INET;
        local.sin_port = htons(port);
        local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

        socklen_t len = sizeof(local);

        if (bind(sock, (struct sockaddr*)&local, len) < 0)
        {
            std::cerr << "bind error" << std::endl;
            exit(3);
        }
    }

    // 監(jiān)聽
    static void SocketListen(int sock, int backlog)
    {
        if (listen(sock, backlog) < 0)
        {
            std::cerr << "listen error" << std::endl;
            exit(4);
        }
    }
};

SelectServer類

編寫SelectServer類，因為我當前使用的是云服務器，所以編寫的select服務器在綁定時只需將IP地址設置為INADDR_ANY即可，所以類中只包含監(jiān)聽套接字和端口號兩個成員變量即可。

• 在構造SelectServer對象時，需要指明select服務器的端口號，當然也可以在初始化select服務器的時候指明。
• 在初始化select服務器的時候需要調用Socket類當中的函數(shù)，依此進行套接字的創(chuàng)建、綁定和監(jiān)聽即可。
• 在析構函數(shù)中可以選擇調用close函數(shù)將監(jiān)聽套接字進行關閉，但實際也可以不進行該動作，因為服務器運行后一般是不退出的。

#pragma once

#include "Socket.hpp"
#include <sys/select.h>

#define BACK_LOG 5

class SelectServer
{
public:
    SelectServer(int port)
        : _port(port)
    {}

    void InitSelectServer()
    {
        _listen_sock = Socket::SocketCreate();
        Socket::SocketBind(_listen_sock, _port);
        Socket::SocketListen(_listen_sock, BACK_LOG);
    }

    ~SelectServer()
    {
        if (_listen_sock >= 0) close(_listen_sock);
    }

private:
    int _listen_sock;
    int _port;
};

運行服務器

服務器初始化完畢之后就可以周期性地執(zhí)行某種動作了，而select服務器要做的就是不斷調用select函數(shù)，當事件就緒對應執(zhí)行某種動作即可。

• 首先，在select服務器開始死循環(huán)調用select函數(shù)之前，需要先定義一個fd_array數(shù)組，先把數(shù)組中所有的位置初始化為無效，并將監(jiān)聽套接字添加到該數(shù)組當中，fd_array數(shù)組當中保存的就是需要被select監(jiān)視讀事件是否就緒的文件描述符。
• 此后，select服務器就不斷調用select函數(shù)監(jiān)視讀事件是否就緒，每次調用select函數(shù)之前都需要重新設置readfds，具體設置過程就是遍歷fd_array數(shù)組，將fd_array數(shù)組當中的文件描述符添加到readfds當中，并同時記錄最大的文件描述符maxfd。
• 當select函數(shù)返回后，如果返回值為0，則說明timeout時間耗盡，此時直接準備下一次select調用即可。如果select的返回值為-1，則說明select調用失敗，此時也讓服務器準備下一次select調用，但實際應該進一步判斷錯誤碼，根據(jù)錯誤碼來判斷是否應該繼續(xù)調用select函數(shù)。
• 如果select函數(shù)的返回值大于0，則說明select函數(shù)調用成功，此時已經(jīng)有文件描述符的讀事件就緒，接下來就應該對就緒事件進行處理。

#pragma once

#include "Socket.hpp"
#include <sys/select.h>

#define BACK_LOG 5
#define NUM 1024
#define DFL_FD - 1

class SelectServer
{
public:
    SelectServer(int port)
        : _port(port)
    {}

    void InitSelectServer()
    {
        _listen_sock = Socket::SocketCreate();
        Socket::SocketBind(_listen_sock, _port);
        Socket::SocketListen(_listen_sock, BACK_LOG);
    }

    ~SelectServer()
    {
        if (_listen_sock >= 0) close(_listen_sock);
    }

    void Run()
    {
        fd_set readfds; // 創(chuàng)建讀文件描述符集
        int fd_array[NUM]; // 保存需要被監(jiān)視讀事件是否就緒的文件描述符
        ClearFdArray(fd_array, NUM, DFL_FD); // 將數(shù)組中的所有位置設置為無效
        fd_array[0] = _listen_sock; // 將監(jiān)聽套接字添加到fd_array數(shù)組中的第0個位置
        while (1)
        {
            FD_ZERO(&readfds); // 清空readfds
            // 將fd_array數(shù)組當中的文件描述符添加到readfds中，并記錄最大的文件描述符
            int maxfd = DFL_FD;
            for (int i = 0; i < NUM; ++i)
            {
                if (fd_array[i] == DFL_FD) continue; // 跳過無效的位置
                FD_SET(fd_array[i], &readfds);  // 將有效位置的文件描述符添加到readfds中
                if (fd_array[i] > maxfd) maxfd = fd_array[i]; // 更新最大文件描述符
            }

            switch (select(maxfd + 1, &readfds, nullptr, nullptr, nullptr))
            {
                case 0:
                    std::cout << "timeout..." << std::endl;
                    break;
                case -1:
                    std::cerr << "select error" << std::endl;
                    break;
                default:
                    std::cout << "有事件發(fā)生..." << std::endl;
                    break; 
            }
        }

    }

private:
    void ClearFdArray(int fd_array[], int num, int default_fd)
    {
        for (int i = 0; i < num; ++i) fd_array[i] = default_fd;
    }

    int _listen_sock;
    int _port;
};

啟動服務器

#include "SelectServer.hpp"
#include <string>

int main(int argc, char* argv[])
{
    if (argc != 2)
    {
        std::cerr << "Usage: " << "SelectServer" << " port" << std::endl;
        exit(1);
    }
    int port = atoi(argv[1]);

    SelectServer* svr = new SelectServer(port);
    svr->InitSelectServer();
    svr->Run();

    return 0;
}

由于當前服務器調用select函數(shù)時直接將timeout設置為了nullptr，因此select函數(shù)調用后會進行阻塞等待。

而服務器在第一次調用select函數(shù)時只讓select函數(shù)監(jiān)視監(jiān)聽套接字的讀事件，所以運行服務器之后如果沒有客戶端發(fā)來連接請求，那么讀事件就不會就緒，而服務器會一直在第一次調用的select函數(shù)中進行阻塞等待。

當我們借助telnet工具向select服務器發(fā)起連接請求之后，select函數(shù)就會立馬檢測到監(jiān)聽套接字的讀事件就緒，此時select函數(shù)便會返回成功，并將我們設置的提示語句進行打印輸出，因為當前程序沒有對就緒事件進行處理，此后每次select函數(shù)一調用就會檢測到讀事件就緒成功返回，因此屏幕不但打印輸出提示語句。

如果服務器在調用select函數(shù)時將timeout的值設置為0，那么select函數(shù)調用后就會進行非阻塞等待，無論被監(jiān)視的文件描述符上的事件是否就緒，select檢測后都會立即返回。

此時如果select監(jiān)視的文件描述符上有事件就緒，那么select函數(shù)的返回值就是大于0的，如果select函數(shù)監(jiān)視的文件描述符上沒有事件就緒，那么select的返回值就是小于0的，這里也就不進行演示了。

事件處理

當select檢測到右文件描述符的讀事件就緒并成功返回后，接下來就應該對就緒事件進行處理了，這里編寫一個HandleEvent函數(shù)，當讀事件就緒之后就調用該函數(shù)進行事件處理。

• 在進行事件處理時需要遍歷fd_array數(shù)組當中的文件描述符，以此判斷各個文件描述符對應的讀事件是否就緒，如果就緒則需要進行事件處理。
• 當一個文件描述符的讀事件就緒之后，還需要進一步判斷該文件描述符是否是監(jiān)聽套接字，如果是監(jiān)聽套接字的讀事件就緒，那么就應該調用accept函數(shù)將底層的連接獲取上來。但是只調用accept函數(shù)將連接獲取上來還不夠，為了下一次調用select函數(shù)時能夠讓select幫我們監(jiān)視新連接的事件是否就緒，在連接獲取上來后還應該將連接對應的文件描述符添加到fd_array數(shù)組當中，這樣在下一次調用select函數(shù)前對readfds重新設置時就能將該文件描述符添加進去了。
• 如果是客戶端建立的連接對應的讀事件就緒，那么就應該調用read函數(shù)讀取客戶端發(fā)來的連接，如果讀取成功則將讀到的數(shù)據(jù)在服務端進行打印。如果調用read函數(shù)讀取失敗或者客戶端關閉了連接，那么select服務器也應該調用close函數(shù)關閉對應的連接，但此時只關閉連接也是不夠的，還應該將該連接對應的文件描述符從fd_array數(shù)組當中清除，否則后續(xù)調用的select函數(shù)還會幫我們監(jiān)視該連接的讀事件是否就緒，但實際已經(jīng)不需要了。

    void HandleEvent(const fd_set& readfds, int fd_array[], int num)
    {
        for (int i = 0; i < num; ++i)
        {
            // 跳過無效位置
            if (fd_array[i] == DFL_FD) continue;
                
            // 連接事件就緒
            if (fd_array[i] == _listen_sock && FD_ISSET(fd_array[i], &readfds))
            {
                // 獲取連接
                struct sockaddr_in peer;
                memset(&peer, 0, sizeof(peer));
                socklen_t len = sizeof(peer);
                int sock = accept(_listen_sock, (struct sockaddr*)&peer, &len);
                if (sock < 0)
                {
                    std::cerr << "accept error" << std::endl;
                    continue;
                }
                std::string peer_ip = inet_ntoa(peer.sin_addr);
                int peer_port = ntohs(peer.sin_port);
                std::cout << "get a new link[" << peer_ip << ":" << peer_port << "]" << std::endl;
                // 將獲取到的文件描述符添加到fd_array中
                if (!SetFdArray(fd_array, num, sock))
                {
                    // 如果添加失敗，關閉文件描述符
                    close(sock);
                    std::cout << "select server is full, close fd: " << sock << std::endl;
                }
            }
        }
    }

private:
    bool SetFdArray(int fd_array[], int num, int fd)
    {
        for (int i = 0; i < num; ++i)
        {
            if (fd_array[i] == DFL_FD) 
            {
                fd_array[i] = fd;
                return true;
            }
        }
        return false;
    }

添加文件描述符到fd_array數(shù)組中，本質就是遍歷fd_array數(shù)組，找到一個沒有被使用的位置將該文件描述符添加進去即可。

但有可能fd_array數(shù)組中全部的位置都已經(jīng)被占用了，那么文件描述符就會添加失敗，此時就只能將剛剛獲取上來的連接對應的套接字進行關閉，因為此時服務器是沒有能力處理這個連接的。

該select服務器存在的一些問題

• 服務器沒有對客戶端進行響應，select服務器如果要向客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)，不能直接調用write函數(shù)，因為調用write函數(shù)時實際也為了“等”和“拷貝”兩步，我們也應該將“等”的這個過程交給select函數(shù)，因此在每次調用select函數(shù)之前，除了需要重新設置readfds之外還需要重新設置writefds，并且還需要一個數(shù)組來保存需要被監(jiān)視事件是否就緒的文件描述符，當某一文件描述符的寫事件就緒時我們才能夠調用write函數(shù)向客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)。
• 沒有定制協(xié)議，代碼中讀取數(shù)據(jù)時并沒有按照某種規(guī)則進行讀取，此時就可能造成粘包問題。比如HTTP協(xié)議規(guī)定在讀取底層數(shù)據(jù)時讀取到空行就表明讀完了一個HTTP報頭，此時再根據(jù)HTTP報頭當中的Content-Length屬性得知正文的長度，最終就能讀取到一個完整的HTTP報文，HTTP協(xié)議通過這種方式就避免了粘包問題。
• 沒有對應的輸入輸出緩沖區(qū)，代碼中直接將讀取的數(shù)據(jù)存儲到了字符數(shù)組buffer中，這是不嚴謹?shù)?，因為本地?shù)據(jù)讀取可能并沒有讀取到一個完整的報文，此時服務器就不能進行數(shù)據(jù)的分析處理，一個將讀取到的數(shù)據(jù)存儲到一個輸入緩沖區(qū)中，當讀取到一個完整的報文之后再讓服務器進行處理。此外，如果服務器能夠對客戶端進行響應，那么服務器的響應數(shù)據(jù)也不應該直接調用write函數(shù)發(fā)送給客戶端，應該先存儲到一個輸出緩沖區(qū)當中，因為響應數(shù)據(jù)可能很龐大，無法一次發(fā)送完畢，可能需要進行分批發(fā)送。

6. select的優(yōu)缺點

select的優(yōu)點

• 可以同時等待多個文件描述符，并且只負責等待，實際的IO操作由accept、read、write等接口完成，這些接口在進行IO操作時不會被阻塞。
• select同時等待多個文件描述符，因此可以將“讀”的時間重疊，提高了IO的效率。

當然，這也是所有多路轉接接口的優(yōu)點。

select的缺點

• 每次調用select，都需要手動設置fd集合，從接口使用角度來看并不方便。
• 每次調用select，都需要把fd集合從用戶態(tài)拷貝到內核態(tài)，這個開銷在fd很多時會很大。
• 同時每次調用select時都需要在內核遍歷傳遞進來的所有fd，這個開銷在fd很多時也很大。
• select可監(jiān)控的文件描述符數(shù)量太少。

select可監(jiān)控的文件描述符有1024個，除去其中的一個監(jiān)聽套接字，那么它最多只能連接1023個客戶端。

總結

以上為個人經(jīng)驗，希望能給大家一個參考，也希望大家多多支持腳本之家。