IO多路复用-select(附通信代码)

IO多路复用-select

1. IO多路复用概述

I/O多路复用（I/O Multiplexing）是一种通过一种机制同时监听多个文件描述符（sockets、文件、设备等）的技术。它可以使一个进程在等待多个 I/O 操作完成时不会阻塞，从而提高程序的性能和响应性。

通过这种方式在单线程/进程的场景下也可以在服务器端实现并发。常见的IO多路转接方式有：select、poll、epoll。

I/O多路复用的优势在于它可以有效地管理大量的连接，避免了创建大量线程或进程的开销。它适用于需要同时处理多个连接，但每个连接的数据流量相对较小的情况，如网络服务器、聊天程序等。通过选择适当的多路复用机制，可以使程序更加高效地处理并发的 I/O 操作。

IO多路复用和多线程/进程的对比:

• 多线程/进程并发是主线程调用accept函数, 检测客户端连接请求, 有则连接, 没有则阻塞
• 子线程调用read/write函数

IO多路复用

• 委托内核检测服务器端所有的文件描述符（通信和监听两类）
• 检测到已就绪的文件描述符阻塞解除，并将这些已就绪的文件描述符传出

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。

2. select

2.1 函数原型

这个函数是跨平台的，Linux、Mac、Windows都支持

函数的函数原型：

#include <sys/select.h>
struct timeval {
    time_t      tv_sec;         /* seconds */
    suseconds_t tv_usec;        /* microseconds */
};

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,
           fd_set *exceptfds, struct timeval * timeout);

函数参数：

• nfds：委托内核检测的这三个集合中最大的文件描述符 + 1
  • 内核需要线性遍历这些集合中的文件描述符，这个值是循环结束的条件
  • 在Window中这个参数是无效的，指定为-1即可
• readfds：文件描述符的集合, 内核只检测这个集合中文件描述符对应的读缓冲区
  • 传入传出参数，读集合一般情况下都是需要检测的，这样才知道通过哪个文件描述符接收数据
• writefds：文件描述符的集合, 内核只检测这个集合中文件描述符对应的写缓冲区
  • 传入传出参数，如果不需要使用这个参数可以指定为NULL
• exceptfds：文件描述符的集合, 内核检测集合中文件描述符是否有异常状态
  • 传入传出参数，如果不需要使用这个参数可以指定为NULL
• timeout：超时时长，用来强制解除select()函数的阻塞的
  • NULL：函数检测不到就绪的文件描述符会一直阻塞。
  • 等待固定时长（秒）：函数检测不到就绪的文件描述符，在指定时长之后强制解除阻塞，函数返回0
  • 不等待：函数不会阻塞，直接将该参数对应的结构体初始化为0即可。

函数返回值：

• 大于0：成功，返回集合中已就绪的文件描述符的总个数
• 等于-1：函数调用失败
• 等于0：超时，没有检测到就绪的文件描述符

另外初始化fd_set类型的参数还需要使用相关的一些列操作函数，具体如下：

// 将文件描述符fd从set集合中删除 == 将fd对应的标志位设置为0        
void FD_CLR(int fd, fd_set *set);
// 判断文件描述符fd是否在set集合中 == 读一下fd对应的标志位到底是0还是1
int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set);
// 将文件描述符fd添加到set集合中 == 将fd对应的标志位设置为1
void FD_SET(int fd, fd_set *set);
// 将set集合中, 所有文件文件描述符对应的标志位设置为0, 集合中没有添加任何文件描述符
void FD_ZERO(fd_set *set);

2.2 fd_set细节描述

这个类型的数据有128个字节，也就是1024个标志位，和内核中文件描述符表中的文件描述符个数是一样的。

下图中的fd_set中存储了要委托内核检测读缓冲区的文件描述符集合。

• 如果集合中的标志位为0代表不检测这个文件描述符状态
• 如果集合中的标志位为1代表检测这个文件描述符状态

内核在遍历这个读集合的过程中，如果被检测的文件描述符对应的读缓冲区中没有数据，内核将修改这个文件描述符在读集合fd_set中对应的标志位，改为0，如果有数据那么这个标志位的值不变，还是1。

当select()函数解除阻塞之后，被内核修改过的读集合通过参数传出，此时集合中只要标志位的值为1，那么它对应的文件描述符肯定是就绪的，我们就可以基于这个文件描述符和客户端建立新连接或者通信了。

3. 并发处理

3.1 服务器端处理流程

1. 创建监听的套接字 lfd = socket();

2. 将监听的套接字和本地的IP和端口绑定 bind()

3. 给监听的套接字设置监听 listen()

4. 创建一个文件描述符集合 fd_set，用于存储需要检测读事件的所有的文件描述符

   通过 FD_ZERO() 初始化

   通过 FD_SET() 将监听的文件描述符放入检测的读集合中

5. 循环调用select()，周期性的对所有的文件描述符进行检测

6. select() 解除阻塞返回，得到内核传出的满足条件的就绪的文件描述符集合

   通过FD_ISSET() 判断集合中的标志位是否为 1

   如果这个文件描述符是监听的文件描述符，调用 accept() 和客户端建立连接

   ? 将得到的新的通信的文件描述符，通过FD_SET() 放入到检测集合中

   如果这个文件描述符是通信的文件描述符，调用通信函数和客户端通信(这个一定是在第二轮开始今后才能检测到)

   ? 如果客户端和服务器断开了连接，使用FD_CLR()将这个文件描述符从检测集合中删除

   ? 如果没有断开连接，正常通信即可

7. 重复第6步

3.2 通信代码

服务器端代码

//
// Created by 47468 on 2024/1/24.
// server.cpp
#include "arpa/inet.h"
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include "unistd.h"
#include "iostream"
#include "string"
#include "cctype"
using namespace std;

int main(){
    // 1. 创建监听的套接字
    int lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    // 2. 绑定
    sockaddr_in saddr{};
    saddr.sin_family = AF_INET;
    saddr.sin_port = htons(9999);
    saddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    int res = bind(lfd, (struct sockaddr *) &saddr, sizeof(saddr));
    if(res == -1){
        perror("bind");
        close(lfd);
        return -1;
    }

    // 3.设置监听
    res = listen(lfd, 128);
    if(res == -1){
        perror("listen");
        close(lfd);
        return -1;
    }

    // 将监听的fd的状态检测委托给内核检测
    int maxfd = lfd;
    // 初始化检测的读集合
    fd_set rdset;
    fd_set rdtemp;
    // 初始化
    FD_ZERO(&rdset);
    // 将监听的lfd设置到检测的读集合中
    FD_SET(lfd, &rdset);
    // 通过select委托内核检测读集合中的文件描述符状态, 检测read缓冲区有没有数据
    // 如果有数据, select解除阻塞返回
    // 应该让内核持续检测
    while (true){
        // 默认阻塞
        // rdset 中是委托内核检测的所有的文件描述符
        rdtemp = rdset;
        int num = select(maxfd + 1, &rdtemp, nullptr, nullptr, nullptr);
        // rdset中的数据被内核改写了,
        // 只保留了发生变化的文件描述的标志位上的1,
        // 没变化的改为0
        // 只要rdset中的fd对应的标志位为1 -> 缓冲区有数据了
        // 判断
        // 有没有新连接
        if(FD_ISSET(lfd, &rdtemp)){
            sockaddr_in cliaddr{};
            int len = sizeof(cliaddr);
            int cfd = accept(lfd, (struct sockaddr *) &cliaddr, (socklen_t *) (&len));
            char ip[32];
            cout << "有客户端成功连接, 客户端ip: "
                 << inet_ntop(AF_INET, &cliaddr.sin_addr.s_addr, ip, sizeof(ip))
                 << ", port: "
                 << ntohs(cliaddr.sin_port)
                 << endl;

            // 得到了有效的文件描述符
            // 通信的文件描述符添加到读集合
            // 在下一轮select检测的时候, 就能得到缓冲区的状态
            FD_SET(cfd, &rdset);
            // 更新maxfd
            maxfd = max(maxfd, cfd);
        }

        // 再检测有没有通信的文件描述符
        for (int i = 0; i <= maxfd; ++i) {
            // 判断从监听的文件描述符之后到maxfd这个范围内的文件描述符是否读缓冲区有数据
            if(i != lfd && FD_ISSET(i, &rdtemp)){
                // 接收数据
                char buf[10] = {0};
                // 一次只能接收10个字节, 客户端一次发送100个字节
                // 一次是接收不完的, 文件描述符对应的读缓冲区中还有数据
                // 下一轮select检测的时候, 内核还会标记这个文件描述符缓冲区有数据 -> 再读一次
                // 	循环会一直持续, 直到缓冲区数据被读完位置
                ssize_t len = read(i, buf, sizeof(buf));
                if(len == 0){
                    cout << "客户端断开了连接..." << endl;
                    FD_CLR(i, &rdset);
                    close(i);
                }
                else if(len > 0){
                    buf[len] = '\0';
                    // 收到了数据
                    cout << "客户端: " << buf << endl;
                    // 数据处理
                    for (int j = 0; j < len; ++j) {
                        buf[j] = toupper(buf[j]);
                    }

                    // 发送回去
                    write(i, buf, len);
                } else{
                    // 异常
                    perror("read");
                }

            }
        }

    }
    return 0;
}

客户端代码

//
// Created by 47468 on 2024/1/24.
// client.cpp
#include "arpa/inet.h"
#include "cstdio"
#include <cstdlib>
#include "unistd.h"
#include "iostream"
using namespace std;
#include <cstring>

int main(){
    int fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(fd == -1){
        perror("socket");
        exit(0);
    }

    sockaddr_in addr;
    addr.sin_family = AF_INET;
    inet_pton(AF_INET, "192.168.110.129", &addr.sin_addr.s_addr);
    addr.sin_port = htons(9999);
    int res = connect(fd, (struct sockaddr *) &addr, sizeof(addr));
    if(res == -1){
        perror("connect");
        close(fd);
        return -1;
    }

    // 通信
    while (true){
        // 键盘输入数据
        char readBuf[1024];
        cout << "请输入要发送的字符串:" << endl;
        cin.getline(readBuf, sizeof(readBuf));
        // 把数据发送到客户端
        write(fd, readBuf, strlen(readBuf));

        // 再把客户端发回来的数据读出来
        // 如果客户端没有发送数据, 默认阻塞
        read(fd, readBuf, sizeof(readBuf));
        cout << readBuf << endl;
    }
    close(fd);
    return 0;
}

测试:

主要实现了服务器和两个客户端通信的流程, 服务器端一次最多接受10个字节, 多于10个字节后, 会分多次接收