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。

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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!
");
            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
");
            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
");
                    delete_list(sock,&sock_list);
                    continue;
                }else if(retval == -1){
                    retval = WSAGetLastError();
                    if(retval == WSAEWOULDBLOCK)
                        continue;
                    closesocket(sock);
                    printf("close a socket
");
                    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
",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》