1、概念
1.1 多路复用
在Linux中，多路复用是一种机制，用于同时监视多个文件描述符的状态，以便在其中任何一个文件描述符准备好进行读写操作时立即通知进程。常见的多路复用机制包括 select、poll 和 epoll。
1.2 select
select 是一种用于实现异步通信的系统调用。它允许进程监视多个文件描述符（包括套接字、管道等）的状态，当其中任何一个文件描述符准备好进行读或写操作时，select 就会通知进程。select 的原理是通过在内核中维护一个数据结构来管理文件描述符的状态，当进程调用 select 时，内核会检查所监视的文件描述符的状态，并根据情况进行相应的处理。
1.3 应用场景
- 并发服务器：在服务器端可以同时处理多个客户端连接请求，使用
select可以监视多个客户端的套接字，当有客户端数据到达时立即处理。 - I/O多路复用：在客户端，可以同时处理多个文件描述符的读写操作，节省了不必要的阻塞等待时间。
- 实时性要求高：当需要实时响应多个文件描述符的状态变化时，
select可以及时通知进程。
1.4 特点
- 监视多个文件描述符：
select可以同时监视多个文件描述符，包括套接字、管道、标准输入等。 - 非阻塞等待：
select可以让进程在等待多个文件描述符准备就绪的过程中继续执行其他任务，不会阻塞在一个文件描述符上。 - 跨平台支持：
select是跨平台的系统调用，在不同操作系统上都能使用。 - 简单易用：相比其他多路复用机制如
poll和epoll，select使用简单，适用于一些简单的并发场景。
2、编程接口
2.1 select
select 函数用于监视一组文件描述符，当其中任何一个文件描述符准备好进行 I/O 操作时，select 函数就会返回，告知应用程序哪些文件描述符可以进行读取、写入或发生异常。
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
-
入参：
nfds：监视的文件描述符中最大的文件描述符值加一。readfds：指向一个fd_set集合，包含了需要监视读取操作的文件描述符。writefds：指向一个fd_set集合，包含了需要监视写入操作的文件描述符。exceptfds：指向一个fd_set集合，包含了需要监视异常情况的文件描述符。timeout：指定select函数的超时时间，可以是NULL（阻塞直到有文件描述符准备好）、struct timeval结构体（设置超时时间）或者{0, 0}（立即返回）。
-
返回值：
- 大于 0：返回准备就绪的文件描述符的数量。
- 等于 0：超时时间到达，没有文件描述符准备好。
- 小于 0：出错，返回 -1。
2.2 fd_set
在 Linux C 语言编程中，fd_set 是一个用于表示文件描述符集合的数据结构，通常用于多路复用函数（如 select、poll、epoll）中。fd_set 提供了一系列操作函数来对文件描述符集合进行操作。
2.2.1 FD_ZERO
将一个 fd_set 集合清空，将所有文件描述符从集合中移除。
void FD_ZERO(fd_set *set);-
入参：
set：要移除文件描述符的集合。
2.2.2 FD_SET
将指定的文件描述符添加到 fd_set 集合中。
void FD_SET(int fd, fd_set *set);-
入参：
fd表示要添加的文件描述符set表示要添加到的fd_set集合
2.2.3 FD_CLR
从 fd_set 集合中移除指定的文件描述符。
void FD_CLR(int fd, fd_set *set);-
入参：
fd表示要移除的文件描述符set表示要从中移除的fd_set集合
2.2.4 FD_ISSET
检查指定的文件描述符是否在 fd_set 集合中。
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set);-
入参：
fd表示要检查的文件描述符set表示要检查的fd_set集合
-
返回值：
- 如果文件描述符在集合中，返回非零值；否则返回 0。
3、编程测试
3.1 服务器编程
编写服务器测试程序如下：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#define PORT 8888
#define MAX_CLIENTS 5
#define BUFFER_SIZE 1024
int main()
{
int server_fd, new_socket, max_clients = MAX_CLIENTS;
struct sockaddr_in address;
int addrlen = sizeof(address);
fd_set readfds;
int client_sockets[MAX_CLIENTS] = {0};
char buffer[BUFFER_SIZE] = {0};
// Create a TCP socket
if ((server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == 0)
{
perror("Socket creation failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
address.sin_family = AF_INET;
address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
address.sin_port = htons(PORT);
// Bind the socket to localhost:PORT
if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address)) < 0)
{
perror("Bind failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
// Listen for incoming connections
if (listen(server_fd, 3) < 0)
{
perror("Listen failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
printf("Server listening on port %d\n", PORT);
while (1)
{
FD_ZERO(&readfds);
FD_SET(server_fd, &readfds);
int max_sd = server_fd;
for (int i = 0; i < max_clients; i++)
{
int sd = client_sockets[i];
if (sd > 0)
{
FD_SET(sd, &readfds);
}
if (sd > max_sd)
{
max_sd = sd;
}
}
// Select the file descriptors
int activity = select(max_sd + 1, &readfds, NULL, NULL, NULL);
if (FD_ISSET(server_fd, &readfds))
{
if ((new_socket = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&address, (socklen_t*)&addrlen)) < 0)
{
perror("Accept failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
printf("New connection, socket fd is %d, IP is : %s, port : %d\n", new_socket, inet_ntoa(address.sin_addr), ntohs(address.sin_port));
for (int i = 0; i < max_clients; i++)
{
if (client_sockets[i] == 0)
{
client_sockets[i] = new_socket;
break;
}
}
}
for (int i = 0; i < max_clients; i++)
{
int sd = client_sockets[i];
if (FD_ISSET(sd, &readfds))
{
int valread = read(sd, buffer, BUFFER_SIZE);
if (valread == 0)
{
// Client disconnected
close(sd);
client_sockets[i] = 0;
}
else
{
// Process data from client
printf("Received from client: %s\n", buffer);
// Add prefix to the received data
char reply[BUFFER_SIZE + 15];
sprintf(reply, "Server Recv Ok: %s", buffer);
// Send the modified data back to client
send(sd, reply, strlen(reply), 0);
}
}
}
}
return 0;
}
3.2 客户端编程
编写客户端测试程序如下：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#define PORT 8888
#define SERVER_IP "127.0.0.1"
#define BUFFER_SIZE 1024
int main()
{
int client_fd;
struct sockaddr_in server_address;
char buffer[BUFFER_SIZE] = {0};
// Create a TCP socket
if ((client_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0)
{
perror("Socket creation failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
server_address.sin_family = AF_INET;
server_address.sin_port = htons(PORT);
// Convert IPv4 and IPv6 addresses from text to binary form
if (inet_pton(AF_INET, SERVER_IP, &server_address.sin_addr) <= 0)
{
perror("Invalid address/ Address not supported");
exit(EXIT_FAILURE);
}
// Connect to the server
if (connect(client_fd, (struct sockaddr *)&server_address, sizeof(server_address)) < 0)
{
perror("Connection failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
printf("Connected to server\n");
while (1)
{
printf("Enter message to send (or 'exit' to quit): ");
fgets(buffer, BUFFER_SIZE, stdin);
if (strcmp(buffer, "exit\n") == 0)
{
break;
}
// Send data to server
send(client_fd, buffer, strlen(buffer), 0);
// Receive response from server
int valread = read(client_fd, buffer, BUFFER_SIZE);
printf("Server response: %s\n", buffer);
}
close(client_fd);
return 0;
}
3.3 测试
发起服务器程序，然后开启多个终端分别发起客户端程序，客户端程序接收控制台输入数据后发送给服务器，服务器添加一个头部后将数据发送回客户端，测试结果如下：
4、总结
本文介绍了select的相关概念，详细阐述了编程常用接口，最后在linux下进行编程测试。
