Cpp网络通信04-IO多路复用-Select模型

select 模型的原理

select 是一种 I/O多路复用 技术，通过一个系统调用同时监控多个文件描述符（如网络套接字、管道、文件等），以判断哪些文件描述符处于可读、可写或出现异常的状态，从而避免为每个文件描述符分别阻塞等待的开销。

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核心工作流程

1. 初始化监听的文件描述符集合：
   • select 使用 fd_set 数据结构来表示一组文件描述符。
   • 调用者需将感兴趣的文件描述符（如套接字）添加到 fd_set 中，分为三类：
     • 可读集合（readfds）：监听是否有数据可读。
     • 可写集合（writefds）：监听是否可以写入数据。
     • 异常集合（exceptfds）：监听是否有异常（如错误或带外数据）。
2. 调用 select 系统调用：
   • select 系统调用会阻塞进程，直到以下条件之一满足：
     • 任意一个文件描述符的状态发生变化（如变为可读、可写等）。
     • 达到指定的超时时间（可以设置为永不超时）。
     • 被信号中断。
   • 返回值为状态改变的文件描述符数量。
3. 检查结果并处理事件：
   • 使用 FD_ISSET(fd, &fd_set) 检查哪个文件描述符的状态已改变。
   • 对每个已准备好的文件描述符，执行相应的读、写或异常处理操作。
4. 循环处理：
   • 对于网络服务器等长时间运行的程序，通常会将上述流程放入循环中以持续监听和处理事件。

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工作原理解析

1. 文件描述符集合：
   • select 内部对传入的 fd_set 进行拷贝并保存，用户态与内核态之间通过内存共享进行通信。
2. 内核态监控：
   • 内核会遍历传入的文件描述符集合，并检查每个描述符的状态。
   • 如果一个文件描述符有数据到达或准备好写入，内核会将该描述符标记为“已准备好”。
3. 阻塞等待：
   • 如果所有文件描述符都未准备好，select 将进入阻塞状态，直到至少一个文件描述符变为可用或超时。
4. 事件通知：
   • 当有文件描述符状态改变，select 解除阻塞并返回，用户可以通过检查 fd_set 来确认哪些描述符已准备好。

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select 的关键特性

• 多路复用：可以同时监控多个文件描述符，而无需为每个描述符创建一个线程或进程。
• 水平触发：如果一个文件描述符变为可读，但未处理，它会在下次调用 select 时再次被报告（只要它仍然可读）。
• 超时控制：支持指定阻塞的时间长度，通过 timeval 参数实现。
  • timeval 为零：非阻塞模式。
  • timeval 为 NULL：永久阻塞，直到有事件发生。

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select 的局限性

1. 文件描述符限制：
   • select 的文件描述符数量受 FD_SETSIZE 限制（通常为 1024），可以通过调整系统参数或编译时修改该值，但仍然有上限。
2. 效率低下：
   • 每次调用 select 时，用户需要重新设置和传递文件描述符集合，内核需要逐个遍历这些描述符，效率不高。
3. 不可区分事件类型：
   • 如果一个描述符同时可读和可写，select 只能分别检测，而不能直接判断是哪种事件触发的。
4. 高并发性能问题：
   • 对于大量并发连接（如 10000+），select 的性能会明显下降，因为它需要遍历所有的文件描述符。

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适用场景

select 通常适用于以下场景： - 连接数较少（<1000）的多客户端程序。 - 需要跨平台支持（POSIX标准，适用于Linux、Unix、Windows等）。 - 简单的网络服务器或工具程序。

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更高效的替代方案

1. poll：
   • 不受 FD_SETSIZE 限制，可以处理更多文件描述符，但仍然需要遍历。
2. epoll（Linux特有）：
   • 提供事件驱动模型，通过回调机制避免遍历文件描述符，适合高并发场景。
3. kqueue（BSD、macOS特有）：
   • 类似于 epoll，效率高且适合高并发。
4. io_uring（Linux 5.1+）：
   • 提供更现代化和高效的异步I/O接口。

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实例服务器代码

#include <iostream>
#include <cstring>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>

#define PORT 8080
#define MAX_CLIENTS 10

int main() {
    int server_fd, new_socket, max_sd, sd, activity, valread;
    int client_socket[MAX_CLIENTS] = {0};
    struct sockaddr_in address;
    fd_set readfds;

    // 创建socket
    if ((server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == 0) {
        perror("Socket failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 设置socket选项
    int opt = 1;
    if (setsockopt(server_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt)) < 0) {
        perror("Setsockopt failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 绑定地址和端口
    address.sin_family = AF_INET;
    address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    address.sin_port = htons(PORT);
    if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address)) < 0) {
        perror("Bind failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 开始监听
    if (listen(server_fd, 3) < 0) {
        perror("Listen failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    std::cout << "Listening on port " << PORT << "..." << std::endl;

    while (true) {
        // 清空描述符集合并添加监听socket
        FD_ZERO(&readfds);
        FD_SET(server_fd, &readfds);
        max_sd = server_fd;

        // 添加客户端socket到集合
        for (int i = 0; i < MAX_CLIENTS; i++) {
            sd = client_socket[i];
            if (sd > 0)
                FD_SET(sd, &readfds);
            if (sd > max_sd)
                max_sd = sd;
        }

        // 等待文件描述符变为就绪
        activity = select(max_sd + 1, &readfds, nullptr, nullptr, nullptr);
        if ((activity < 0) && (errno != EINTR)) {
            perror("Select error");
        }

        // 检查是否有新连接
        if (FD_ISSET(server_fd, &readfds)) {
            socklen_t addrlen = sizeof(address);
            if ((new_socket = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&address, &addrlen)) < 0) {
                perror("Accept failed");
                exit(EXIT_FAILURE);
            }
            std::cout << "New connection, socket fd: " << new_socket << std::endl;

            // 添加新socket到数组
            for (int i = 0; i < MAX_CLIENTS; i++) {
                if (client_socket[i] == 0) {
                    client_socket[i] = new_socket;
                    break;
                }
            }
        }

        // 检查客户端socket是否有数据
        for (int i = 0; i < MAX_CLIENTS; i++) {
            sd = client_socket[i];
            if (FD_ISSET(sd, &readfds)) {
                char buffer[1024] = {0};
                valread = read(sd, buffer, 1024);
                if (valread == 0) {
                    // 客户端断开连接
                    std::cout << "Client disconnected, socket fd: " << sd << std::endl;
                    close(sd);
                    client_socket[i] = 0;
                } else {
                    // 回显消息
                    buffer[valread] = '\0';
                    std::cout << "Message: " << buffer << std::endl;
                    send(sd, buffer, strlen(buffer), 0);
                }
            }
        }
    }

    return 0;
}

总结

select 是一种经典的I/O多路复用技术，虽然存在性能局限，但其简单易用、跨平台支持使得它仍然适合小规模并发场景。在高性能需求下，应优先考虑使用 epoll 或其他更高效的替代方案。