socket网络编程（三）——select多路复用问题

1、select诞生的原因

在上文我们提到了多客户端的时候，多台客户端发送数据到服务端的话，只能有一台客户端可以正常发送和接受数据，另外一台完全没有反应，那这个问题怎么解决呢？很多人可能第一反应想到利用多线程技术，线程多的话用线程池来维护。的确，多线程确实可以实现这个效果，但是，可能很多看见这个但是就不怎么开心了，却不知很多科学科技的进步都是这个但是引发的。但是一个多线程编程很麻烦又容易出错，二是如果连接有几千个的话，线程间切换的开销确实是很大。如果能够在一个线程里就实现这个效果的话，那该多好啊！

于是select就横空出世！

这个又叫做非阻塞IO多路复用，就是进程或线程执行此函数时不必非要等待事件的发生，一旦执行肯定返回，以返回值的不同来反映函数的执行情况，如果事件发生则与阻塞方式相同，若事件没有发生则返回一个代码来告知事件未发生，而进程或线程继续执行，所以效率较高可能很多人会说，现在都是用epoll，都不用select了，还讲这个干嘛？可我想说，因为我这个是socket网络编程的一系列教程，一定要一步步的推进，历史上是有诞生了select，然后epoll是为了完善select的缺陷的，做为学习，我们必须先了解select，然后才能知道epoll的特别之处。

2、具体实现

首先，还是先不扯其他的，我先扔出代码，然后结合代码讲解select，我本人是比较喜欢这种学习方式，带着疑问去学习，如果大家不习惯的话，可以先跳过以下的代码，先看代码下方的讲解部分。

2.1、服务端代码：

#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <stdlib.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
 
#define PORT 39002
#define MAX_FD_NUM 3
#define BUF_SIZE 512
#define ERR_EXIT(m)         \
    do                      \
    {                       \
        perror(m);          \
        exit(EXIT_FAILURE); \
    } while (0)
 
int main()
{
    //创建套接字
    int m_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (m_sockfd < 0)
    {
        ERR_EXIT("create socket fail");
    }
 
    //初始化socket元素
    struct sockaddr_in server_addr;
    int server_len = sizeof(server_addr);
    memset(&server_addr, 0, server_len);
 
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    //server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("0.0.0.0"); //用这个写法也可以
    server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    server_addr.sin_port = htons(PORT);
 
    //绑定文件描述符和服务器的ip和端口号
    int m_bindfd = bind(m_sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, server_len);
    if (m_bindfd < 0)
    {
        ERR_EXIT("bind ip and port fail");
    }
 
    //进入监听状态，等待用户发起请求
    int m_listenfd = listen(m_sockfd, MAX_FD_NUM);
    if (m_listenfd < 0)
    {
        ERR_EXIT("listen client fail");
    }
 
    //定义客户端的套接字，这里返回一个新的套接字，后面通信时，就用这个m_connfd进行通信
    //struct sockaddr_in client_addr;
    //socklen_t client_len = sizeof(client_addr);
    //int m_connfd = accept(m_sockfd, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_len);
 
    printf("client accept success\n");
 
    struct sockaddr_in client_addr;
    socklen_t client_len = sizeof(client_addr);
 
    //接收客户端数据，并相应
    char buffer[BUF_SIZE];
    int array_fd[MAX_FD_NUM];
    //客户端连接数量
    int client_count = 0;
 
    fd_set tmpfd;
    int max_fd = m_sockfd;
    struct timeval timeout;
 
    for (int i = 0; i < MAX_FD_NUM; i++)
    {
        array_fd[i] = -1;
    }
    //array_fd[0] = m_sockfd;
 
    while (1)
    {
        FD_ZERO(&tmpfd);
        FD_SET(m_sockfd, &tmpfd);
        int i;
 
        //所有在线的客户端加入到fd中，并找出最大的socket
        for (i = 0; i < MAX_FD_NUM; i++)
        {
            if (array_fd[i] > 0)
            {
                FD_SET(array_fd[i], &tmpfd); //set array_fd in red_set
                if (max_fd < array_fd[i])
                {
                    max_fd = array_fd[i]; //get max_fd
                }
            }
        }
 
        int ret = select(max_fd + 1, &tmpfd, NULL, NULL, NULL);
        if (ret < 0)
        {
            ERR_EXIT("select fail");
        }
        else if (ret == 0)
        {
            //ERR_EXIT("select timeout"); //超时不是错误，不可断掉连接
            printf("select timeout\n");
            continue;
        }
 
        //表示有客户端连接
        if (FD_ISSET(m_sockfd, &tmpfd))
        {
            int m_connfd = accept(m_sockfd, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_len);
            if (m_connfd < 0)
            {
                ERR_EXIT("server accept fail");
            }
 
            //客户端连接数已满
            if (client_count >= MAX_FD_NUM)
            {
                printf("max connections arrive！！！\n");
                // char buff[]="max connections arrive！！！";
                // send(m_connfd, buff, sizeof(buff) - 1, 0);
                close(m_connfd);
                continue;
            }
 
            //客户端数量加1
            client_count++;
            printf("we got a new connection, client_socket=%d, client_count=%d, ip=%s, port=%d\n", m_connfd, client_count, inet_ntoa(client_addr.sin_addr), ntohs(client_addr.sin_port));
 
            for (i = 0; i < MAX_FD_NUM; i++)
            {
                if (array_fd[i] == -1)
                {
                    array_fd[i] = m_connfd;
                    break;
                }
            }
        }
 
        //遍历所有的客户端连接，找到发送数据的那个客户端描述符
        for (i = 0; i < MAX_FD_NUM; i++)
        {
            if (array_fd[i] < 0)
            {
                continue;
            }
            //有客户端发送过来的数据
            else
            {
                if (FD_ISSET(array_fd[i], &tmpfd))
                {
                    memset(buffer, 0, sizeof(buffer)); //重置缓冲区
                    int recv_len = recv(array_fd[i], buffer, sizeof(buffer) - 1, 0);
                    if (recv_len < 0)
                    {
                        ERR_EXIT("recv data fail");
                    }
                    //客户端断开连接
                    else if (recv_len == 0)
                    {
                        client_count--;
                        //打印断开的客户端数据
                        printf("client_socket=[%d] close, client_count=[%d], ip=%s, port=%d\n\n", array_fd[i], client_count, inet_ntoa(client_addr.sin_addr), ntohs(client_addr.sin_port));
                        close(array_fd[i]);
                        FD_CLR(array_fd[i], &tmpfd);
                        array_fd[i] = -1;
                    }
                    else
                    {
                        printf("server recv:%s\n", buffer);
                        strcat(buffer, "+ACK");
                        send(array_fd[i], buffer, sizeof(buffer) - 1, 0);
                    }
                }
            }
        }
    }
 
    //关闭套接字
    close(m_sockfd);
 
    printf("server socket closed!!!\n");
 
    return 0;
}

2.1、客户端代码：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
 
#define BUF_SIZE 512
#define ERR_EXIT(m)         \
    do                      \
    {                       \
        perror(m);          \
        exit(EXIT_FAILURE); \
    } while (0)
 
int main()
{
    //创建套接字
    int m_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (m_sockfd < 0)
    {
        ERR_EXIT("create socket fail");
    }
 
    //服务器的ip为本地，端口号
    struct sockaddr_in server_addr;
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("81.68.140.74");
    server_addr.sin_port = htons(39002);
 
    //向服务器发送连接请求
    int m_connectfd = connect(m_sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));
    if (m_connectfd < 0)
    {
        ERR_EXIT("connect server fail");
    }
 
    //发送并接收数据
    char buffer[BUF_SIZE];
    while (1)
    {
        memset(buffer, 0, sizeof(buffer)); //重置缓冲区
        printf("client send:");
        scanf("%s", buffer);
        send(m_sockfd, buffer, sizeof(buffer) - 1, MSG_NOSIGNAL);
        recv(m_sockfd, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0);
        printf("client recv:%s\n", buffer);
    }
 
    //断开连接
    close(m_sockfd);
 
    printf("client socket closed!!!\n");
 
    return 0;
}

3、select结构刨析

说到select的IO多路复用就不得不提fd_set这个变量类型，首先我们打开Linux的fd_set数据结构的源码我们可以看到，就是一个长度为32的long int类型的数组(要注意，windows的源码和Linux的不一样)。每一位可以代表一个文件描述符，所以fd_set最多表示1024个文件描述符！

这里为啥是1024个描述符呢？long int长度是32bit，数组长度是32，32*32=1024！

如果知道epoll用法的童鞋，可能就会知道，最多只能表示1024个文件描述符恰恰也成为了select的缺陷！

言归正传，fd_set中的每一bit可以对应一个文件描述符fd，则1字节长的fd_set最大可以对应8个fd。现在我们来看看fd_set定义的几个宏

#include <sys/select.h>   
int FD_ZERO(fd_set *fdset);    
int FD_SET(int fd, fd_set *fd_set);   
int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset);
int FD_CLR(int fd, fd_set *fdset);  

我们假设fdset就一个字节，就是8位，那么

（1）执行FD_ZERO(&fdset)，则set用位表示是00000000，就是所有位都清空成0，一般刚开始的时候就需要清空。 （2）执行FD_SET(fd,&fdset)，若fd＝5，后set变为00010000，第5位置为1，就是将客户端连接的描述字(一般就是一个整数啦)放入到set当中。 （3）执行FD_ISSET(fd,&fdset)，若fd＝5，则就是判断set的第5位是否是1，一般用来判断是否客户端的连接。 （4）执行FD_CLR(fd,&fdset)，若fd＝5，则就是将第5位置成0，在断开客户端连接的时候，一定要记得调用这个。

以上的铺垫都做完之后，我们将要引出重量级的选手select，首先我们先来看下select的函数定义。

int select(int maxfdp, fd_set *readset, fd_set *writeset, fd_set *exceptset,struct timeval *timeout);

参数说明：

maxfdp：被监听的文件描述符的总数，它比所有文件描述符集合中的文件描述符的最大值大1，因为文件描述符是从0开始计数的；

fd_set *readset: 该参数是我们所关心的文件是否可读的文件描述符的集合，如果这个集合中有个文件可读了，那select返回一个大于0的数，表示有文件可读了，比如说服务端接收到客户端的数据，服务端都是读的状态，所以正常读的文件都放在这里。 fd_set *writeset：那这个大家就比较好理解了，服务端发到客户端的数据，要写入到缓冲区，那么所有正常写的文件都放在这里。 fd_set *exceptset：在所有正常读和正常写的时候，产生了异常情况，那么异常文件就放在这里。 timeval *timeout：用于设置select函数的超时时间，即告诉内核select等待多长时间之后就放弃等待。这个参数使select处于三种状态：

(1)timeout传入NULL，则select一直等到文件状态有变化时才返回，这段时间一直处于阻塞状态。 (2):timeout传入0，则select会立即返回（非阻塞），如果文件状态有变化则返回一个大于0的值没有变化则返回0； (3)timeout传入一个大于0的数，则select在timeout时间内阻塞，一旦文件状态有变化就会返回，超时后不管怎样都会返回值同样是文件状态右边话就返回一个大于0的值，无变化则返回0；

timeval结构体定义如下：

struct timeval
{      
    long tv_sec;   /*秒 */
    long tv_usec;  /*微秒 */   
};

说完了用到的知识点，我来解释一下代码的部分实现。首先定义了一个array_fd的整形数据，数组的最长长度是MAX_FD_NUM，数组中存放的就是客户端连接的描述符，说白了就是客户端的连接，初始化的时候置成-1，只要客户端连接上了，就是描述符插入数组（实际上就是将其中的一个-1置成描述符）。最后遍历所有的客户端连接，找到发送数据的那个客户端描述符。

刚开始看这些代码的时候可能有点难，但是只要掌握了以上知识点，那么再看这些代码就很简单了。

4、新的问题，千万级的并发

我们刚才说到了select的IO多路复用最多只能支持1024个连接，超过了就不支持了，这个最大值用宏FD_SETSIZE定义的。可是我们实际的有些大的应用，连接数很容易超过这个数字，那如果还用这个就需要更改linux内核的select.h文件，然后重新编译内核了，这是一个问题。另一个是我们select的原理是遍历所有的连接，找到需要的那个，一旦连接数越多，就耗费资源，这是一对相互的矛盾体。最后假设我们的服务器需要支持100万的并发连接，则在FD_SETSIZE为1024的情况下，则我们至少需要开辟1k个进程才能实现100万的并发连接。除了进程间上下文切换的时间消耗外，从内核/用户空间大量的无脑内存拷贝、数组轮询等，是系统难以承受的。因此，基于select模型的服务器程序，要达到10万级别的并发访问，是一个很难完成的任务。

那么在高并发下，我们又该怎么做呢？你能想的到解决方法吗？

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