服务器搭建(TCP套接字)-select版(服务端)

一、select头文件

#include <sys/select.h>

二、select原型

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

select() 是一个系统调用函数，用于在多个文件描述符上进行 I/O 多路复用。通过 select() 函数，可以监视多个文件描述符的状态，以确定是否有读写事件准备就绪。

多路复用：

“多路”指的是多个来源或通路。它表示可以同时处理来自多个不同源的 I/O 事件
"复用"指的是复用一个线程或进程来同时处理多个 I/O 事件。它允许在单个线程或进程中监视和处理多个文件描述符的读写操作，而不需要为每个事件创建一个独立的线程或进程

入参：

nfds：要检查的最大文件描述符值加 1。它表示 select 函数需要扫描的文件描述符范围，即从 0 到 nfds-1 的文件描述符将被监视。
readfds：用于检查可读性的文件描述符集合。
writefds：用于检查可写性的文件描述符集合。
exceptfds：用于检查异常条件的文件描述符集合。
timeout：超时时间，指定 select() 调用的最长等待时间。

select() 函数会阻塞当前进程，直到满足以下条件之一：

有一个或多个文件描述符准备好进行读操作。
有一个或多个文件描述符准备好进行写操作。
发生了异常情况，如带外数据到达。

返回值：

如果返回值大于 0：表示有文件描述符就绪，且返回值是就绪文件描述符的总数。
如果返回值等于 0：表示超时，即在指定的超时时间内没有文件描述符就绪。
如果返回值等于 -1：表示出现错误，可以通过查看 errno 变量来获取具体的错误信息。

2.1、fd_set

fd_set 是一个数据结构，用于表示文件描述符的集合。它是一个位图，每个文件描述符在 fd_set 中占据一个位，用于标识该文件描述符的状态。

typedef struct fd_set {
    unsigned int fd_count;      // 文件描述符的数量
    int fd_array[FD_SETSIZE];   // 文件描述符数组
} fd_set;

其中，fd_count 表示文件描述符的数量，fd_array 是一个数组，用于存储文件描述符的值。

fd_set 数据结构是一个固定大小的数组，其大小由宏 FD_SETSIZE 定义。在大多数系统中，FD_SETSIZE 的默认值是 1024，因此 fd_set 可以容纳的文件描述符数量通常是有限的。如果需要监听更多的文件描述符，可能需要对 FD_SETSIZE 进行修改或使用其他更高效的多路复用机制。

fd_set 提供了一些宏函数来操作文件描述符集合，常用的宏函数有：

FD_ZERO(fd_set *set)：将文件描述符集合中的所有位清零。
FD_SET(int fd, fd_set *set)：将指定的文件描述符加入文件描述符集合。
FD_CLR(int fd, fd_set *set)：从文件描述符集合中移除指定的文件描述符。
FD_ISSET(int fd, fd_set *set)：检查指定的文件描述符是否在文件描述符集合中。

2.2、timeval

timeval 是一个结构体，用于表示时间值（time value）。

struct timeval {
    long tv_sec;        // 秒数
    long tv_usec;       // 微秒数
};

这个参数有以下三种可能：

永远等待
仅在一个描述符准备好I/O时才返回，为此，我们可以把该参数置为空指针
等待一段固定时间
在有一个描述符准备好I/O时返回，但是不超过由该参数所指向的timeval结构中指定的秒数和微秒数
根本不等待
检查描述符后立即返回，这称为"轮询"。该参数必须指向一个timeval结构，并且其中的定时器值（秒数和微秒数）必须为0.

三、代码实现

服务端使用select函数的基本流程：

1、创建并初始化套接字：服务端需要创建一个监听套接字，用于接受客户端的连接请求。同时，需要将监听套接字添加到select监视的文件描述符集中。

2、设置文件描述符集：在使用select之前，需要将所有需要监视的文件描述符（包括监听套接字和已连接的客户端套接字）添加到文件描述符集中。可以使用FD_SET宏将套接字添加到集合中。

3、调用select函数：使用select函数开始监听文件描述符集中的事件。select函数会阻塞程序执行，直到集合中的文件描述符有可读、可写或异常事件发生。

4、处理就绪的文件描述符：当select函数返回后，需要遍历文件描述符集，确定哪些套接字上发生了事件。可以使用FD_ISSET宏来检查文件描述符是否准备就绪。

5、处理连接请求：如果监听套接字（通常是服务器套接字）准备就绪，表示有新的客户端连接请求。此时，可以调用accept函数接受客户端的连接，并将其加入到文件描述符集中进行监视。

6、处理客户端数据：如果已连接的客户端套接字准备就绪，表示有数据可读或可写。此时，可以使用recv函数读取客户端发送的数据，或使用send函数向客户端发送数据。

7、循环监听：在处理完所有就绪的文件描述符后，可以再次调用select函数，继续监听新的事件。可以使用循环来反复执行这个过程，以实现持续的事件驱动。

#include <iostream>
//socket
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
//close
#include <unistd.h>
//exit
#include <stdlib.h>
//perror
#include <stdio.h>
//memset
#include <string.h>
//htons
#include <arpa/inet.h>
//select
#include <sys/select.h>
/* According to earlier standards */
#include <sys/time.h>



#define PORT 8596
#define MESSAGE_SIZE 1024
#define FD_SIZE 1024

int main(){

  int ret=-1;
  int socket_fd=-1;
  int accept_fd=-1;
  int accept_fds[FD_SIZE]={-1,};
  
  //可用fd索引
  int canUseFDIndex=-1;
  //最大的fd索引
  int maxFDIndex=0;
  int max_fd=-1;
  fd_set fd_sets;
  int ready=0;
  int backlog=10;
  int flags=1;

  struct sockaddr_in local_addr,remote_addr;

  //create socket
  socket_fd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
  if(socket_fd == -1){
    perror("create socket error");
    exit(1);
  }
 //set option of socket
  ret = setsockopt(socket_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &flags, sizeof(flags));
  if ( ret == -1 ){
    perror("setsockopt error");
  }

 //set socket address
  local_addr.sin_family=AF_INET;
  local_addr.sin_port=htons(PORT);
  local_addr.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY;
  bzero(&(local_addr.sin_zero),8);
 //bind socket
 ret=bind(socket_fd, (struct sockaddr *)&local_addr,sizeof(struct sockaddr_in));
 if(ret == -1){
    perror("bind socket error");
    exit(1);
 }

  ret=listen(socket_fd, backlog);
  if(ret ==-1){
   perror("listen error");
   exit(1);
  }
  //重置max_fd;
  max_fd=socket_fd;
  for(int i=0;i < FD_SIZE;i++){
     accept_fds[i]=-1;
  }
  //loop to accept client
  for(;;){
   //清空
   FD_ZERO(&fd_sets);
   //socket_fd加入集合
   FD_SET(socket_fd,&fd_sets);
   //同步集合中最大的文件描述符
   for(int j=0;j<maxFDIndex;j++){
     if(accept_fds[j] !=-1){
      if(accept_fds[j] > max_fd){
          max_fd=accept_fds[j];
      }
      //重新加入需要监听的文件描述符到集合里
      FD_SET(accept_fds[j],&fd_sets);
     }
   }
   struct timeval timeout;
   timeout.tv_sec = 5;  // 设置超时时间为 5 秒
   timeout.tv_usec = 0;
   ready=select(max_fd+1,&fd_sets,nullptr,nullptr,timeout);
   if(ready<0){
      perror("error in select");
      break;
   }else if(ready==0){
      perror("select time out!");
      continue;
   }else if(ready){
     printf("ready:%d\n",ready);
     //socket有新的连接请求
     if(FD_ISSET(socket_fd,&fd_sets)){
       //找到没有使用的位置
       int k=0;
       for(;k<FD_SIZE;k++){
         if(accept_fds[k] == -1){
           canUseFDIndex=k;
           break;
         }
       }
       if(k==FD_SIZE){
         perror("the connected is full!\n");
         continue;
       }

      socklen_t addrlen = sizeof(remote_addr);
      accept_fd=accept(socket_fd,( struct sockaddr *)&remote_addr, &addrlen);

      accept_fds[canUseFDIndex]=accept_fd;
      if(canUseFDIndex+1 >maxFDIndex){
         maxFDIndex=canUseFDIndex+1;
      }
      //同步最大文件描述符
      if(accept_fd > max_fd){
         max_fd=accept_fd;
      }
     }
     for(int p=0;p<maxFDIndex;p++){
       if(accept_fds[p] !=-1 && FD_ISSET(accept_fds[p],&fd_sets)){
         char in_buf[MESSAGE_SIZE]={0,};
         memset(in_buf,0,MESSAGE_SIZE);
         //read data
         int ret =recv(accept_fds[p], (void*)in_buf, MESSAGE_SIZE, 0);
         if(ret ==0){
            close(accept_fds[p]);
            accept_fds[p]=-1;
            break;
        }
        printf("receive data:%s\n",in_buf);
        send(accept_fds[p], (void *)in_buf, MESSAGE_SIZE, 0);
       }
     }
   }
  }
  printf("quit server....");
  close(socket_fd);
  return 0;
}

四、总结

select是一种用于多路复用（multiplexing）的系统调用，常用于实现异步I/O操作。它在编程中具有一些优点和缺点：

优点：

高效的事件驱动：select允许程序同时监视多个文件描述符（如套接字），并在其中任何一个文件描述符准备好进行I/O操作时通知程序。这种事件驱动的方式可以提高程序的效率，避免了不必要的忙等待。
跨平台兼容性：select是标准的POSIX接口，因此在大多数主流操作系统上都有良好的支持。这使得可以使用相同的代码在不同的平台上进行开发，提高了可移植性。
简单易用：select的接口相对简单，适用于处理少量的文件描述符。它使用简洁的参数和返回值，易于理解和使用。对于简单的I/O多路复用需求，select是一个较为直观的选择。

缺点：

低效的扩展性：select的一个主要缺点是其在处理大量文件描述符时的低效性。它采用线性扫描的方式遍历所有待监视的文件描述符，当文件描述符数量较大时，性能会明显下降。
需要维护文件描述符集：使用select需要维护一个文件描述符集，包含所有要监视的文件描述符。这要求开发人员在程序中维护一个数据结构来管理这些文件描述符，增加了一定的复杂性。
不支持高级特性：相比其他更高级的I/O多路复用机制（如epoll、kqueue等），select的功能相对有限。它不支持一些高级特性，如边缘触发（edge-triggered）模式和自动扩展等。

总体而言，select是一种简单易用且可移植的多路复用机制，适用于处理少量文件描述符的情况。然而，在高并发和大规模的I/O操作中，可能需要考虑其他更高效和功能更强大的替代方案。