C++Linux网络编程day02：select模型

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select模型

select是Linux下的一个IO复用模型，同时，它也是Linux中一个系统函数的名称：

#include 

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

select系统函数的用途是：

在一段指定时间内，监听用户感兴趣的文件描述符上的可读、可写和异常等事件

我们先对这个函数的各个参数进行一个解释：

• ndfs：指定被监听的文件描述符的总数
• resdfds、writefds、exceptfds：分别指向可读、可写和异常事件所对应的文件描述符
• timeout：设置时间，若是NULL将会一直阻塞，知道某个文件描述符就绪

select成功时返回[[#文件描述符的就绪状态|就绪（可读、可写和异常）文件描述符]]的总数。如果在超时时间内没有任何文件描述符就绪，select将返回0。
select失败时返回-1并设置errno。
如果在程序等待期间，程序收到信号（例如Ctrl+C这种，可由函数kill发起，这点在Linux系统编程中有说到），则select会立即返回-1，并设置errno为EINTER（这是在errno.h中定义的一个错误代码，意思是：“Interrupted system call”，即：系统调用被中断

fd_set结构体

fd_set结构体的实质其实是：一个存放文件描述符状态的数组，它的定义类似于以下结构：

typedef struct {
    long fds_bits[FD_SETSIZE / (8 * sizeof(long))];
} fd_set;

这个数组的长度由FD_SETSIZE决定。现在，我们对这个数组进行一个更详细的解释。
这里给出fd_set的完整定义：

#include 
/*
	文件描述符的最大数量
*/
#define __FD_SETSIZE 1024
#include 
// 这个好像没啥用
#define FD_SETSIZE__FDFDSETSIZE
/*
	给long int取个别名叫__fd_mask
	这个类型的占用未4或8字节，具体看编译器和架构
*/
typedef long int __fd_mask;
// 取消宏定义，可能是为了防止宏定义冲突
#undef __NFDBITS
/*
	重新设定__NFDBITS
	————NFDBITS计算的是__fd_maks所占的位数
*/
#define __NFDBITS (8*(int)sizeof(__fd_mask))
typedef struct{
	#ifdef __USE_XOPEN
	__fd_mask fds_bits[__FD_SETSIZE/__NFDBITS]
	#define __FDS_BITS(set((set)->fds_bits))
	#else
	__fd_mask fd_bits[__FD_SETSIZE/__NFDBITS];
	#define __FDS_BITS(set)((set)->__fds_bits)
	#endif
}fd_set

从上面这段代码可以知道：fd_set数组所占用的bit的数量其实就是__FD_SETSIZE/8。
这是因为：fd_set的本质是位图，即：它不直接存储文件描述符，而是根据其中每一位的存储情况来确定某一文件描述符的状态。

具体如下：

• 位图的索引（数组的下标）对应文件描述符的编号，即第0位对应文件描述符0，第1位对应文件描述符1，以此类推
• 位图的值表示对应的文件描述符的状态。如果位值位1，表示该文件描述符需要监视；若是0，则表示该文件描述符不需要监视

由于fd_set中的操作本质上是位操作，我们想要进行操作会十分的复杂，因此我们应当使用其提供的一系列宏来访问fd_set中的位：

#include 
/*
	清除fdset中的所有位
*/
FD_ZERO(fd_set* fdset);
/*
	设置fd_set中的位fd
*/
FD_ZERO(int fd, fd_set* fdset);
/*
	清除fdset中的位fd
*/
FD_CLR(int fd, fd_set* fdset);
/*
	测试fdset的位fd是否被设置
*/
int FD_ISSET(int fd, fd_set* fdset);

timeval结构体

在上面的select系统函数中，最后一个参数就是一个timeval结构体指针，它用于设置select的超时时间：

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

从其定义我们可以看出：它提供了微秒级的定时方式，若是我们将其设置为0，即：监听时间为0，这会使得select立即返回。
至于为什么需要使用指针呢？这点应该很好理解，就是为了避免拷贝，需要将该参数提交给内核，内核会将其修改，以告诉应用程序select等待了多久。
但是在游双的《Linux高性能服务器编程》中写道：

不过，我们不能完全信任select调用返回后的timeout值，比如调用失败时timeout值是不确定的。

文件描述符的就绪条件

此节摘抄与游双的《Linux高性能服务器编程》第九章，具体为9.1.2。
在网络编程中，下列情况的socket可读：

• socket内核接收缓存区中的字节数大于或等于其低水位标记SO_RCVLOWAT。此时我们可以无阻塞地读取该socket，并且读操作返回地字节数大于0
• socket通信地对方关闭连接。此时对该socket读操作将返回0
• 监听socket上有新的连接请求
• socket上有未处理的错误。此时我们可以使用getsockopt来读取和清除该错误

下列情况下socket可写：

• socket内核发送缓存区中的可用字节数大于或等于其低水位标记SO_SNDLOWAT。此时我们可以无阻塞地写该socket，并且写操作返回的字节数大于0
• socket的写操作被关闭。对写操作被关闭的socket执行写操作将触发一个SIGPIPE信号
• wocket使用非阻塞的connect连接成功或者失败（超时）之后
• socket上有未处理的错误。此时我们可以使用getsockopt来读取和清除该错误

在网络程序中，select能处理的异常情况只有一种：socket上接收到[[#带外数据与普通数据|带外数据]]。

带外数据与普通数据

普通数据（Normal Data）是指正常的、按照通常顺序传输的数据，是正常状态。当进行网络通信时，普通数据是按照先进先出的原则进行传输的。发送方将数据逐个字节地发送给接收方，并确保接收方按照相同的顺序接收和重新组装数据。
带外数据（Out-of-Band Data）指的是具有高优先级的数据，被划分为与普通数据分开的数据通道，它也被称为”紧急数据“，是一种异常状态。带外数据可以在数据流中插入，即使在普通数据还未发送完毕的情况下，带外数据也可以及时传输并被接收方处理。带外数据的传输方式通常比普通数据的传输优先级更高。
带外数据通常用于发送一些紧急的控制信息或异常情况的通知，例如中断信号或连接关闭请求等。它们被用于提供紧急服务或在遇到特定事件时发送重要的控制信息。

socket的状态

在常见的套接字模型中，套接字的状态可分为以下几种：

• 未连接（unconnected）：套接字没有与对方建立连接，处于初始状态或者已关闭状态
• 监听（listening）：服务器套接字正在等待客户端连接请求。这通常用于服务端创建一个监听套接字，以接收客户端的连接请求
• 连接已建立（connected）：套接字成功与远程对等体建立连接，并可以进行数据传输
• 关闭等待（closing）：套接字已发送关闭请求，正在等待对方的相应或确认关闭
• 已关闭（closed）：套接字连接已经关闭，并且不再可用（不可再次连接）

除了以上套接字状态，套接字在某一时刻拥有不同的状态指示符：

• 可读（readable）：套接字上有数据可供读取。可以使用select等异步IO多路复用时检查该状态
• 可写（writable）：套接字上可以写入数据。可以使用select等异步IO多路复用时检查该状态
• 异常（exceptional）：表示套接字遇到异常情况，例如：带外数据到达或者发生错误等。可以使用select等异步IO多路复用时检查该状态

这些状态指示符是用于通知应用程序在某一时刻的特定状态，以进行相应的处理。