Select()系统调用及文件描述符集fd_set的应用

在网络程序中，一个进程同时处理多个文件描述符是很常见的情况。select()系统调用可以使进程检测同时等待的多个I/O设备，当没有设备准备好时，select()阻塞，其中任一设备准备好时，select()就返回。
select()的调用形式为：
#include
#include
int select(int maxfd, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fe_set *exceptfds, const struct timeval *timeout);
select的第一个参数是文件描述符集中要被检测的比特数，这个值必须至少比待检测的最大文件描述符大1；参数readfds指定了被读监控的文件描述符集；参数writefds指定了被写监控的文件描述符集；而参数exceptfds指定了被例外条件监控的文件描述符集。
参数timeout起了定时器的作用：到了指定的时间，无论是否有设备准备好，都返回调用。timeval的结构定义如下：
struct timeval{
long tv_sec; //表示几秒
long tv_usec; //表示几微妙
}
timeout取不同的值，该调用就表现不同的性质：
1．timeout为0，调用立即返回；
2．timeout为NULL，select()调用就阻塞，直到知道有文件描述符就绪；
3．timeout为正整数，就是一般的定时器。
select调用返回时，除了那些已经就绪的描述符外，select将清除readfds、writefds和exceptfds中的所有没有就绪的描述符。select的返回值有如下情况：
1．正常情况下返回就绪的文件描述符个数；
2．经过了timeout时长后仍无设备准备好，返回值为0；
3．如果select被某个信号中断，它将返回-1并设置errno为EINTR。
4．如果出错，返回-1并设置相应的errno。
系统提供了4个宏对描述符集进行操作：
#include
#include
void FD_SET(int fd, fd_set *fdset);
void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset);
void FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset);
void FD_ZERO(fd_set *fdset);
宏FD_SET设置文件描述符集fdset中对应于文件描述符fd的位(设置为1)，宏FD_CLR清除文件描述符集fdset中对应于文件描述符fd的位（设置为0），宏FD_ZERO清除文件描述符集fdset中的所有位(既把所有位都设置为0)。使用这3个宏在调用select前设置描述符屏蔽位，在调用select后使用FD_ISSET来检测文件描述符集fdset中对应于文件描述符fd的位是否被设置。
过去，描述符集被作为一个整数位屏蔽码得到实现，但是这种实现对于多于32个的文件描述符将无法工作。描述符集现在通常用整数数组中的位域表示，数组元素的每一位对应一个文件描述符。例如，一个整数占32位，那么整数数组的第一个元素代表文件描述符0到31，数组的第二个元素代表文件描述符32到63，以此类推。宏FD_SET设置整数数组中对应于fd文件描述符的位为1，宏FD_CLR设置整数数组中对应于fd文件描述符的位为0，宏FD_ZERO设置整数数组中的所有位都为0。假设执行如下程序后：
#include
#include
fd_set readset;
FD_ZERO(&readset);
FD_SET(5, &readset);
FD_SET(33, &readset);
则文件描述符集readset中对应于文件描述符6和33的相应位被置为1，如图1所示：
  
再执行如下程序后：
FD_CLR(5, &readset);
则文件描述符集readset对应于文件描述符6的相应位被置为0，如图2所示：
  
通常，操作系统通过宏FD_SETSIZE来声明在一个进程中select所能操作的文件描述符的最大数目。例如：
在4.4BSD的头文件中我们可以看到：
＃ifndef FD_SETSIZE
#define FD_SETSIZE 1024
#endif
在红帽Linux的头文件中我们可以看到：
＃define __FD_SETSIZE 1024
以及在头文件中我们可以看到：
#include
#define FD_SETSIZE __FD_SETSIZE
既定义FD_SETSIZE为1024，一个整数占4个字节，既32位，那么就是用包含32个元素的整数数组来表示文件描述符集。我们可以在头文件中修改这个值来改变select使用的文件描述符集的大小，但是必须重新编译内核才能使修改后的值有效。当前版本的unix操作系统没有限制FD_SETSIZE的最大值，通常只受内存以及系统管理上的限制。
我们明白了文件描述符集的实现机制之后，就可对其进行灵活运用。（以下程序在红帽Linux 6.0下运行通过，函数fd_isempty用于判断文件描述符集是否为空；函数fd_fetch取出文件描述符集中的所有文件描述符）
#include
#include
#include
#include
struct my_fd_set{
fd_set fs; //定义文件描述符集fs
unsigned int nconnect; //文件描述符集fs中文件描述符的个数
unsigned int nmaxfd; //文件描述符集fs中最大的文件描述符
};
/* 函数fd_isempty用于判断文件描述符集是否为空，为空返回1，不为空则返回0 */
int fd_isempty(struct my_fd_set *pfs)
{
int i;
/* 文件描述符集fd_set是通过整数数组来实现的，所以定义整数数组myset的元素个数为文件描述符集fd_set所占内存空间的字节数除以整数所占内存空间的字节数。
*/
unsigned int myset[sizeof(fd_set) / sizeof(int)];
/* 把文件描述符集pfs->fs 拷贝到数组myset */
memcpy(myset, &pfs->fs, sizeof(fd_set));
for(i = 0; i < sizeof(fd_set) / sizeof(int); i++)
/* 如果myset的某个元素不为0，说明文件描述符集不为空，则函数返回0 */
if (myset[i])
return 0;  
return 1; /* 如果myset的所有元素都为0，说明文件描述符集为空，则函数返回1 */
}
/* 函数fd_fetch对文件描述符集进行位操作，把为1的位换算成相应的文件描述符，然后就可对其进行I/O操作 */
void fd_fetch(struct my_fd_set *pfs)
{
struct my_fd_set *tempset; //定义一个临时的结构指针
unsigned int myset[sizeof(fd_set)/sizeof(unsigned int)];
unsigned int i, nbit, nfind, ntemp;
tempset = pfs;
memcpy(myset, &tempset->fs, sizeof(fd_set));
/* 把最大的文件描述符maxfd除以整数所占的位数，得出maxfd在文件描述符集中相应的位对应于整数数组myset的相应元素的下标，目的是为了减少检索的次数 */
nfind = tempset->nmaxfd / (sizeof(int)*8);
for (i = 0; i <= nfind; i++) {
/* 如果数组myset的某个元素为0，说明这个元素所对应的文件描述符集的32位全为0，则继续判断下一元素。*/
if (myset[i] == 0) continue;  
/* 如果数组myset的某个元素不为0，说明这个元素所对应的文件描述符集的32位中有为1的，把myset[i]赋值给临时变量ntemp，对ntemp进行位运算，把为1的位换算成相应的文件描述符 */
ntemp = myset[i];  
/* nbit记录整数的二进制位数，对ntemp从低到高位进行&1运算，直到整数的最高位,或直到文件描述符集中文件描述符的个数等于0 */
for (nbit = 0; tempset->nconnect && (nbit < sizeof(int)*8); nbit++) {  
if (ntemp & 1) {  
/* 如果某位为1，则可得到对应的文件描述符为nbit + 32*I，然后我们可对其进行I/O操作。这里我只是做了简单的显示。*/
printf("i = %d, nbit = %d, The file description is %d\n", i, nbit, nbit + 32*i);
/* 取出一个文件描述符后，将文件描述符集中文件描述符的个数减1 */
tempset->nconnect--; }
ntemp >>= 1; // ntemp右移一位
}
}
}

/* 下面的主程序是对以上两个函数的测试 */
main()
{
/* 假设fd1，fd2，fd3为3个文件描述符，实际运用中可为Socket描述符等 */
int fd1 = 7, fd2 = 256, fd3 = 1023, isempty;  
struct my_fd_set connect_set;
connect_set.nconnect = 0;
connect_set.nmaxfd = 0;
FD_ZERO(&connect_set.fs);
/* FD_SET操作前对函数fd_isempty进行测试 */
isempty = fd_isempty(&connect_set);  
printf("isempty = %d\n", isempty);
FD_SET(fd1, &connect_set.fs);
FD_SET(fd2, &connect_set.fs);
FD_SET(fd3, &connect_set.fs);
connect_set.nconnect = 3;
connect_set.nmaxfd = fd3 ;
/* FD_SET操作后，既把文件描述符加入到文件描述符集之后，对函数fd_isempty进行测试 */
isempty = fd_isempty(&connect_set);
printf("isempty = %d\n", isempty);
/* 对函数fd_ fetch进行测试 */
fd_fetch(&connect_set);  
}

/* 程序输出结果为 ：*/
isempty is 1
isempty is 0
i = 0, nbit = 7, The file description is 7
i = 8, nbit = 0, The file description is 256
i = 31, nbit = 31, The file description is 1023