Linux - select详解(二)

Part 1:
Select在Socket编程中还是比较重要的，可是对于初学Socket的人来说都不太爱用Select写程序，他们只是习惯写诸如connect、accept、recv或recvfrom这样的阻塞程序（所谓阻塞方式block，顾名思义，就是进程或是线程执行到这些函数时必须等待某个事件的发生，如果事件没有发生，进程或线程就被阻塞，函数不能立即返回）。可是使用Select就可以完成非阻塞（所谓非阻塞方式non-block，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）方式工作的程序，它能够监视我们需要监视的文件描述符的变化情况——读写或是异常。下面详细介绍一下！
Select的函数格式(我所说的是Unix系统下的伯克利socket编程，和windows下的有区别，一会儿说明)：
int select(int maxfdp,fd_set *readfds,fd_set *writefds,fd_set *errorfds,struct timeval *timeout);
先说明两个结构体：
第一，struct fd_set可以理解为一个集合，这个集合中存放的是文件描述符(filedescriptor)，即文件句柄，这可以是我们所说的普通意义的文件，当然Unix下任何设备、管道、FIFO等都是文件形式，全部包括在内，所以毫无疑问一个socket就是一个文件，socket句柄就是一个文件描述符。fd_set集合可以通过一些宏由人为来操作，比如清空集合FD_ZERO(fd_set *)，将一个给定的文件描述符加入集合之中FD_SET(int ,fd_set*)，将一个给定的文件描述符从集合中删除FD_CLR(int,fd_set*)，检查集合中指定的文件描述符是否可以读写FD_ISSET(int ,fd_set* )。一会儿举例说明。
第二，struct timeval是一个大家常用的结构，用来代表时间值，有两个成员，一个是秒数，另一个是毫秒数。
具体解释select的参数：
int maxfdp是一个整数值，是指集合中所有文件描述符的范围，即所有文件描述符的最大值加1，不能错！在Windows中这个参数的值无所谓，可以设置不正确。
fd_set*readfds是指向fd_set结构的指针，这个集合中应该包括文件描述符，我们是要监视这些文件描述符的读变化的，即我们关心是否可以从这些文件中读取数据了，如果这个集合中有一个文件可读，select就会返回一个大于0的值，表示有文件可读，如果没有可读的文件，则根据timeout参数再判断是否超时，若超出timeout的时间，select返回0，若发生错误返回负值。可以传入NULL值，表示不关心任何文件的读变化。
fd_set*writefds是指向fd_set结构的指针，这个集合中应该包括文件描述符，我们是要监视这些文件描述符的写变化的，即我们关心是否可以向这些文件中写入数据了，如果这个集合中有一个文件可写，select就会返回一个大于0的值，表示有文件可写，如果没有可写的文件，则根据timeout参数再判断是否超时，若超出timeout的时间，select返回0，若发生错误返回负值。可以传入NULL值，表示不关心任何文件的写变化。
fd_set *errorfds同上面两个参数的意图，用来监视文件错误异常。
struct timeval*timeout是select的超时时间，这个参数至关重要，它可以使select处于三种状态，第一，若将NULL以形参传入，即不传入时间结构，就是将select置于阻塞状态，一定等到监视文件描述符集合中某个文件描述符发生变化为止；第二，若将时间值设为0秒0毫秒，就变成一个纯粹的非阻塞函数，不管文件描述符是否有变化，都立刻返回继续执行，文件无变化返回0，有变化返回一个正值；第三，timeout的值大于0，这就是等待的超时时间，即select在timeout时间内阻塞，超时时间之内有事件到来就返回了，否则在超时后不管怎样一定返回，返回值同上述。
返回值：
负值：select错误 正值：某些文件可读写或出错 0：等待超时，没有可读写或错误的文件
在有了select后可以写出像样的网络程序来！举个简单的例子，就是从网络上接受数据写入一个文件中。
例子：
main()
{
int sock;
FILE *fp;
struct fd_set fds;
struct timeval timeout={3,0}; //select等待3秒，3秒轮询，要非阻塞就置0
char buffer[256]={0}; //256字节的接收缓冲区
/* 假定已经建立UDP连接，具体过程不写，简单，当然TCP也同理，主机ip和port都已经给定，要写的文件已经打开
sock=socket(...);
bind(...);
fp=fopen(...); */
while(1)
{
FD_ZERO(&fds); //每次循环都要清空集合，否则不能检测描述符变化
FD_SET(sock,&fds); //添加描述符
FD_SET(fp,&fds); //同上
maxfdp=sock>fp?sock+1:fp+1; //描述符最大值加1
switch(select(maxfdp,&fds,&fds,NULL,&timeout)) //select使用
{
case -1: exit(-1);break; //select错误，退出程序
case 0:break; //再次轮询
default:
if(FD_ISSET(sock,&fds)) //测试sock是否可读，即是否网络上有数据
{
recvfrom(sock,buffer,256,.....);//接受网络数据
if(FD_ISSET(fp,&fds)) //测试文件是否可写
fwrite(fp,buffer...);//写入文件
buffer清空;
}// end if break;
}// end switch
}//end while
}//end main

 

 

 

Part 2:

select()的机制中提供一fd_set的数据结构，实际上是一long类型的数组， 每一个数组元素都能与一打开的文件句柄（不管是Socket句柄,还是其他 文件或命名管道或设备句柄）建立联系，建立联系的工作由程序员完成， 当调用select()时，由内核根据IO状态修改fd_set的内容，由此来通知执行了select()的进程哪一Socket或文件可读，下面具体解释：  

＃i nclude  
＃i nclude  
＃i nclude  

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

ndfs：select监视的文件句柄数，视进程中打开的文件数而定,一般设为呢要监视各文件 中的最大文件号加一。  
readfds：select监视的可读文件句柄集合。  
writefds: select监视的可写文件句柄集合。  
exceptfds：select监视的异常文件句柄集合。  
timeout：本次select()的超时结束时间。（见/usr/sys/select.h， 可精确至百万分之一秒！）  

当readfds或writefds中映象的文件可读或可写或超时，本次select() 就结束返回。程序员利用一组系统提供的宏在select()结束时便可判 断哪一文件可读或可写。对Socket编程特别有用的就是readfds。 几只相关的宏解释如下：  

FD_ZERO(fd_set *fdset)：清空fdset与所有文件句柄的联系。  
FD_SET(int fd, fd_set *fdset)：建立文件句柄fd与fdset的联系。  
FD_CLR(int fd, fd_set *fdset)：清除文件句柄fd与fdset的联系。  
FD_ISSET(int fd, fdset *fdset)：检查fdset联系的文件句柄fd是否  
可读写，>0表示可读写。  
（关于fd_set及相关宏的定义见/usr/include/sys/types.h）  
这样，你的socket只需在有东东读的时候才读入，大致如下：  
...  
int sockfd;  
fd_set fdR;  
struct timeval timeout = ..;  
...  
for(;;) {  
FD_ZERO(&fdR);  
FD_SET(sockfd, &fdR);  
switch (select(sockfd + 1, &fdR, NULL, &timeout)) {  
case -1:  
error handled by u;  
case 0:  
timeout hanled by u;  
default:  
if (FD_ISSET(sockfd)) {  
now u read or recv something;  
/* if sockfd is father and  
server socket, u can now  
accept() */  
}  
}  
}  

所以一个FD_ISSET(sockfd)就相当通知了sockfd可读。  
至于struct timeval在此的功能，请man select。不同的timeval设置 使使select()表现出超时结束、无超时阻塞和轮询三种特性。由于timeval可精确至百万分之一秒，所以Windows的SetTimer()根本不算 什么。你可以用select()做一个超级时钟。  

FD_ACCEPT的实现？依然如上，因为客户方socket请求连接时，会发送连接请求报文，此时select()当然会结束，FD_ISSET(sockfd)当然大于零，因为有报文可读嘛！至于这方面的应用，主要在于服务方的父Socket，你若不喜欢主动accept()，可改为如上机制来accept()。  

至于FD_CLOSE的实现及处理，颇费了一堆cpu处理时间，未完待续。  

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讨论关于利用select()检测对方Socket关闭的问题：  

仍然是本地Socket有东东可读，因为对方Socket关闭时，会发一个关闭连接通知报文，会马上被select()检测到的。关于TCP的连接（三次握手）和关闭（二次握手）机制，敬请参考有关TCP/IP的书籍。  

不知是什么原因，UNIX好象没有提供通知进程关于Socket或Pipe对方关闭的信号，也可能是cpu所知有限。总之，当对方关闭，一执行recv()或read()，马上回返回-1，此时全局变量errno的值是115，相应的sys_errlist[errno]为"Connect refused"（请参考/usr/include/sys/errno.h）。所以，在上篇的for(;;)...select()程序块中，当有东西可读时，一定要检查recv()或read()的返回值，返回-1时要作出关断本地Socket的处理，否则select()会一直认为有东西读，其结果曾几令cpu伤心欲断针脚。不信你可以试试：不检查recv()返回结果，且将收到的东东（实际没收到）写至标准输出... 在有名管道的编程中也有类似问题出现。具体处理详见拙作：发布一个有用的Socket客户方原码。  

至于主动写Socket时对方突然关闭的处理则可以简单地捕捉信号SIGPIPE并作出相应关断本地Socket等等的处理。SIGPIPE的解释是：写入无读者方的管道。  
在此不作赘述，请详man signal。  

以上是cpu在作tcp/ip数据传输实验积累的经验，若有错漏，请狂炮击之。  

补充关于select在异步(非阻塞)connect中的应用,刚开始搞socket编程的时候，我一直都用阻塞式的connect,非阻塞connect的问题是由于当时搞proxy scan而提出的，呵呵。通过在网上与网友们的交流及查找相关FAQ,总算知道了怎么解决这一问题.同样用select可以很好地解决这一问题.大致过程是这样的:  

1.将打开的socket设为非阻塞的,可以用fcntl(socket, F_SETFL, O_NDELAY)完成(有的系统用FNEDLAY也可).  

2.发connect调用,这时返回-1,但是errno被设为EINPROGRESS,意即connect仍旧在进行还没有完成.  

3.将打开的socket设进被监视的可写(注意不是可读)文件集合用select进行监视, 如果可写,用getsockopt(socket, SOL_SOCKET, SO_ERROR, &error, sizeof(int));  来得到error的值,如果为零,则connect成功