Linux select内核源码剖析

缺乏、安全感 2021-12-11 08:13 334阅读 0赞

**IO多路复用接口Linux内核源码剖析，源码之前，了无秘密**

[Linux poll内核源码剖析][Linux poll]

[Linux select内核源码剖析][Linux select]

[Linux epoll内核源码剖析][Linux epoll]

# Linux select内核源码剖析 #

### 文章目录 ###

*  Linux select内核源码剖析
 *   *  select应用程序
     *  select机制内核源码剖析
     *  总结

select的原理其实是和poll是一样的，都是采用轮询的方式。select相对于poll也许是比较节省空间吧，因为select是采用bitmap来标志的

本文先讲解一下如何在应用层使用select，然后再深入内核剖析select机制

## select应用程序 ##

select可以监听多个文件描述符，直到条件满足或者超时返回

*  select函数原型
    
        int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,
                   fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
    
    nfds：最大的文件描述符加1
    
    readfds：监听可读集合
    
    writefds：监听可写集合
    
    exceptfds：监听异常集合
    
    timeout：超时时间
    
    对于这些集合，有一组函数可以进行设置
    
        void FD_SET(int fd, fd_set *set); //设置文件描述符到集合中
        void FD_CLR(int fd, fd_set *set); //从集合中清除文件描述符标志
        int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set); //判断文件描述符在集合中是否被标志
        void FD_ZERO(fd_set *set); //清空集合

**demo**

下面这个程序使用select监听标准输入，直到标准输入可读时，返回并打印内容

#include <stdio.h>
    #include <sys/select.h>
    
    int main(int argc, char* argv[])
    {
        
        fd_set rfds;
        int nfds;
        int i;
        char buf[1024];
        int len;
    
        FD_ZERO(&rfds); //清空集合
    
        FD_SET(0, &rfds); //标准输入
        nfds = 0 + 1; //最大文件描述符加1
    
        while(1)
        {
        
            fd_set fds = rfds;
            
            /* 开始监听 */
            if(select(nfds, &fds, NULL, NULL, NULL) < 0)
            {
        
                printf("select err.\n");
                return -1;
            }
    
            for(i = 0; i < nfds; i++)
            {
        
                /* 判断是否满足条件 */
                if(FD_ISSET(i, &fds))
                {
        
                    len = read(i, buf, 1024);
                    buf[len] = '\0';
                    printf("read buf: %s\n", buf);
                }
            }
        }
    
        return 0;
    }

## select机制内核源码剖析 ##

我们先来看看`fd_set`是什么东西

typedef __kernel_fd_set		fd_set;
    
    typedef struct {
        
    	unsigned long fds_bits [__FDSET_LONGS]; //定义一个数组
    } __kernel_fd_set;

从上面可以看出，fd\_set其实就是一个数组，内核用一个位来表示一个文件描述符，从内核定义来看，一共有1024个位

下面再来看看这四个设置函数

void FD_SET(int fd, fd_set *set); //设置文件描述符到集合中
    void FD_CLR(int fd, fd_set *set); //从集合中清除文件描述符标志
    int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set); //判断文件描述符在集合中是否被标志
    void FD_ZERO(fd_set *set); //清空集合

#define FD_SET(fd,fdsetp)	__FD_SET(fd,fdsetp)
    #define FD_CLR(fd,fdsetp)	__FD_CLR(fd,fdsetp)
    #define FD_ISSET(fd,fdsetp)	__FD_ISSET(fd,fdsetp)
    #define FD_ZERO(fdsetp)		__FD_ZERO(fdsetp)

先看FD\_SET，其实就是将特定的位置1

#define __FD_SET(fd, fdsetp) \
    		(((fd_set *)(fdsetp))->fds_bits[(fd) >> 5] |= (1<<((fd) & 31)))

再看看FD\_CLR，其实就是将特定的位置0

#define __FD_CLR(fd, fdsetp) \
    		(((fd_set *)(fdsetp))->fds_bits[(fd) >> 5] &= ~(1<<((fd) & 31)))

看看FD\_ISSET，其实就是判断特定的位是否被置1

#define __FD_ISSET(fd, fdsetp) \
    		((((fd_set *)(fdsetp))->fds_bits[(fd) >> 5] & (1<<((fd) & 31))) != 0)

看一下FD\_ZERO，其实就是将所有的位置0

#define __FD_ZERO(fdsetp) \
    		(memset (fdsetp, 0, sizeof (*(fd_set *)(fdsetp))))

至此我们直到，fd\_set其实就是一个数组，然后里面每一个位都表示一个文件描述符的状态，我们将我们要监听的文件描述符对应的位标志好后，传递给内核，内核会将状态通过位标记返回到应用层

**下面就马上来分析select对应的系统调用**

select对应的系统调用如下

SYSCALL_DEFINE5(select, int, n, fd_set __user *, inp, fd_set __user *, outp,
    		fd_set __user *, exp, struct timeval __user *, tvp)

将其展开后得到如下函数

long sys_select(int n, fd_set __user * inp, fd_set __user * outp,
                        fd_set __user * exp, struct timeval __user * tvp)

SYSCALL_DEFINE5(select, int, n, fd_set __user *, inp, fd_set __user *, outp,
    		fd_set __user *, exp, struct timeval __user *, tvp)
    {
        
        /* 从应用层会传递过来三个需要监听的集合，可读，可写，异常 */
        ret = core_sys_select(n, inp, outp, exp, to);
        
        return ret;
    }

接下来看`core_sys_select`

int core_sys_select(int n, fd_set __user *inp, fd_set __user *outp,
    			   fd_set __user *exp, struct timespec *end_time)
    {
        
        /* 在栈上分配一段内存 */
        long stack_fds[SELECT_STACK_ALLOC/sizeof(long)];
        
        size = FDS_BYTES(n); //n个文件描述符需要多少个字节
        
        /* 
         * 如果栈上的内存太小，那么就重新分配内存
         * 为什么是除以6呢？
         * 因为每个文件描述符要占6个bit（输入：可读，可写，异常；输出结果：可读，可写，异常）
         */
        if (size > sizeof(stack_fds) / 6)
    		bits = kmalloc(6 * size, GFP_KERNEL);
        
        /* 设置好bitmap对应的内存空间 */
        fds.in      = bits; //可读
    	fds.out     = bits +   size; //可写
    	fds.ex      = bits + 2*size; //异常
    	fds.res_in  = bits + 3*size; //返回结果，可读
    	fds.res_out = bits + 4*size; //返回结果，可写
    	fds.res_ex  = bits + 5*size; //返回结果，异常
        
        /* 将应用层的监听集合拷贝到内核空间 */
        get_fd_set(n, inp, fds.in);
        get_fd_set(n, outp, fds.out);
        get_fd_set(n, exp, fds.ex);
        
        /* 清空三个输出结果的集合 */
    	zero_fd_set(n, fds.res_in);
    	zero_fd_set(n, fds.res_out);
    	zero_fd_set(n, fds.res_ex);
        
        /* 调用do_select阻塞，满足条件时返回 */
        ret = do_select(n, &fds, end_time);
        
        /* 将结果拷贝回应用层 */
        set_fd_set(n, inp, fds.res_in);
        set_fd_set(n, outp, fds.res_out);
        set_fd_set(n, exp, fds.res_ex);
        
        return ret;
    }

下面来看一看`do_select`函数

int do_select(int n, fd_set_bits *fds, struct timespec *end_time)
    {
        
        for (;;) {
        
            /* 遍历所有监听的文件描述符 */
        	for (i = 0; i < n; ++rinp, ++routp, ++rexp)
            {
        
                for (j = 0; j < __NFDBITS; ++j, ++i, bit <<= 1)
                {
        
                    /* 调用每一个文件描述符对应驱动的poll函数，得到一个掩码 */
                    mask = (*f_op->poll)(file, wait);
                    
                    /* 根据掩码设置相应的bit */
                    if ((mask & POLLIN_SET) && (in & bit)) {
        
                        res_in |= bit;
                        retval++;
                    }
                    
                    if ((mask & POLLOUT_SET) && (out & bit)) {
        
                        res_out |= bit;
                        retval++;
                    }
                    
                    if ((mask & POLLEX_SET) && (ex & bit)) {
        
                        res_ex |= bit;
                        retval++;
                    }
                }
            }
        
            /* 如果条件满足，则退出 */
            if (retval || timed_out || signal_pending(current))
                break;
            
            /* 调度，进程睡眠 */
            poll_schedule_timeout(&table, TASK_INTERRUPTIBLE, to, slack);
        }
    }

do\_select会遍历所有要监听的文件描述符，调用对应驱动程序的poll函数，驱动程序的poll一般实现如下

static unsigned int button_poll(struct file *fp, poll_table * wait)
    {
        
    	unsigned int mask = 0;
    
        /* 调用poll_wait */
    	poll_wait(fp, &wq, wait); //wq为自己定义的一个等待队列头
    
    	/* 如果条件满足，返回相应的掩码 */
    	if(condition)
    		mask |= POLLIN; 
    
    	return mask;
    }

看看poll\_wait做了什么

static inline void poll_wait(struct file * filp, wait_queue_head_t * wait_address, poll_table *p)
    {
        
    	if (p && wait_address)
    		p->qproc(filp, wait_address, p);
    }

`p->qproc`在之前又被初始化为`__pollwait`

static void __pollwait(struct file *filp, wait_queue_head_t *wait_address,
    				poll_table *p)
    {
        
        /* 分配一个结构体 */
        struct poll_table_entry *entry = poll_get_entry(pwq);
        
        /* 将等待队列元素加入驱动程序的等待队列头中 */
    	add_wait_queue(wait_address, &entry->wait); 
    }

由此可知，`do_select`中对每一个文件描述符调用`(*f_op->poll)(file, wait)`，是为每一个文件描述符申请一个等待队列元素，然后将其添加到对应驱动程序的等待队列中，等待条件满足时唤醒

我们再回到`do_select`函数里，第一遍遍历调用\`\`(\*f\_op->poll)(file, wait)\`是为了为每一个文件描述符申请一个等待队列元素，将其添加到对应驱动程序的等待队列中，然后会睡眠等待，当有条件满足时，对应的驱动会通过等待队列唤醒该进程，然后进行第二次遍历，此时得到一个掩码，然后设置好每一个文件描述符状态，退出

至此，select也就分析完了

## 总结 ##

select和poll的实现原理是一样的，只是select采用bitmap的方式来标记文件描述符，然后select 最不能忍受的是一个进程所打开的FD是有一定限制的，由FD\_SETSIZE设置，默认值是1024

select会有两次遍历所有监听的文件描述符，第一次是将等待队列元素添加到对应驱动程序的等待队列中，然后调度，睡眠等待唤醒，第二次是当条件满足时，驱动程序会唤醒等待队列，然后select会进行第二次遍历，获取一个掩码，设置好每一个文件描述符的bitmap，然后再将结果拷贝回用户空间

[Linux poll]: https://blog.csdn.net/weixin_42462202/article/details/95241700
[Linux select]: https://blog.csdn.net/weixin_42462202/article/details/95315926
[Linux epoll]: https://blog.csdn.net/weixin_42462202/article/details/95377075