Linux - Select()系统调用及文件描述符集fd_set的应用

淩亂°似流年 2022-06-12 13:24 173阅读 0赞

select()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fe\_set的内容，由此来通知执行了select()的进程哪一socket或文件可读。

多端口复用函数select在调用前要首先设置监听的端口数目，FD\_ZERO是清空端口集，FD\_SET是设置端口集。

select()函数常常用在用一个进程监听多个服务器端socket。

有时，select()也被当作延时函数使用。sleep()延时会释放CPU，select()的话，可以在占用CPU的情况下延时。

select()函数主要是建立在fd\_set类型的基础上的。fd\_set(它比较重要所以先介绍一下)是一组文件描述字(fd)的集合，它用一位来表示一个fd(下面会仔细介绍)，对于fd\_set类型通过下面四个宏来操作：

fd\_set set;

FD\_ZERO(&set); /\*将set清零使集合中不含任何fd\*/

FD\_SET(fd, &set); /\*将fd加入set集合\*/

FD\_CLR(fd, &set); /\*将fd从set集合中清除\*/

FD\_ISSET(fd, &set); /\*测试fd是否在set集合中\*/

过去，一个fd\_set通常只能包含<32的fd(文件描述字)，因为fd\_set其实只用了一个32位矢量来表示fd; 现在，UNIX系统通常会在头文件<sys/select.h>中定义常量FD\_SETSIZE，它是数据类型fd\_set的描述字数量，其值通常是1024，这样就能表示<1024的fd。根据fd\_set的位矢量实现，我们可以重新理解操作fd\_set的四个宏：

fd\_set set;

FD\_ZERO(&set); /\*将set的所有位置0，如set在内存中占8位则将set置为00000000\*/

FD\_SET(0, &set); /\*将set的第0位置1，如set原来是00000000，则现在变为100000000，这样fd==1的文件描述字就被加进set中了\*/

FD\_CLR(4, &set); /\*将set的第4位置0，如set原来是10001000，则现在变为10000000，这样fd==4的文件描述字就被从set中清除了\*/

FD\_ISSET(5, &set); /\*测试set的第5位是否为1，如果原来set是10000100，则返回非零，表明fd==5的文件描述符在set中，否则返回0\*/

注意：fd的最大值必须<FD\_SETSIZE。

select函数的接口比较简单：

int select(int nfds, fd\_set\* readset, fd\_set\* writeset, fe\_set\* exceptset, struct timeval\* timeout);

功能：

测试指定的fd可读？可写？有异常条件待处理？

参数：

nfds： 需要检查的文件描述字个数(即检查到fd\_set的第几位)，数值应该比三组fd\_set中所含的最大fd值更大，一般设为三组fd\_set中所含的最大fd值加1(如在readset, writeset, exceptset中所含最大的fd为5，则nfds＝6，因为fd是从0开始的 )。设这个值是为了提高效率，使函数不必检查fd\_set的所有1024位。

readset： 用来检查可读性的一组文件描述字。

writeset： 用来检查可写性的一组文件描述字。

exceptset： 用来检查是否有异常条件出现的文件描述字。(注：错误不包括在异常条件之内)

timeout： 有三种可能：

1. timeout = NULL (阻塞：直到有一个fd位被置为1函数才返回)

2. timeout所指向的结构设为非零时间(等待固定时间：有一个fd位被置为1或者时间耗尽，函数均返回)

3. timeout所指向的结构，时间设为0(非阻塞：函数检查完每一个fd后立即返回)

返回值：返回对应位仍然为1的fd的总数。

Remark：

三组fd\_set均将某些fd位置0，只有那些可读，可写以及有异常条件待处理的fd位仍然为1。

使用select函数的过程一般是：

先调用宏FD\_ZERO将指定的fd\_set清零，然后调用宏FD\_SET将需要测试的fd加入fd\_set，接着调用函数select测试fd\_set中的所有fd，最后用宏FD\_ISSET检查某个fd在函数select调用后，相应位是否仍然为1。

以下是一个测试单个文件描述字可读性的例子：

int isready(int fd)

int rc;

fd\_set fds;

struct timeval tv;

FD\_ZERO(&fds);

FD\_SET(fd, &fds);

tv.tv\_sec = tv.tv\_usec = 0;

rc = select(fd+1, &fds, NULL, NULL, &tv);

if( rc<0 ) //error

return -1;

return FD\_ISSET(fd, &fds) ? 1: 0;

下面还有一个复杂一些的应用：

//这段代码将指定测试Socket的描述字的可读可写性，因为Socket使用的也是fd

unit32 SocketWait(TSocket\* s, bool rd, bool wr, unit32 timems)

fd\_set rfds, wfds;

\#ifdef \_WIN32

TIMEVAL tv;

\#else

struct timeval tv;

\#endif /\*\_WIN32\*/

FD\_ZERO(&rfds);

FD\_ZERO(&wfds);

if(rd) //TRUE

FD\_SET(\*s, &rfds); //添加要测试的描述字

if(wr)

FD\_SET(\*s, &wfds);

tv.tv\_sec = timems/1000; //seconds

tv.tv\_usec = timems%1000; //ms

for(;;) //如果errno＝＝EINTR，反复测试缓冲区的可读性

switch(select((\*s)+1, &fds, &wfds, NULL, (timems==TIME\_INFINITE?NULL:&tv))) //测试在规定的时间内套接字接口接收缓冲区是否有数据可读

// 0——超时, -1——出错

case 0: /\*time out\*/

return 0;

case (-1): /\*socket error\*/

if( SocketError()==EINTR )

break;

return 0; //有错但不是EINTR

default:

if(FD\_ISSET(\*s, &rfds)) //如果s是fds中的一员返回非0，否则返回0

return 1;

if(FD\_ISSET(\*s, &wfds))

rerun 2;

return 0;

\};

文章出处：[http://jiaxingkui123.blog.163.com/blog/static/8756468420081111102917528/][http_jiaxingkui123.blog.163.com_blog_static_8756468420081111102917528]

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 <sys/select.h>  
\#include <sys/time.h>  
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 <sys/select.h>  
\#include <sys/time.h>  
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 <sys/select.h>  
\#include <sys/time.h>  
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<bits/types.h>中我们可以看到：  
＃define \_\_FD\_SETSIZE 1024  
以及在头文件<sys/select.h>中我们可以看到：  
\#include <bits/types.h>  
\#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 <stdio.h>  
\#include <string.h>  
\#include <sys/time.h>  
\#include <sys/select.h>  
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 ", 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 ", 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 ", 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

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