c++高级篇(二) ——Linux下IO多路复用之select模型

什么是IO多路复用

前言

我们在Linux上服务端一般是要同时连接多个客户端进行通信，但是为每一个客户端连接创建一个进/线程，会消耗很多资源，一个1核2GB的虚拟机，大概只能创建100多个线程，但是我们经常使用网络知道,这样是远远不能满足我们日常的使用需求的，所以为了解决这一问题，就需要我们去使用IO多路复用。

IO多路复用

IO多路复用指的是我们可以使用一个进/线程去处理多个TCP链接，减少系统开销，而我们常见的IO多路复用主要用三种：

select(1024)
poll(几千)
epoll(百万)

网络通讯中的读与写事件

读事件

已连接队列中有已经准备好的socket(有新的客户端连接上来)
接收缓存有数据可以读(对端发送的报文已经送达)
tcp连接断开(对端使用close()函数断开了连接)

写事件

发送端缓冲区没有满，可以写入数据(向对端发送报文)

select模型

位图

什么是位图

select实现IO多路复用是基于位图来实现的，位图的本质是一个32位整型数组(int[32]),一个32位整型有4个字节，每个字节有8个位:
$32 * 8 * 4 = 1024$
每一个位可以监听一个socket这也是select模型课件监听1024个socket的原因所在。

位图的相关操作

在Linux内核中为我们提供相关的宏让我们操作位图：

void D_CLR(int fd,fd_set* set);//将socket从位图中删除
int FD_ISSET(int fd,fd_set *set);//判断socket是否在位图中
void FD_SET(int fd,fd_set* set);//将socket加入到位图中
void FD_ZERO(fd_set* set); //将位图全部初始化为0

select模型的细节

写事件

如果tcp的发送缓冲区没有满，那么此时socket连接是可写的
一般来说发送缓冲区不容易填满，但是如果发送数据量过大或者网络带宽不够，发送缓冲区有填满的可能。

水平触发

select()监视的socket如果发生了事件，select()会返回(通知应用程序处理事件)，如果事件没有被处理，再次调用select()的时候会立即再通知
存在的问题
- 这里操作位图的方法是轮询，它的性能会随着socket的增多而增多
- 每次调用select，需要拷贝位图，而且select属于用户态，网络通信属于内核态，需要拷贝两次，会影响select的性能
- 受位图大小的限制，每个进/线程selectt所能处理的socket数量默认是1024个，性能不够高，无法处理网络通信频繁的实际场景

select模型监控socket通讯流程图

在这里插入图片描述

代码示例

#include "data-sharing-center/public/_cmpublic.h"
#include <string.h>using namespace std;int inintserver(int port); //初始化监听端口int main(int argc,char* argv[])
{if(argc!=2){cout<<"using example:./server [port]"<<endl;return -1;}//初始化服务端用来监听的socketint listensock=inintsocket(atoi(argv[1]));if(listensock<0){perror("inintsocket() error");return -1;}cout<<"listensock="<<listensock<<endl;//初始化selectfd_set readfds;FD_ZERO(&readfds);FD_SET(listensock,&readfds);int maxfd=listensock;//记录当前监听socket的数量while(true)  //使用select循环监听{//定义超时结构体struct timeval timeout;  //定义超时结构体timeout.tv_sec=10; //秒timeout.tv_usec=0; //微妙fd_set tmps=readfds;  //select操作中会对位图进行修改，创建一个临时位图int infds=select(maxfd+1,&tmps,NULL,NULL,&timeout);  //开启监听if(infds<0)   //连接失败{perror("select() error");break;}else if(infds==0)  //超时(此时间段没有事件发生){cout<<"select timeout"<<endl;continue;}else    //有事件发生{//遍历位图，查看是哪一个socket发生事件for(int eventfd=0;eventfd<=maxfd;eventfd++){if(FD_ISSET(eventfd,&tmps))    //查看是否是该socket{if(eventfd=listensock)   //如果是监听,说明发生的事件是有客户顿socket发送了连接请求{//接收客户端连接struct sockaddr_in clientaddr;socklen_t addrlen=sizeof(clientaddr);int clientsock=accept(listensock,(struct sockaddr*)&clientaddr,&addrlen);if(clientsock<0){perror("accept() error");continue;}cout<<"client connected,clientsock:"<<clientsock<<endl;//将新的客户端socket加入位图FD_SET(clientsock,&readfds);if(clientsock>maxfd){maxfd=clientsock;}}else   //否则就是客户端向服务端发送了数据，或者有客户端断开了连接{char buffer[1024]; //用来接收数据memset(buffer,0,sizeof(buffer));if(recv(eventfd,buffer,sizeof(buffer),0)<0)   //说明是有客户端断开了{cout<<"client disconnected,clientfd="<<eventfd<<endl;close(eventfd);FD_CLR(eventfd,&tmps);if(maxfd==eventfd);  //重新计算maxfd的值，注意，只有当eventfd==maxfd时才需要计算。{for(int ii=maxfd;ii>0;ii--){if(FD_ISSET(ii,&readfds)){maxfd=ii;break;}}}}else   //说明是有客户端发送了数据{cout<<"client data:"<<buffer<<endl;send(eventfd,buffer,strlen(buffer),0);  //把数据发送回去说明已经收到了}}   }}}}return 0;
}int inintsocket(int port)
{int sock=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if(sock<0){perror("socket() error");return -1;}//设置端口复用int opt=1;unsigned int len=sizeof(opt);setsockopt(sock,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&opt,len);//绑定端口struct sockaddr_in serveraddr;serveraddr.sin_family=AF_INET;serveraddr.sin_port=htons(port);serveraddr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);if(bind(sock,(struct sockaddr*)&serveraddr,sizeof(serveraddr))<0){perror("bind() error");close(sock);return -1;}//监听if(listen(sock,5)<0){perror("listen() error");close(sock);return -1;}return sock;}