C++网络编程select模式的返回值分析
2022-12-284.1k 阅读
1. select 模式概述
在 C++ 网络编程中，select 是一种多路复用 I/O 模型，它允许程序同时监控多个文件描述符（例如套接字）的状态变化。select 函数定义在 <sys/select.h> 头文件中（在 Unix - like 系统下），在 Windows 系统下则定义在 <winsock2.h> 中。通过 select，我们可以在一个线程中高效地处理多个 I/O 操作，而无需为每个操作创建单独的线程或进程。
select 函数的基本原型如下（以 Unix - like 系统为例）：
#include <sys/select.h>
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
nfds：监控的文件描述符集合中最大文件描述符值加 1。readfds：指向要检查可读性的文件描述符集合。writefds：指向要检查可写性的文件描述符集合。exceptfds：指向要检查异常条件的文件描述符集合。timeout：指定select等待的最长时间。如果设为NULL，则select会一直阻塞，直到有文件描述符状态变化；如果设为{0, 0}，则select不会阻塞，立即返回。
2. 返回值基础介绍
select 函数的返回值是一个重要的指示器，它告诉我们函数执行的结果以及哪些文件描述符发生了状态变化。返回值有以下几种情况：
- 大于 0：表示有文件描述符状态发生了变化，返回值就是状态发生变化的文件描述符的数量。这意味着在
readfds、writefds或exceptfds集合中有文件描述符准备好了读、写或出现异常。我们需要通过FD_ISSET宏来进一步检查具体是哪些文件描述符。 - 等于 0：表示在指定的
timeout时间内，没有任何文件描述符状态发生变化。这可能是因为所有监控的文件描述符都没有达到所期望的可读、可写或异常状态，或者是timeout时间设置较短，在文件描述符状态变化之前就超时了。 - 小于 0：表示发生了错误。常见的错误原因包括无效的文件描述符、
timeout结构体指针无效、系统资源不足等。在这种情况下，我们需要通过errno全局变量来获取具体的错误信息。
3. 返回值大于 0 的深入分析
当 select 返回值大于 0 时，我们知道有文件描述符状态发生了变化，但具体是哪些文件描述符以及它们处于何种状态，需要进一步分析。以读操作（readfds 集合）为例，我们使用 FD_ISSET 宏来检查某个文件描述符是否可读：
#include <sys/select.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
int main() {
int pipe_fds[2];
pipe(pipe_fds);
fd_set read_fds;
FD_ZERO(&read_fds);
FD_SET(pipe_fds[0], &read_fds);
struct timeval timeout;
timeout.tv_sec = 5;
timeout.tv_usec = 0;
int ret = select(pipe_fds[0] + 1, &read_fds, NULL, NULL, &timeout);
if (ret > 0) {
if (FD_ISSET(pipe_fds[0], &read_fds)) {
char buffer[1024];
ssize_t bytes_read = read(pipe_fds[0], buffer, sizeof(buffer));
if (bytes_read > 0) {
buffer[bytes_read] = '\0';
printf("Read data: %s\n", buffer);
}
}
} else if (ret == 0) {
printf("Timeout occurred\n");
} else {
perror("select error");
}
close(pipe_fds[0]);
close(pipe_fds[1]);
return 0;
}
在这个例子中，我们创建了一个管道，将管道的读端添加到 read_fds 集合中，然后调用 select 监控读端的可读状态。当 select 返回大于 0 时，我们使用 FD_ISSET 检查管道读端是否可读，如果可读则进行读取操作。
在实际网络编程中，这种机制可以用于监控多个套接字的可读状态。例如，一个服务器可能同时监听多个客户端连接，通过 select 可以高效地处理多个客户端同时发送数据的情况：
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/select.h>
#define PORT 8080
#define MAX_CLIENTS 10
int main() {
int server_fd, new_socket, valread;
struct sockaddr_in address;
int opt = 1;
int addrlen = sizeof(address);
char buffer[1024] = {0};
// 创建套接字
server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (server_fd < 0) {
perror("Socket creation failed");
return -1;
}
// 设置套接字选项
if (setsockopt(server_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR | SO_REUSEPORT, &opt, sizeof(opt))) {
perror("Setsockopt failed");
return -1;
}
address.sin_family = AF_INET;
address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
address.sin_port = htons(PORT);
// 绑定套接字
if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address)) < 0) {
perror("Bind failed");
return -1;
}
// 监听套接字
if (listen(server_fd, MAX_CLIENTS) < 0) {
perror("Listen failed");
return -1;
}
fd_set read_fds, tmp_fds;
FD_ZERO(&read_fds);
FD_ZERO(&tmp_fds);
FD_SET(server_fd, &read_fds);
int max_fd = server_fd;
while (1) {
tmp_fds = read_fds;
int activity = select(max_fd + 1, &tmp_fds, NULL, NULL, NULL);
if (activity < 0) {
perror("Select error");
} else if (activity > 0) {
if (FD_ISSET(server_fd, &tmp_fds)) {
new_socket = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&address, (socklen_t *)&addrlen);
if (new_socket < 0) {
perror("Accept failed");
continue;
}
FD_SET(new_socket, &read_fds);
if (new_socket > max_fd) {
max_fd = new_socket;
}
printf("New connection, socket fd is %d, ip is : %s, port : %d\n", new_socket, inet_ntoa(address.sin_addr), ntohs(address.sin_port));
}
for (int i = server_fd + 1; i <= max_fd; i++) {
if (FD_ISSET(i, &tmp_fds)) {
valread = read(i, buffer, 1024);
if (valread == 0) {
close(i);
FD_CLR(i, &read_fds);
} else {
buffer[valread] = '\0';
printf("Message from client %d: %s\n", i, buffer);
send(i, buffer, strlen(buffer), 0);
}
}
}
}
}
close(server_fd);
return 0;
}
在这个服务器示例中，select 返回大于 0 时，我们首先检查是否是监听套接字（server_fd）有新连接，如果是则接受新连接并将新套接字加入监控集合。然后遍历所有可能有数据可读的套接字，读取数据并回显给客户端。
4. 返回值等于 0 的情况分析
当 select 返回值为 0 时，表示在指定的 timeout 时间内没有任何文件描述符状态发生变化。这在一些场景下是正常的，比如我们希望定期检查文件描述符状态，而不是一直阻塞等待：
#include <sys/select.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
int main() {
int pipe_fds[2];
pipe(pipe_fds);
fd_set read_fds;
FD_ZERO(&read_fds);
FD_SET(pipe_fds[0], &read_fds);
struct timeval timeout;
timeout.tv_sec = 2;
timeout.tv_usec = 0;
int ret = select(pipe_fds[0] + 1, &read_fds, NULL, NULL, &timeout);
if (ret > 0) {
if (FD_ISSET(pipe_fds[0], &read_fds)) {
char buffer[1024];
ssize_t bytes_read = read(pipe_fds[0], buffer, sizeof(buffer));
if (bytes_read > 0) {
buffer[bytes_read] = '\0';
printf("Read data: %s\n", buffer);
}
}
} else if (ret == 0) {
printf("Timeout occurred\n");
} else {
perror("select error");
}
close(pipe_fds[0]);
close(pipe_fds[1]);
return 0;
}
在这个例子中，我们设置 timeout 为 2 秒。如果在这 2 秒内管道读端没有数据可读，select 将返回 0，程序会打印 "Timeout occurred"。在网络编程中，这种机制可以用于实现心跳检测等功能，定期检查套接字是否有数据传输，以判断连接是否正常。
5. 返回值小于 0 的错误分析
当 select 返回值小于 0 时，表示发生了错误。常见的错误原因及对应的 errno 值如下：
- EBADF：传入的文件描述符集合中有无效的文件描述符。这可能是因为文件描述符已经关闭，或者从未正确打开过。例如：
#include <sys/select.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int main() {
fd_set read_fds;
FD_ZERO(&read_fds);
FD_SET(100, &read_fds); // 假设 100 是一个无效的文件描述符
struct timeval timeout;
timeout.tv_sec = 5;
timeout.tv_usec = 0;
int ret = select(101, &read_fds, NULL, NULL, &timeout);
if (ret < 0) {
perror("select error");
}
return 0;
}
在这个例子中，我们将一个无效的文件描述符 100 加入 read_fds 集合，调用 select 时会返回错误，perror 会打印出具体的错误信息，提示文件描述符无效。
- EINTR：
select被信号中断。在程序运行过程中，如果收到信号，select可能会提前返回并设置errno为EINTR。例如：
#include <sys/select.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
void signal_handler(int signum) {
printf("Caught signal %d\n", signum);
}
int main() {
fd_set read_fds;
FD_ZERO(&read_fds);
// 假设这里添加了有效的文件描述符
struct timeval timeout;
timeout.tv_sec = 60;
timeout.tv_usec = 0;
signal(SIGINT, signal_handler);
int ret = select(10, &read_fds, NULL, NULL, &timeout);
if (ret < 0) {
if (errno == EINTR) {
printf("select interrupted by signal\n");
} else {
perror("select error");
}
}
return 0;
}
在这个例子中，我们注册了一个信号处理函数 signal_handler 来处理 SIGINT 信号（通常由用户按下 Ctrl + C 产生）。当 select 正在阻塞等待时，如果收到 SIGINT 信号，select 会返回 -1 并设置 errno 为 EINTR，我们可以在代码中根据 errno 进行相应的处理。
- EINVAL：
nfds参数无效（小于 0），或者timeout结构体中的时间值无效（例如，tv_sec为负数）。例如：
#include <sys/select.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int main() {
fd_set read_fds;
FD_ZERO(&read_fds);
// 假设这里添加了有效的文件描述符
struct timeval timeout;
timeout.tv_sec = -1;
timeout.tv_usec = 0;
int ret = select(-1, &read_fds, NULL, NULL, &timeout);
if (ret < 0) {
perror("select error");
}
return 0;
}
在这个例子中，我们设置 nfds 为 -1，调用 select 时会返回错误，perror 会提示 EINVAL 错误，表明参数无效。
6. 跨平台考虑
在 Windows 系统下，select 函数同样可用于网络编程，但一些细节有所不同。首先，头文件需要包含 <winsock2.h>，并且文件描述符类型为 SOCKET 而不是 Unix - like 系统下的整数类型。此外，fd_set 等结构体的定义也有所差异。以下是一个简单的 Windows 下使用 select 的示例：
#include <winsock2.h>
#include <stdio.h>
#include <windows.h>
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")
#define PORT 8080
#define MAX_CLIENTS 10
int main() {
WSADATA wsaData;
if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0) {
printf("WSAStartup failed: %d\n", WSAGetLastError());
return -1;
}
SOCKET serverSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (serverSocket == INVALID_SOCKET) {
printf("Socket creation failed: %d\n", WSAGetLastError());
WSACleanup();
return -1;
}
sockaddr_in serverAddr;
serverAddr.sin_family = AF_INET;
serverAddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
serverAddr.sin_port = htons(PORT);
if (bind(serverSocket, (sockaddr*)&serverAddr, sizeof(serverAddr)) == SOCKET_ERROR) {
printf("Bind failed: %d\n", WSAGetLastError());
closesocket(serverSocket);
WSACleanup();
return -1;
}
if (listen(serverSocket, MAX_CLIENTS) == SOCKET_ERROR) {
printf("Listen failed: %d\n", WSAGetLastError());
closesocket(serverSocket);
WSACleanup();
return -1;
}
fd_set read_fds, tmp_fds;
FD_ZERO(&read_fds);
FD_ZERO(&tmp_fds);
FD_SET(serverSocket, &read_fds);
SOCKET maxSocket = serverSocket;
while (1) {
tmp_fds = read_fds;
int activity = select(0, &tmp_fds, NULL, NULL, NULL);
if (activity == SOCKET_ERROR) {
printf("Select error: %d\n", WSAGetLastError());
break;
} else if (activity > 0) {
if (FD_ISSET(serverSocket, &tmp_fds)) {
SOCKET newSocket = accept(serverSocket, NULL, NULL);
if (newSocket == INVALID_SOCKET) {
printf("Accept failed: %d\n", WSAGetLastError());
continue;
}
FD_SET(newSocket, &read_fds);
if (newSocket > maxSocket) {
maxSocket = newSocket;
}
printf("New connection, socket fd is %d\n", newSocket);
}
for (SOCKET i = serverSocket + 1; i <= maxSocket; i++) {
if (FD_ISSET(i, &tmp_fds)) {
char buffer[1024] = {0};
int valread = recv(i, buffer, sizeof(buffer), 0);
if (valread == 0) {
closesocket(i);
FD_CLR(i, &read_fds);
} else {
printf("Message from client %d: %s\n", i, buffer);
send(i, buffer, strlen(buffer), 0);
}
}
}
}
}
closesocket(serverSocket);
WSACleanup();
return 0;
}
在 Windows 下，我们需要先调用 WSAStartup 初始化 Winsock 库，使用 closesocket 关闭套接字，并且通过 WSAGetLastError 获取错误信息。虽然基本的 select 机制类似，但这些细节差异需要在跨平台编程中特别注意。
7. 性能与优化
虽然 select 模式在网络编程中提供了一种多路复用 I/O 的方式，但它也存在一些性能瓶颈。
- 文件描述符数量限制：在一些系统中，
select所能监控的文件描述符数量是有限的，通常在 1024 个左右。这对于大规模并发连接的场景来说可能不够用。 - 线性扫描：
select函数返回后，需要线性扫描整个文件描述符集合来确定哪些文件描述符状态发生了变化，这在文件描述符数量较多时效率较低。
为了优化性能，可以考虑以下几点：
- 使用更高效的 I/O 模型：在 Linux 系统下，可以使用
epoll；在 Windows 系统下，可以使用IOCP（完成端口）。这些模型在处理大规模并发连接时具有更好的性能。 - 合理设置
timeout：根据应用场景合理设置select的timeout值，避免过长时间的阻塞导致响应不及时，同时也避免过短的timeout导致频繁无效的调用。 - 减少不必要的文件描述符操作：尽量减少向
fd_set中频繁添加和删除文件描述符的操作，因为每次操作都可能涉及到内存复制等开销。
8. 总结与建议
在 C++ 网络编程中，select 模式是一种基础且重要的多路复用 I/O 模型。深入理解其返回值对于编写高效、稳定的网络程序至关重要。通过分析返回值大于 0、等于 0 和小于 0 的不同情况，我们可以正确处理文件描述符状态变化、超时和错误情况。在实际应用中，要根据具体需求和系统环境，合理选择 I/O 模型，并注意性能优化。如果需要处理大规模并发连接，应考虑使用更高效的模型替代 select。同时，在跨平台编程中，要注意不同系统下 select 函数的细微差异，确保程序的兼容性。