什么是 I/O 多路复用？
在传统的网络编程中，如果服务器需要同时处理多个客户端连接,通常有以下几种模式：
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- 阻塞 I/O 模型：为每个客户端创建一个线程，如果一个线程在
read时阻塞，不会影响其他线程，但这种方法会创建大量线程，消耗大量内存和 CPU 上下文切换开销,扩展性差。 - 非阻塞 I/O 模型：将所有 socket 都设置为非阻塞，然后在一个循环中依次对每个 socket 进行
read或write，这种方法虽然避免了线程开销，但会浪费大量 CPU 时间在无效的系统调用上（当一个 socket 还没数据时，read会立即返回错误）。
I/O 多路复用就是为了解决上述问题而生的，它的核心思想是：用一个线程来监视多个文件描述符（File Descriptor，简称 FD，在 socket 编程中通常指 socket），当任何一个 FD 准备好进行 I/O 操作（有数据可读、可写、或发生异常）时，select 函数才会返回，告诉应用程序哪些 FD 已经就绪。
这样，应用程序就无需盲目地轮询，而是可以高效地处理已经准备好的 I/O 事件。
select 函数详解
select 函数是 POSIX 标准定义的,其原型如下：
#include <sys/select.h> int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
参数解析
-
nfds:
（图片来源网络，侵删）- 类型：
int - 含义：需要监视的 文件描述符的最大值 + 1。
select内部会遍历 0 到nfds-1的所有 FD，你不需要传递一个 FD 集合,而是传递一个上限值。 - 如果你要监视的 FD 是 3, 5, 10，
nfds就应该是10 + 1 = 11。
- 类型：
-
readfds,writefds,exceptfds:- 类型：
fd_set * - 含义：指向文件描述符集合的指针，它们分别用于监视：
readfds: 可读 的 FD，当这些 FD 中有数据可读时，select会返回。writefds: 可写 的 FD，当这些 FD 的发送缓冲区有空间可以写入数据时，select会返回。exceptfds: 异常 的 FD，当这些 FD 上发生“带外数据”（Out-of-Band data）等错误条件时，select会返回。
- 你可以只关心其中一种或几种，将不关心的参数设为
NULL。
- 类型：
-
timeout:- 类型：
struct timeval * - 含义：
select函数的阻塞超时时间。timeout为NULL，select将永远阻塞，直到有 FD 就绪。timeout指向一个timeval结构体，并且其成员tv_sec（秒）和tv_usec（微秒）都为 0，select将立即返回,不阻塞。timeout指向一个有效的timeval结构体，select将最多阻塞指定的时间，如果超时，即使没有 FD 就绪，select也会返回 0。
- 结构体定义：
struct timeval { long tv_sec; // 秒 long tv_usec; // 微秒 };
- 类型：
返回值
- 成功：返回就绪 FD 的总数（0, 1, 2, ...）。
- 超时：返回 0，表示在指定的
timeout时间内，没有任何 FD 就绪。 - 出错：返回 -1，并设置
errno，当nfds无效或被信号中断时。
fd_set 操作宏
fd_set 是一个内部结构，我们不应该直接操作它,标准库提供了一组宏来方便地操作这个集合：
FD_ZERO(fd_set *set): 清空一个文件描述符集合，在每次调用select之前,都必须先调用它来初始化集合。FD_SET(int fd, fd_set *set): 将一个文件描述符fd添加到集合set中。FD_CLR(int fd, fd_set *set): 将一个文件描述符fd从集合set中移除。FD_ISSET(int fd, fd_set *set): 检查文件描述符fd是否在集合set中，当select返回后，使用此宏来检查某个 FD 是否就绪。
select 的完整工作流程（以服务器为例）
这是一个使用 select 实现的简单回显服务器的完整流程：
（图片来源网络，侵删）
- 创建监听 socket (
socket,bind,listen)。 - 初始化
fd_set：使用FD_ZERO清空readfds。 - 将监听 socket 添加到
readfds：使用FD_SET。 - 进入主循环：
a. 备份
readfds：select函数在返回时会修改readfds集合，只保留就绪的 FD，每次循环开始前，都需要将原始的readfds（包含监听 socket 和所有客户端 socket）重新设置到readfds中。 b. 调用select：传入备份后的readfds、nfds（监听 FD + 1）和timeout。 c. 处理返回值：- 如果返回值 > 0，表示有 FD 就绪。
- 如果返回值 == 0，表示超时，可以执行一些其他任务（如定时器）,然后继续循环。
- 如果返回值 < 0，检查
errno，如果是EINTR（被信号中断），可以继续循环；否则是严重错误，应退出。 d. 遍历所有可能的 FD：从 0 到nfds-1，使用FD_ISSET检查每个 FD 是否在readfds中。 e. 处理就绪的 FD： - 如果就绪的 FD 是监听 socket：说明有新的客户端连接，调用
accept接受连接，将返回的新客户端 socket 也添加到readfds集合中（别忘了更新nfds）。 - 如果就绪的 FD 是客户端 socket：说明该客户端有数据可读，调用
read从该 socket 读取数据。read返回 0，表示客户端已断开连接，需要关闭该 socket，并将其从readfds集合中移除（FD_CLR）。read返回正常数据,将其回写给客户端。
- 循环直到程序结束。
完整代码示例
下面是一个简单的回显服务器，它使用 select 来处理一个监听 socket 和多个客户端 socket。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/select.h>
#include <errno.h>
#define PORT 8080
#define MAX_CLIENTS 30
#define BUFFER_SIZE 1024
int main() {
int server_fd, new_socket;
struct sockaddr_in address;
int opt = 1;
int addrlen = sizeof(address);
char buffer[BUFFER_SIZE] = {0};
// 1. 创建 socket
if ((server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == 0) {
perror("socket failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
// 设置 socket 选项，允许地址重用
if (setsockopt(server_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt))) {
perror("setsockopt");
exit(EXIT_FAILURE);
}
address.sin_family = AF_INET;
address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
address.sin_port = htons(PORT);
// 2. 绑定
if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address)) < 0) {
perror("bind failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
// 3. 监听
if (listen(server_fd, 3) < 0) {
perror("listen");
exit(EXIT_FAILURE);
}
printf("Server listening on port %d...\n", PORT);
// 4. 初始化 fd_set
fd_set read_fds;
int max_sd; // 记录最大的文件描述符
// 客户端 socket 数组，初始化为 -1
int client_sockets[MAX_CLIENTS];
for (int i = 0; i < MAX_CLIENTS; i++) {
client_sockets[i] = -1;
}
while (1) {
// 清空文件描述符集合
FD_ZERO(&read_fds);
// 添加监听 socket 到集合
FD_SET(server_fd, &read_fds);
max_sd = server_fd;
// 添加所有客户端 socket 到集合
for (int i = 0; i < MAX_CLIENTS; i++) {
int sd = client_sockets[i];
if (sd > 0) {
FD_SET(sd, &read_fds);
if (sd > max_sd) {
max_sd = sd;
}
}
}
// 5. 调用 select
// max_sd + 1 是 nfds
// timeout 设为 NULL，表示一直阻塞直到有事件发生
int activity = select(max_sd + 1, &read_fds, NULL, NULL, NULL);
if (activity < 0 && errno != EINTR) {
perror("select error");
}
// 6. 处理就绪的 FD
// 检查是否有新的连接
if (FD_ISSET(server_fd, &read_fds)) {
if ((new_socket = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&address, (socklen_t*)&addrlen)) < 0) {
perror("accept");
continue;
}
printf("New connection, socket fd is %d, ip is : %s, port : %d\n",
new_socket, inet_ntoa(address.sin_addr), ntohs(address.sin_port));
// 将新的 socket 添加到客户端数组
for (int i = 0; i < MAX_CLIENTS; i++) {
if (client_sockets[i] == -1) {
client_sockets[i] = new_socket;
break;
}
}
}
// 检查所有客户端 socket
for (int i = 0; i < MAX_CLIENTS; i++) {
int sd = client_sockets[i];
if (sd > 0 && FD_ISSET(sd, &read_fds)) {
// 读取数据
int valread = read(sd, buffer, BUFFER_SIZE);
if (valread == 0) {
// 客户端断开连接
printf("Client disconnected, socket fd %d\n", sd);
close(sd);
client_sockets[i] = -1; // 从数组中移除
} else {
// 回显数据
buffer[valread] = '\0';
printf("Message from client %d: %s", sd, buffer);
send(sd, buffer, valread, 0);
}
}
}
}
return 0;
}
select 的优缺点
优点
- 跨平台：几乎所有支持 sockets 的操作系统都实现了
select。 - 实现简单：API 和概念相对简单,容易理解和使用。
缺点
- 性能瓶颈：
- 文件描述符数量限制：
fd_set的大小通常是有限的（在 Linux 上默认是 1024），虽然可以通过FD_SETSIZE宏调整,但这是一个编译时限制。 - 线性扫描：
select内部是通过遍历fd_set来检查 FD 状态的，当监视的 FD 数量很大时（例如数千个），每次调用select都要进行线性扫描，效率会急剧下降，时间复杂度是 O(n)。
- 文件描述符数量限制：
- 集合修改：
select会修改传入的fd_set，每次循环都需要重新设置,增加了编程的复杂性。 - 无法得知具体事件：
select只能告诉你某个 FD “就绪了”，但无法像epoll那样告诉你具体是“可读”、“可写”还是“异常”,你需要自己再次检查。
select 是 I/O 多路复用的入门和基石，它通过让一个线程监视多个 FD，极大地提高了服务器的并发处理能力，由于其固有的性能限制（线性扫描和 FD 数量限制），在需要处理成千上万个连接的高性能服务器场景中，现代 Linux 系统更倾向于使用 epoll，而 BSD 系统则使用 kqueue，但对于中小型应用、学习或跨平台需求不高的场景，select 仍然是一个简单有效的选择。
