Simple Linux C Socket (06): select

概述

前面几篇讲述了Linux C网络编程的基础入门和提升，实现了多进程网络编程和多线程网络编程，这两者都适用于客户端量比较小(几十)、或业务不太复杂（简单的数据交互）的场景（不知道理解的对不对）。

当并发量提升时，会出现系统资源占用过大（CPU使用率过大、内存占用过多），然后需要考虑进程间通信或线程间资源调度的情况，提升程序复杂性。

此时可考虑使用Linux C提供的IO多路复用技术，即select/poll/epoll。IO多路复用可实现单进程(线程)处理多并发量的业务场景，且不会占用太高的系统资源（类似于一个熟练工，工作效率等价于多个普通工人），且其是单进程(线程)的，可以不用考虑并发编程的各种问题（通信、资源调度、锁等等）（当然，可以使用多进程(线程)+IO多路复用），可以说是服务端网络编程的优先选项。

当然，IO压力大或系统资源耗尽的情况，只能考虑扩容、集群、分布式等其他方向的知识了。

本文代码仅考虑select模型，poll与epoll可自行学习。

原理

可借助Linux C提供的select( 内核 )函数，实现一个进程监听多个IO事件( 网络连接、读、写等 )，以实现单进程网络服务程序，可同时处理多个客户端的IO事件的目的。

原理是，服务程序把每个客户端连接放到一个集合中(Socket连接集合)，每次有事件发生，即遍历该集合，以确定如何做出应对。

其中：

• fd_set为Socket连接(fd)集合；
• FD_ZERO用于清空集合
• FD_SET用于把指定fd放入集合中；
• FD_ISSET用于判断某fd是否存在于集合中；
• FD_CLR用于把指定fd移出集合；

代码

• 服务端(server.c)

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/select.h>

int main()
{
  // create socket
  int listenFd;
  if ((listenFd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1)
  {
    perror("socket");
    return -1;
  }

  // bind
  struct sockaddr_in serverAddr;
  memset(&serverAddr, 0, sizeof(serverAddr));
  serverAddr.sin_family = AF_INET;
  serverAddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
  serverAddr.sin_port = htons(9999);
  if (bind(listenFd, (struct sockaddr *)&serverAddr, sizeof(serverAddr)) != 0)
  {
    perror("bind");
    return -1;
  }

  // listen
  if (listen(listenFd, 5) != 0)
  {
    perror("listen");
    return -1;
  }
  printf("server start running...\n");

  // select init
  fd_set fdSet;
  FD_ZERO(&fdSet);
  FD_SET(listenFd, &fdSet);
  int maxFd = listenFd; //记录fdSet中最大值

  // select run
  while (1)
  {
    fd_set tmpFdSet = fdSet; //原因：调用select函数后，fdSet内容更新

    // select
    int retSelect = select(maxFd + 1, &tmpFdSet, NULL, NULL, NULL);
    if (retSelect < 0)
    {
      printf("select() failed...\n");
      perror("select");
      break;
    }

    // timeout
    if (retSelect == 0)
    {
      printf("select() timeout...\n");
      continue;
    }

    // check all client socket event
    for (int eventFd = 0; eventFd <= maxFd; eventFd++)
    {
      // check if eventFd in fd_set
      if (FD_ISSET(eventFd, &tmpFdSet) <= 0)
        continue;

      // new client connect event
      if (eventFd == listenFd)
      {
        struct sockaddr_in clientAddr;
        socklen_t clientAddrLen = sizeof(clientAddr);
        int clientSockFd = accept(listenFd, (struct sockaddr *)&clientAddr, &clientAddrLen);
        if (clientSockFd < 0)
        {
          printf("accept() failed...\n");
          continue;
        }

        printf("client(socketFd=%d) connect ...", clientSockFd);

        // add new client fd in fdSet
        FD_SET(clientSockFd, &fdSet);
        if (maxFd < clientSockFd)
          maxFd = clientSockFd;
      }
      // read or disconnect event
      else
      {
        char buffer[1024];
        memset(buffer, 0, sizeof(buffer));

        // read data from client
        ssize_t retRead = read(eventFd, buffer, sizeof(buffer));

        // error or disconnect
        if (retRead <= 0)
        {
          printf("client(socketFd=%d) disconnect...\n", eventFd);
          close(eventFd);
          FD_CLR(eventFd, &fdSet); // attention: update fdSet

          // update maxFd
          if (maxFd == eventFd)
          {
            for (int n = maxFd; n > 0; n--)
            {
              if (FD_ISSET(n, &fdSet))
              {
                maxFd = n;
                break;
              }
            }
          }
        }
        else
        {
          // print receive data
          printf("recv(clientSockFd=%d, dataSize=%ld): %s\n", eventFd, retRead, buffer);

          // send same data to client
          write(eventFd, buffer, strlen(buffer));
        }
      }
    }
  }

  return 0;
}

• 客户端(client.c)

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>

int main()
{
  // new socket
  int sockFd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
  if (sockFd < 0)
  {
    perror("socket");
    return -1;
  }

  // connect
  struct sockaddr_in serverAddr;
  memset(&serverAddr, 0, sizeof(serverAddr));
  serverAddr.sin_family = AF_INET;
  serverAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
  serverAddr.sin_port = htons(9999);
  if (connect(sockFd, (struct sockaddr *)&serverAddr, sizeof(serverAddr)) != 0)
  {
    printf("connect(127.0.0.1:9999) failed...\n");
    close(sockFd);
    return -1;
  }
  printf("connect success...\n");

  // send and recv data
  char buffer[1024];
  for (int n = 0; n <= 10; n++)
  {
    memset(buffer, 0, sizeof(buffer));
    sprintf(buffer, "%02d--%s", n, "hahahahahaha");
    if (write(sockFd, buffer, strlen(buffer)) <= 0)
    {
      printf("write() failed...\n");
      close(sockFd);
      return -1;
    }

    memset(buffer, 0, sizeof(buffer));
    if (read(sockFd, buffer, sizeof(buffer)) <= 0)
    {
      printf("read() failed...\n");
      close(sockFd);
      return -1;
    }

    printf("recv from server:%s\n", buffer);
  }

  close(sockFd);
  return 0;
}