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🔥個人專欄：Linux—登神長階

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一、前言：🔥 I/O 多路轉接

💻 $?多路I/O轉接服務器?$（或稱為多任務I/O服務器）是一種高效管理多個I/O操作的技術，允許單線程或單進程同時監控和處理多個I/O事件（如網絡套接字、文件描述符等）

• 核心思想：利用操作系統提供的多路I/O轉接機制（如 select、poll、epoll 等），由內核幫助應用程序高效地監視多個文件描述符（包括網絡連接、管道、文件等）的狀態變化，而不是讓應用程序自己輪詢每個連接的狀態
• 核心目標：用最小資源開銷實現高并發I/O處理，尤其適用于需要同時處理大量連接的場景（如Web服務器、實時通信系統等）
• 這種方式能夠顯著提高服務器的性能和可擴展性，尤其是在處理大量并發連接時

為什么需要I/O多路轉接？

傳統阻塞I/O模型中，每個I/O操作會阻塞線程直至完成。若需處理多個連接，通常需為每個連接分配獨立線程/進程，導致資源消耗大、上下文切換頻繁。
而I/O多路轉接通過單線程監控多個I/O流，僅在I/O就緒時觸發操作，避免了阻塞和資源浪費。

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二、I/O 多路轉接之 select

1. 初識 select

💻 系統提供 $?select?$ 函數來實現多路復用 輸入 / 輸出 模型.

• select 系統調用是用來讓我們的程序監視多個文件描述符的狀態變化的;
• 程序會停在 select 這里等待， 直到被監視的文件描述符有一個或多個發生了狀態改變;

核心原理

• select 是一種 同步I/O多路復用 機制，允許程序在一個線程中監聽多個文件描述符（如套接字、文件等）的可讀、可寫或異常事件。
• 其核心是通過 **輪詢（polling）**檢查文件描述符狀態，并阻塞等待直到至少一個描述符就緒或超時。

2. select 函數原型

💤 select 的函數原型如下:

#include <sys/select.h>int select(int nfds,               // 監控的最大文件描述符值 +1fd_set *readfds,         // 監聽可讀事件的描述符集合fd_set *writefds,        // 監聽可寫事件的描述符集合fd_set *exceptfds,       // 監聽異常事件的描述符集合struct timeval *timeout  // 超時時間（NULL為無限等待）
);// 操作fd_set的宏：
FD_ZERO(fd_set *set);        // 清空集合
FD_SET(int fd, fd_set *set); // 添加描述符到集合
FD_ISSET(int fd, fd_set *set); // 檢查描述符是否在集合中
FD_CLR(int fd, fd_set *set); // 從集合移除描述符

📚 參數解釋:

• nfds 是需要監視的最大的文件描述符值 +1
• rdset, wrset, exset 分別對應于需要檢測的可讀文件描述符的集合 ， 可寫文件描述符的集合 及 異常文件描述符的集合
• timeout 為 結構體 timeval， 用來設置 select() 的等待時間

/* A time value that is accurate to the nearestmicrosecond but also has a range of years.  */
struct timeval
{__time_t tv_sec;        /* Seconds.  */__suseconds_t tv_usec;    /* Microseconds.  */
};

📚 參數 timeout 取值:

• NULL： 則表示 select() 沒有 timeout， select 將一直被阻塞， 直到某個文件描述符上發生了事件

• 0： 僅檢測描述符集合的狀態， 然后立即返回， 并不等待外部事件的發生（非阻塞）

• 特定的時間值： struct timeval timeout = {10, 0} ： 如果在指定的時間段里沒有事件發生，select 將超時返回

2.1 關于 fd_set 結構

typedef long int __fd_mask;/* It's easier to assume 8-bit bytes than to get CHAR_BIT. */
#define __NFDBITS (8 * (int) sizeof (__fd_mask))
#define __FDELT(d) ((d) / __NFDBITS)
#define __FDMASK(d) ((__fd_mask) 1 << ((d) % __NFDBITS))/* fd_set for select and pselect. */
typedef struct{/* XPG4.2 requires this member name. Otherwise avoid the namefrom the global namespace. */
#ifdef __USE_XOPEN__fd_mask fds_bits[__FD_SETSIZE / __NFDBITS];
# define __FDS_BITS(set) ((set)->fds_bits)
#else__fd_mask __fds_bits[__FD_SETSIZE / __NFDBITS];
# define __FDS_BITS(set) ((set)->__fds_bits)
#endif} fd_set;/* Maximum number of file descriptors in `fd_set'. */
#define FD_SETSIZE __FD_SETSIZE   //__FD_SETSIZE等于1024/* Access macros for `fd_set'.  */
#define FD_SET(fd, fdsetp)      __FD_SET (fd, fdsetp)
#define FD_CLR(fd, fdsetp)      __FD_CLR (fd, fdsetp)
#define FD_ISSET(fd, fdsetp)    __FD_ISSET (fd, fdsetp)
#define FD_ZERO(fdsetp)         __FD_ZERO (fdsetp)

• 其實這個結構就是一個 整數數組，更嚴格的說, 是一個 “位圖” . 使用位圖中對應的位來表示要監視的文件描述符.
  • 一個long int類型的數組。因為每一位可以代表一個文件描述符。所以fd_set最多表示1024個文件描述符！
• 提供了一組操作 fd_set 的接口, 來比較方便的操作位圖

void FD_CLR(int fd, fd_set *set);     // 用來清除描述詞組 set 中相關 fd 的位
int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set); // 用來測試描述詞組 set 中相關 fd 的位是否為真
void FD_SET(int fd, fd_set *set);     // 用來設置描述詞組 set 中相關 fd 的位
void FD_ZERO(fd_set *set);             // 用來清除描述詞組 set 的全部位

2.2 函數返回值

• 執行成功則返回 文件描述符狀態已改變的個數
• 如果返回 0 代表在描述符狀態改變前已超過 timeout 時間
• 當有錯誤發生時則返回-1， 錯誤原因存于 errno， 此時參數 readfds， writefds， exceptfds 和 timeout 的值變成不可預測

🙅 錯誤值可能為：

• EBADF： 文件描述詞為無效的或該文件已關閉
• EINTR ：此調用被信號所中斷
• EINVAL： 參數 n 為負值
• ENOMEM： 核心內存不足

3. 理解 select 執行過程

🦈 理解 select 模型的關鍵在于理解 fd_set, 為說明方便， 取 fd_set 長度為 1 字節， fd_set 中的每一 bit 可以對應一個文件描述符 fd_set。 則 1 字節長的 fd_set 最大可以對應 8 個 fd.

• 執行 fd_set ; FD_ZERO(&set); 則 set 用位表示是 0000,0000
• 若 fd＝ 5，執行 FD_SET(fd,&set)； 后 set 變為 0001,0000(第 5 位置為 1)
• 若再加入 fd＝ 2， fd=1,則 set 變為 0001,0011
• 執行 select(6,&set,0,0,0) 阻塞等待
• select 返回， 此時 set 變為 0000,0011。 注意： 沒有事件發生的 fd=5 被清空

3.1 socket 就緒條件

讀就緒

• socket 內核中, 接收緩沖區中的字節數, 大于等于低水位標記 SO_RCVLOWAT. 此時可以無阻塞的讀該文件描述符, 并且返回值大于 0;
• socket TCP 通信中, 對端關閉連接, 此時對該 socket 讀, 則返回 0;
• 監聽的 socket 上有新的連接請求;
• socket 上有未處理的錯誤;

寫就緒

• socket 內核中, 發送緩沖區中的可用字節數(發送緩沖區的空閑位置大小), 大于等于低水位標記 SO_SNDLOWAT, 此時可以無阻塞的寫, 并且返回值大于 0;
• socket 的寫操作被關閉(close 或者 shutdown). 對一個寫操作被關閉的 socket 進行寫操作, 會觸發 SIGPIPE 信號;
• socket 使用非阻塞 connect 連接成功或失敗之后;
• socket 上有未讀取的錯誤;

異常就緒(選學)

• socket 上收到帶外數據. 關于帶外數據, 和 TCP 緊急模式相關(回憶 TCP 協議頭中, 有一個緊急指針的字段), 自己收集相關資料

3.2 select 的特點

• 可監控的文件描述符個數取決于 sizeof(fd_set) 的值. 我這邊服務器上 sizeof(fd_set)＝ 512， 每 bit 表示一個文件描述符， 則我服務器上支持的最大文件描述符是 512*8=4096.
• I將 fd 加入 select 監控集的同時， 還要再使用一個數據結構 array 保存放到 select 監控集中的 fd，
  1. 用于再 select 返回后， array 作為源數據和 fd_set 進行 FD_ISSET 判斷**
  2. select 返回后會把以前加入的但并無事件發生的 fd 清空， 則每次開始 select 前都要重新從 array 取得 fd 逐一加入(FD_ZERO 最先)， 掃描 array 的同時 取得 fd 最大值 maxfd， 用于 select 的第一個參數

備注: fd_set 的大小可以調整， 可能涉及到重新編譯內核.

3.3 select 優缺點

優點	缺點
跨平臺支持（所有UNIX/Linux系統）	文件描述符數量受限（默認1024，由FD_SETSIZE定義）
簡單易用，適合少量并發場景	線性掃描，時間復雜度O(n)（效率隨描述符數量下降）
超時機制靈活	每次調用需重置fd_set（額外內存拷貝開銷）

• 每次調用 select：都需要手動設置 fd 集合（從用戶態拷貝到內核態）, 從接口使用角度來說也非常不便，而且 這個開銷在 fd 很多時會很大
• 同時每次調用 select 都需要在內核遍歷傳遞進來的所有 fd， 這個開銷在 fd 很多時也很大

3.4 注意事項

1. 描述符上限：通過 FD_SETSIZE 宏定義（通常1024），需重新編譯內核修改。
2. 性能問題：當監控數千描述符時，select 的輪詢效率遠低于 epoll 或 kqueue。
3. 水平觸發：select 是水平觸發模式，若未處理就緒事件，會持續通知。
4. 非阻塞I/O：結合非阻塞socket可避免單次read/write阻塞整個程序。

4. 代碼示例

示例一：檢測標準輸入輸出

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/select.h>int main()
{fd_set read_fds;FD_ZERO(&read_fds); // 清空FD_SET(0, &read_fds);while(true){printf("> ");fflush(stdout);int ret = select(1, &read_fds, NULL, NULL, NULL);if(ret < 0){perror("Select");continue;}if(FD_ISSET(0, &read_fds)){char buf[1024] = {0};read(0, buf, sizeof(buf) - 1);printf("Input: %s", buf);}else{printf("Error! Invalid fd\n");continue;}FD_ZERO(&read_fds);FD_SET(0, &read_fds);}return 0;
}

• 當只檢測文件描述符 0（標準輸入）時，因為輸入條件只有在你有輸入信息的時候才成立，所以如果一直不輸入，就會產生超時信息

示例二：TCP 服務器使用 select 處理多客戶端

#include <iostream>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/select.h>
#include <cstring>#define MAX_CLIENTS 10
#define BUFFER_SIZE 1024int main() {int server_fd, new_socket;struct sockaddr_in address;int opt = 1;int addrlen = sizeof(address);char buffer[BUFFER_SIZE] = {0};// 創建TCP socketif ((server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == 0) {perror("socket failed");exit(EXIT_FAILURE);}// 設置socket選項（允許地址重用）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(8080);// 綁定socket到端口if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address)) < 0) {perror("bind failed");exit(EXIT_FAILURE);}// 開始監聽if (listen(server_fd, 3) < 0) {perror("listen");exit(EXIT_FAILURE);}fd_set readfds;  // 描述符集合int client_sockets[MAX_CLIENTS] = {0}; // 客戶端socket數組int max_sd;while (true) {FD_ZERO(&readfds);           // 清空集合FD_SET(server_fd, &readfds); // 添加服務器socket到監聽集合max_sd = server_fd;// 添加所有客戶端socket到集合for (int i = 0; i < MAX_CLIENTS; i++) {int sd = client_sockets[i];if (sd > 0) {FD_SET(sd, &readfds);if (sd > max_sd) max_sd = sd;}}// 調用select，阻塞等待事件int activity = select(max_sd + 1, &readfds, NULL, NULL, NULL);if ((activity < 0) && (errno != EINTR)) {perror("select error");}// 檢查服務器socket是否有新連接if (FD_ISSET(server_fd, &readfds)) {if ((new_socket = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&address, (socklen_t*)&addrlen)) < 0) {perror("accept");exit(EXIT_FAILURE);}// 將新客戶端socket加入數組for (int i = 0; i < MAX_CLIENTS; i++) {if (client_sockets[i] == 0) {client_sockets[i] = new_socket;std::cout << "New client connected, socket fd: " << new_socket << std::endl;break;}}}// 處理客戶端數據for (int i = 0; i < MAX_CLIENTS; i++) {int sd = client_sockets[i];if (FD_ISSET(sd, &readfds)) {int valread = read(sd, buffer, BUFFER_SIZE);if (valread == 0) {  // 客戶端斷開連接getpeername(sd, (struct sockaddr*)&address, (socklen_t*)&addrlen);std::cout << "Client disconnected" << std::endl;close(sd);client_sockets[i] = 0;  // 清除socket} else {  // 處理數據buffer[valread] = '\0';std::cout << "Received: " << buffer << std::endl;send(sd, buffer, strlen(buffer), 0); // 回顯數據}}}}return 0;
}

1. 初始化服務器
   • 創建TCP socket，綁定端口并開始監聽。
   • 設置 SO_REUSEADDR 允許地址重用（避免端口占用）。
2. select 監聽流程
   • 使用 fd_set 管理需要監聽的描述符集合。
   • 每次循環重新初始化集合，添加服務器socket和所有客戶端socket。
   • 調用 select 阻塞等待事件，返回就緒的描述符數量。
3. 處理新連接
   • 當服務器socket就緒（FD_ISSET），調用 accept 接受新連接。
   • 將新客戶端socket存入數組。
4. 處理客戶端數據
   • 遍歷所有客戶端socket，檢查是否有數據可讀。
   • 若 read 返回0，表示客戶端斷開連接，關閉socket并清理數組。
   • 否則回顯接收到的數據。

5. 使用場景

• 需要兼容多平臺的輕量級應用。
• 并發連接數較少（如<1000）。
• 超時機制需要精細控制的場景（如同時等待I/O和定時任務）

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三、后言

【★,°:.☆(￣▽￣)/$:.°★ 】那么本篇到此就結束啦，如果有不懂 和 發現問題的小伙伴可以在評論區說出來哦，同時我還會繼續更新關于【Linux】的內容，比如：多路轉接之 epoll、poll 模型，請持續關注我 ！！