?????????Socket 是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧暴露給編程人員的 API，相比復(fù)雜的計算機網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，API 對關(guān)鍵操作和配置數(shù)據(jù)進(jìn)行了抽象，簡化了程序編程。

? ? ? ? 本文講述的 socket 內(nèi)容源自 Linux man。本文主要對各 API 進(jìn)行詳細(xì)介紹，從而更好的理解 socket 編程。

select

遵循 POSIX.1 - 2008

1.庫

標(biāo)準(zhǔn) c 庫，libc, -lc

2.頭文件

<sys/select.h>

3.接口定義

int select(int nfds, fd_set *_Nullable restrict readfds,
                  fd_set *_Nullable restrict writefds,
                  fd_set *_Nullable restrict exceptfds,
                  struct timeval *_Nullable restrict timeout);

4.接口描述

? ? ? ? 首先，我們需要注意 select 只能監(jiān)聽少于?FD_SETSIZE(1024)? 個文件描述符，這在現(xiàn)在看來是非常不合理的，如果想不受這個限制，需要使用 poll 或者 epool。

? ? ? ? select 可以同時監(jiān)聽多個文件描述符，只要有一個文件描述符有操作需求時即返回。文件描述符有操作需求指的是可以馬上進(jìn)行相關(guān)的 I/O 操作，比如 read 或者少量的寫操作。

? ? fd_set

? ? ? ? 一個表示一組文件描述符的結(jié)構(gòu)體，根據(jù) POSIX 要求，結(jié)構(gòu)中最大文件描述符數(shù)量為 FD_SETSIZE。

? ? File descriptor set

? ? ? ? select() 接口重要的參數(shù)是 3 個文件描述符集合（以 fd_set 類型聲明），這允許調(diào)用者在指定的文件描述符集合上等待 3 種類型的事件。每個 fd_set 參數(shù)都可以是 NULL，只要沒有文件描述符集需要監(jiān)聽對應(yīng)的事件。

? ? ? ? 值得注意的是，一旦接口返回，每個文件描述符集都被更新，來指示哪些文件描述符就緒了。因此，如果在一個循環(huán)中使用 select()，集合必須每次調(diào)用前重新初始化。

? ? ? ? 文件描述符集的內(nèi)容可以使用以下宏來操作：

????????FD_ZERO()

? ? ? ? 這個宏用來清除集合中的所有文件描述符，是初始化文件描述符集的第一步。

? ? ? ? FD_SET()

? ? ? ? 這個宏用來向集合中添加文件描述符，如果文件描述符已經(jīng)存在，那么也不會報錯，只是不進(jìn)行任何操作。

? ? ? ? FD_CLR()

? ? ? ? 這個宏用來從集合中移除指定文件描述符，如果文件描述符不存在，則不進(jìn)行任何操作。

? ? ? ? FD_ISSET()

? ? ? ? select() 根據(jù)如下規(guī)則更新集合內(nèi)容：select() 調(diào)用結(jié)束后，F(xiàn)D_ISSET() 宏用來檢測指定文件描述符是否還位于集合中，如果存在則返回非 0 值，否則返回 0。

5.參數(shù)

（1）readfds

? ? ? ? 這個集合中的文件描述符用來監(jiān)測其是否已經(jīng)讀就緒。一個文件描述讀就緒指的是讀操作不會阻塞，特別的是，EOF 也算是讀就緒。

? ? ? ? select() 函數(shù)返回后，readfds 中只會保留讀就緒的文件描述符，其他都會被刪除。

（2）writefds

????????這個集合中的文件描述符用來監(jiān)測其是否已經(jīng)寫就緒。一個文件描述寫就緒指的是寫操作不會阻塞。不過即使一個文件描述符已經(jīng)寫就緒，但是大塊的寫操作可能也會阻塞。

? ? ? ? select() 函數(shù)返回后，writefds 中只會保留寫就緒的文件描述符，其他都會被刪除。

（3）eceptfds

? ? ? ? 這個集合中的文件描述符用來監(jiān)測其異常情況，一些異常情況的示例，在 poll() 的 POLLPRI 中會有討論。

? ? ? ? select() 返回后，exceptfds 中只保留發(fā)生異常情況的文件描述符。

（4）nfds

? ? ? ? 這個參數(shù)應(yīng)該被設(shè)置為 3 個集合中文件描述符的最大值加 1。

（5）timeout

? ? ? ? timeout 是一個 timeval 的結(jié)構(gòu)，指定了 select() 等待文件描述符就緒的時間，這個接口會一直阻塞直到以下事件發(fā)生：

• 文件描述符就緒
• 調(diào)用被信號處理打斷
• timeout 超時

? ? ? ? 值得注意的是，timeout 值會向上（rounded up）近似到系統(tǒng)時鐘粒度，另外由于系統(tǒng)調(diào)度延遲，可能會導(dǎo)致阻塞間隔比 timeout 稍微大一些。

? ? ? ? 如果 timeout 的兩個成員都為 0，那么 select 會立即返回（通常用于輪詢）。

? ? ? ? 如果 timeout 是 NULL，select 會無限期等待直到有文件描述符就緒。

6.pselect()

? ? ? ? pselect() 系統(tǒng)調(diào)用能夠允許應(yīng)用更安全的等待文件描述符就緒或者信號發(fā)生。

? ? ? ? 它和 select() 是一樣的，除了以下幾個地方：

• select() 使用 timeval 結(jié)構(gòu)的 timeout，而 pselect() 使用 timespec 結(jié)構(gòu) 的timeout
• select() 可能會更新 timeout 參數(shù)來指示還有多少剩余時間，而 pselect() 不會
• select() 沒有信號屏蔽 sigmask 參數(shù)，相當(dāng)于 pselect 的sigmask 參數(shù)為 NULL

? ? ? ? sigmask 是一個指向信號屏蔽的指針。如果它不為空，那么 pselect() 首先會使用它代替當(dāng)前的信號屏蔽，然后在進(jìn)行 select()，最后再恢復(fù)原來的信號屏蔽。如果是 NULL，那么 pselect() 調(diào)用過程并不會改變信號屏蔽值。

? ? ? ? 除了時間精度上的差異，下面兩端代碼等效：

  ready = pselect(nfds, &readfds, &writefds, &exceptfds,
                           timeout, &sigmask);

????????

sigset_t origmask;

pthread_sigmask(SIG_SETMASK, &sigmask, &origmask);
ready = select(nfds, &readfds, &writefds, &exceptfds, timeout);
pthread_sigmask(SIG_SETMASK, &origmask, NULL);

? ? ? ? 設(shè)計 pselect() 的原因是想要等待信號發(fā)生或者文件描述符就緒，那么就需要一個原子測試來解決數(shù)據(jù)競爭問題。比如，一個信號處理函數(shù)設(shè)置了一個標(biāo)志并返回，如果信號剛好在測試的附近到達(dá)導(dǎo)致數(shù)據(jù)競爭時， select() 后面測試這個標(biāo)志有可能無限期卡住。而 pselect() 允許先屏蔽信號，處理已經(jīng)發(fā)生的信號，然后使用指定 sigmask 來調(diào)用 pselect() ，避免了數(shù)據(jù)競爭。

????????timeout

? ? ? ? select() 的 timeout 結(jié)構(gòu)體定義如下：

           struct timeval {
               time_t      tv_sec;         /* seconds */
               suseconds_t tv_usec;        /* microseconds */
           };

? ? ? ? pselect() 對應(yīng)的結(jié)構(gòu)體時 timespec。

Linux 系統(tǒng)上 select() 會修改 timeout 值來反映未睡眠的時間，其他實現(xiàn)不是這么做的。POSIX.1 認(rèn)為任何行為都是合法的。這就會導(dǎo)致 Linux 系統(tǒng)和其他系統(tǒng)之間的移植問題，所以，我們應(yīng)該認(rèn)為 timeout 在 select() 后是未知的值。

7.返回值

? ? ? ? 成功時，select() 和 pselect() 返回三個返回文件描述符集中的文件描述符總數(shù)（也就是 redfds、writefds、exceptfds 的中設(shè)置為 1 位數(shù)）。返回值可以為 0，表示在有文件描述符就緒前 timeout 超時。

? ? ? ? 發(fā)生錯誤時，返回 -1，并設(shè)置errno 來指示錯誤類型。文件描述符集并不會被修改，timeout 值是未定義的。

? ? ? ? 錯誤值定義如下：

在其他 UNIX 系統(tǒng)上，如果系統(tǒng)無法分配內(nèi)核資源，select() 可能會返回 EAGAIN 錯誤而不是 ENOMEM。POSIX 為 poll() 定義了該錯誤，但是并沒有為 select() 定義。考慮到程序的移植性，應(yīng)該檢查 EGAIN 并重新調(diào)用，就行 EINTR 處理一樣。

8.注意

? ? ? ? <sys/time.h> 也提供了 fd_set 的定義，fd_set 是一個固定大小的緩沖區(qū)，執(zhí)行 FD_CLR 和 FD_SET 傳入一個負(fù)值或者大于 FD_SETSIZE 的 fd 會導(dǎo)致不可預(yù)期的結(jié)果。此外，POSIX 要求 fd 是一個可用的文件描述符。

? ? ? ? select() 和 pselect() 操作不受 O_NONBLOCK 標(biāo)志的影響。

? ? ? ? self-pipe 小技巧

? ? ? ? 在沒有 pselect() 實現(xiàn)的系統(tǒng)上，可靠（更具有移植性）的信號捕捉可以通過 self-pipe 小技巧實現(xiàn)。這個技術(shù)在信號處理函數(shù)中向一個 pipe 中寫入 1 字節(jié)，而該 pipe 的另一端由 select() 監(jiān)聽。為了防止?jié)M寫阻塞和空讀阻塞，pipe 的讀寫應(yīng)采用非阻塞 I/O 方式。

? ? ? ? 模擬 usleep

? ? ? ? 在 usleep 出現(xiàn)前，一些代碼使用 select() 來實現(xiàn)一種可移植的亞秒精度延遲，將所有集合設(shè)置為空，nfds 為 0，非空的 timeout值。

? ? ? ? select() 和 poll() 間通知的映射

? ? ? ? 在 linux 代碼樹中，我們可以發(fā)現(xiàn) select() 讀、寫、異常通知和 poll()/epoll() 事件通知之間的聯(lián)系：

           #define POLLIN_SET  (EPOLLRDNORM | EPOLLRDBAND | EPOLLIN |
                                EPOLLHUP | EPOLLERR)
                              /* Ready for reading */
           #define POLLOUT_SET (EPOLLWRBAND | EPOLLWRNORM | EPOLLOUT |
                                EPOLLERR)
                              /* Ready for writing */
           #define POLLEX_SET  (EPOLLPRI)
                              /* Exceptional condition */

? ? ? ? 多線程應(yīng)用

? ? ? ? 如果一個線程通過 select() 監(jiān)聽的文件描述符被另一個現(xiàn)場關(guān)閉，那么結(jié)果是未知的。在一些 UNIX 系統(tǒng)上，select() 會停止阻塞并返回，告知文件描述符就緒（后續(xù)操作會出錯，除非剛好其他線程又打開了文件描述符并且就緒了）。在 Linux 及其他系統(tǒng)上，其他線程關(guān)閉文件描述符對 select() 沒有任何影響。總結(jié)起來，應(yīng)用如果依賴這些具體的行為的話，就會產(chǎn)生 bug。

? ? ? ? C 庫和內(nèi)核的差異

? ? ? ? Linux 內(nèi)核允許文件描述符集是任意大小的，由 nfds 的值來決定具體的大小。而 glibc 將fs_set 類型設(shè)置為固定值。參考 BUGS。

? ? ? ? 我們這里講述的 pselect() 接口是 glibc 實現(xiàn)的，底層系統(tǒng)調(diào)用名字是 pselect6()，系統(tǒng)調(diào)用的行為和 pselect() 有些許不同。

? ? ? ? Linux 的 pselect6() 系統(tǒng)調(diào)用修改 timeout 參數(shù)，然而 glibc 通過本地緩存 timeout 值隱藏了該行為。因此，glibc? pselect6() 沒有修改 timeout 參數(shù)，這也符合 POSIX.1-2001 要求。

????????pselect6() 系統(tǒng)調(diào)用的最后一個參數(shù)不是 sigset_t * 指針類型，而是如下格式：

           struct {
               const kernel_sigset_t *ss;   /* Pointer to signal set */
               size_t ss_len;               /* Size (in bytes) of object
                                               pointed to by 'ss' */
           };

? ? ? ? 這使得系統(tǒng)調(diào)用可以獲取信號集指針及其大小，并考慮到大多數(shù)系統(tǒng)支持最大 6 個系統(tǒng)調(diào)用參數(shù)這個事實。關(guān)于信號處理的差異之處，可以參考 sigprocmask 的討論。

? ? ? ? glibc 歷史細(xì)節(jié)

? ? ? ? gblic 2.0 提供了 pselect() 的錯誤版本，它并沒有 sigmask 參數(shù)。

? ? ? ? glibc 2.1 到 2.2.1，為了獲得 <sys/select.h> 中的 pselect() 聲明，必須定義 _GNU_SOURCE 宏。

9.BUGS

? ? ? ? POSIX 允許實現(xiàn)通過 FD_SETSIZE 來定義文件描述符集中文件描述符的上限，Linux 內(nèi)核并沒有限制，但是 glibc 實現(xiàn)將 fd_set 定為固定長度并將 FD_SETSIZE 設(shè)置為 1024，F(xiàn)D_*() 宏根據(jù)這個限制操作。為了能夠監(jiān)測多余 1023 個文件描述符，可以使用 poll() 或者 epoll。

? ? ? ? fd_set 參數(shù)的輸入輸出屬性是一個錯誤的設(shè)計，已經(jīng)在 poll() 和 epoll() 改正過來。

? ? ? ? 根據(jù) POSIX 要求，select() 應(yīng)該檢查所有集合中的文件描述符不能超過 nfds - 1，但是，當(dāng)前實現(xiàn)會忽略掉那些文件描述符值大于當(dāng)前進(jìn)程打開的最大文件描述符值。根據(jù) POSIX 要求，這些文件描述符會導(dǎo)致 EBADF 錯誤。

? ? ? ? 從 glibc 2.1 開始，glibc 使用 sigprocmask() 和 select() 實現(xiàn)了 pselect() 模擬，這個實現(xiàn)卻遺留了 pselect() 解決的數(shù)據(jù)競爭問題?，F(xiàn)在版本的 glibc 通常使用內(nèi)核提供的不受數(shù)據(jù)競爭影響的 pselect() 系統(tǒng)調(diào)用。

? ? ? ? Linux 上，select（）可能報告 socket 文件描述符讀就緒，但是后續(xù)的讀卻會阻塞，這個常發(fā)生在數(shù)據(jù)已達(dá)到但是數(shù)據(jù)的校驗和不對，數(shù)據(jù)被丟棄。當(dāng)然，也可能是誤報。所以使用 O_NONBLOCK 的 sockets 更安全些。

? ? ? ? Linux 上的 select() 會在被信號打斷的情況下更新 timeout 值，POSIX.1 并不允許這樣做。Linux 的 pselect() 是同樣的行為，但是 glibc 隱藏了這種行為。?

10.代碼實例

       #include <stdio.h>
       #include <stdlib.h>
       #include <sys/select.h>

       int
       main(void)
       {
           int             retval;
           fd_set          rfds;
           struct timeval  tv;

           /* Watch stdin (fd 0) to see when it has input. */

           FD_ZERO(&rfds);
           FD_SET(0, &rfds);

           /* Wait up to five seconds. */

           tv.tv_sec = 5;
           tv.tv_usec = 0;

           retval = select(1, &rfds, NULL, NULL, &tv);
           /* Don't rely on the value of tv now! */

           if (retval == -1)
               perror("select()");
           else if (retval)
               printf("Data is available now.\n");
               /* FD_ISSET(0, &rfds) will be true. */
           else
               printf("No data within five seconds.\n");

           exit(EXIT_SUCCESS);
       }

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