## 第 12 章 I/O 复用

本章代码，在[TCP-IP-NetworkNote](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote)中可以找到。

### 12.1 基于 I/O 复用的服务器端

#### 12.1.1 多进程服务端的缺点和解决方法

为了构建并发服务器，只要有客户端连接请求就会创建新进程。这的确是实际操作中采用的一种方案，但并非十全十美，因为创建进程要付出很大的代价。这需要大量的运算和内存空间，由于每个进程都具有独立的内存空间，所以相互间的数据交换也要采用相对复杂的方法（IPC 属于相对复杂的通信方法）

I/O 复用技术可以解决这个问题。

#### 12.1.2 理解复用

「复用」在电子及通信工程领域很常见，向这些领域的专家询问其概念，可能会得到如下答复：

> 在 1 个通信频道中传递多个数据（信号）的技术

「复用」的含义：

> 为了提高物理设备的效率，只用最少的物理要素传递最多数据时使用的技术

上述两种方法的内容完全一致。可以用纸电话模型做一个类比：

![](images/kA8H81.png)

上图是一个纸杯电话系统，为了使得三人同时通话，说话时要同时对着两个纸杯，接听时也需要耳朵同时对准两个纸杯。为了完成 3 人通话，可以进行如下图的改进：

![](images/kA8bgx.png)

如图做出改进，就是引入了复用技术。

复用技术的优点：

- 减少连线长度
- 减少纸杯个数

即使减少了连线和纸杯的量仍然可以进行三人同时说话，但是如果碰到以下情况：

> 「好像不能同时说话？」

实际上，因为是在进行对话，所以很少发生同时说话的情况。也就是说，上述系统采用的是**「时分复用」**技术。因为说话人声频率不同，即使在同时说话也能进行一定程度上的区分（杂音也随之增多）。因此，也可以说是「频分复用技术」。

#### 12.1.3 复用技术在服务器端的应用

纸杯电话系统引入复用技术之后可以减少纸杯数量和连线长度。服务器端引入复用技术可以减少所需进程数。下图是多进程服务端的模型：

![](images/kAGBM6.png)

下图是引入复用技术之后的模型：

![](images/kAGrqO.png)

从图上可以看出，引入复用技术之后，可以减少进程数。重要的是，无论连接多少客户端，提供服务的进程只有一个。

### 12.2 理解 select 函数并实现服务端

select 函数是最具代表性的实现复用服务器的方法。在 Windows 平台下也有同名函数，所以具有很好的移植性。

#### 12.2.1 select 函数的功能和调用顺序

使用 select 函数时可以将多个文件描述符集中到一起统一监视，项目如下：

- 是否存在套接字接收数据？
- 无需阻塞传输数据的套接字有哪些？
- 哪些套接字发生了异常？

> 术语：「事件」。当发生监视项对应情况时，称「发生了事件」。

select 函数的使用方法与一般函数的区别并不大，更准确的说，他很难使用。但是为了实现 I/O 复用服务器端，我们应该掌握 select 函数，并运用于套接字编程当中。认为「select 函数是 I/O 复用的全部内容」也并不为过。select 函数的调用过程如下图所示：

![](images/kAtdRs.png)

#### 12.2.2 设置文件描述符

利用 select 函数可以同时监视多个文件描述符。当然，监视文件描述符可以视为监视套接字。此时首先需要将要监视的文件描述符集中在一起。集中时也要按照监视项（接收、传输、异常）进行区分，即按照上述 3 种监视项分成 3 类。

利用 fd_set 数组变量执行此操作，如图所示，该数组是存有0和1的位数组。

![](images/kAt2i4.png)

图中最左端的位表示文件描述符 0（所在位置）。如果该位设置为 1，则表示该文件描述符是监视对象。那么图中哪些文件描述符是监视对象呢？很明显，是描述符 1 和 3。在 fd_set 变量中注册或更改值的操作都由下列宏完成。

- `FD_ZERO(fd_set *fdset)`：将 fd_set 变量所指的位全部初始化成0
- `FD_SET(int fd,fd_set *fdset)`：在参数 fdset 指向的变量中注册文件描述符 fd 的信息
- `FD_CLR(int fd,fd_set *fdset)`：从参数 fdset 指向的变量中清除文件描述符 fd 的信息
- `FD_ISSET(int fd,fd_set *fdset)`：若参数 fdset 指向的变量中包含文件描述符 fd 的信息，则返回「真」

上述函数中，FD_ISSET 用于验证 select 函数的调用结果，通过下图解释这些函数的功能：

![](images/kANR78.png)

#### 12.2.3 设置检查（监视）范围及超时

下面是 select 函数的定义：

```c
#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>

int select(int maxfd, fd_set *readset, fd_set *writeset,
           fd_set *exceptset, const struct timeval *timeout);
/*
成功时返回大于 0 的值，失败时返回 -1
maxfd: 监视对象文件描述符数量
readset: 将所有关注「是否存在待读取数据」的文件描述符注册到 fd_set 型变量，并传递其地址值。
writeset: 将所有关注「是否可传输无阻塞数据」的文件描述符注册到 fd_set 型变量，并传递其地址值。
exceptset: 将所有关注「是否发生异常」的文件描述符注册到 fd_set 型变量，并传递其地址值。
timeout: 调用 select 函数后，为防止陷入无限阻塞的状态，传递超时(time-out)信息
返回值: 发生错误时返回 -1，超时时返回 0。因发生关注的事件返回时，返回大于 0 的值，该值是发生事件的文件描述符数。
*/
```

如上所述，select 函数用来验证 3 种监视的变化情况，根据监视项声明 3 个 fd_set 型变量，分别向其注册文件描述符信息，并把变量的地址值传递到上述函数的第二到第四个参数。但在此之前（调用 select 函数之前）需要决定下面两件事：

1. 文件描述符的监视（检查）范围是？
2. 如何设定 select 函数的超时时间？

第一，文件描述符的监视范围和 select 的第一个参数有关。实际上，select 函数要求通过第一个参数传递监视对象文件描述符的数量。因此，需要得到注册在 fd_set 变量中的文件描述符数。但每次新建文件描述符时，其值就会增加 1 ，故只需将最大的文件描述符值加 1 再传递给 select 函数即可。加 1 是因为文件描述符的值是从 0 开始的。

第二，select 函数的超时时间与 select 函数的最后一个参数有关，其中 timeval 结构体定义如下：

```c
struct timeval
{
    long tv_sec;
    long tv_usec;
};
```

本来 select 函数只有在监视文件描述符发生变化时才返回。如果未发生变化，就会进入阻塞状态。指定超时时间就是为了防止这种情况的发生。通过上述结构体变量，将秒数填入 tv_sec 的成员，将微秒数填入 tv_usec 的成员，然后将结构体的地址值传递到 select 函数的最后一个参数。此时，即使文件描述符未发生变化，只要过了指定时间，也可以从函数中返回。不过这种情况下，select 函数返回 0。因此，可以通过返回值了解原因。如果不想设置超时，则传递 NULL 参数。

#### 12.2.4 调用 select 函数查看结果

select 返回正整数时，怎样获知哪些文件描述符发生了变化？向 select 函数的第二到第四个参数传递的 fd_set 变量中将产生如图所示的变化：

![](images/kA06dx.png)

由图可知，select 函数调用完成后，向其传递的 fd_set 变量将发生变化。原来为 1 的所有位将变成 0，但是发生了变化的文件描述符除外。因此，可以认为值仍为 1 的位置上的文件描述符发生了变化。

#### 12.2.5 select 函数调用示例

下面是一个 select 函数的例子：

- [select.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch12/select.c)

编译运行：

```shell
gcc select.c -o select
./select
```

结果：

![](images/kAjgW6.png)

可以看出，如果运行后在标准输入流输入数据，就会在标准输出流输出数据，但是如果 5 秒没有输入数据，就提示超时。

#### 12.2.6 实现 I/O 复用服务器端

下面通过 select 函数实现 I/O 复用服务器端。下面是基于 I/O 复用的回声服务器端。

- [echo_selectserv.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch12/echo_selectserv.c)

编译运行：

```shell
gcc echo_selectserv.c -o selserv
./selserv 9190
```

结果：

![](images/kEkV8H.png)

从图上可以看出，虽然只用了一个进程，但是却实现了可以和多个客户端进行通信，这都是利用了 select 的特点。

### 12.3 基于 Windows 的实现

暂略

### 12.4 习题

> 以下答案仅代表本人个人观点，可能不是正确答案。

1. **请解释复用技术的通用含义，并说明何为 I/O 复用。**

   答：通用含义：在 1 个通信频道中传递多个数据（信号）的技术。I/O 复用是指进程预先告诉内核需要监视的 I/O 条件，使得内核一旦发现进程指定的一个或多个 I/O 条件就绪（例如套接字变为可读或可写），就通知进程进行处理，从而进程不会在单个 I/O 操作上阻塞。

   参考文章：[Linux网络编程-IO复用技术](https://www.cnblogs.com/luoxn28/p/6220372.html)

2. **多进程并发服务器的缺点有哪些？如何在 I/O 复用服务器中弥补？**

   答：多进程需要进行大量的运算和大量的内存空间。在 I/O 复用服务器中通过 select 函数监视文件描述符，通过判断变化的文件描述符，来得知变化的套接字是哪个，从而实时应答来自多个客户端的请求。

3. **复用服务器端需要 select 函数。下列关于 select 函数使用方法的描述错误的是？**

   答：错误的描述是 2 和 3。说明如下：

   - 描述 1 正确：调用 select 函数前需要集中 I/O 监视对象的文件描述符。
   - 描述 2 错误：**每次调用 select 函数时都需要重新注册监视对象**，因为 select 函数调用后，fd_set 变量会被修改，只保留发生变化的文件描述符位为 1。
   - 描述 3 错误：**复用服务器端可以同时服务于多个客户端**，这正是 I/O 复用的核心优势——通过 select 函数同时监视多个套接字，哪个就绪就处理哪个。
   - 描述 4 正确：与多进程/多线程服务端不同，基于 select 的复用服务器只需要 1 个进程，可以减少因创建多进程产生的服务器端的负担。

4. **select 函数的观察对象中应包含服务端套接字（监听套接字），那么应将其包含到哪一类监听对象集合？请说明原因**。

   答：应该包含到「是否存在待读取数据」（即 readset）集合中。原因是：服务端套接字（监听套接字）的作用是监听客户端的连接请求，当有新的客户端发起连接时，监听套接字变为「可读」状态，此时 accept 函数不会阻塞，可以成功完成连接。因此需要监视监听套接字是否可读，以得知是否有新的连接请求到来。