【高性能服务器】select模型
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IO多路复用就是复用一个线程,从原先一个客户端需要一个线程去调用recv询问内核数据是否已经就绪,那么多个客户端就需要多个线程,转变成现在多个客户端都用一个线程使用select/poll去统一管理,主动通知用户哪些数据已经就绪(read,write,accept等事件),所以复用了这个线程,减少了系统开销。
在客户端增加时,线程不会呈O(n)增加。
关于recv和accept工作流程
accpet通过服务端文件描述符监听socket事件,当监听到READ_EVENT事件时,说明有其他网络端向此socket发送数据,触发socket读事件(三次握手中客户端会发送数据),建立TCP连接。
recv通过客户端文件描述符监听socket事件,当监听到READ_EVENT事件,处理事件,将数据读取到用户缓冲区buffer
通过IO复用,实现监听到socket事件就绪后,直接调用accpet或recv即可,直接完成TCP连接或者数据读取,两个函数不会阻塞。
可以实现单进程一对多效果,但是没有使用并发技术
处理的业务复杂度不能过高,要在极短的时间内处理若干任务,投入二次监听
IO多路复用第一版select
实现原理
select 实现多路复用的方式是,将已连接的 Socket 都放到一个监听集合,然后调用 select 函数将文件描述符集合拷贝到内核里,让内核来检查是否有网络事件产生,就是通过遍历监听集合的方式进行检查。
当检查到有事件产生后,将此 Socket 标记为可读或可写, 接着再把整个文件描述符集合拷贝回用户态里,然后用户态还需要再通过遍历的方法找到可读或可写的 Socket,然后再对其处理。
所以,对于 select 这种方式,需要进行 2 次「遍历」文件描述符集合,一次是在内核态里,一个次是在用户态里 ,而且还会发生 2 次「拷贝」文件描述符集合,先从用户空间传入内核空间,由内核修改后,再传出到用户空间中。
select 使用固定长度的 BitsMap,表示文监听集合,而且所支持的文件描述符的个数是有限制的,在 Linux 系统中,由内核中的 FD_SETSIZE 限制, 默认最大值为 1024,最多只能监听1021个用户socket,因为0、1、2是标准文件描述符。
监听集合中对应的socket位码是1,表示监听次socket,为0表示不监听
在select这种I/O多路复用机制下,我们需要把想监控的文件描述集合通过函数参数的形式告诉select,然后select会将这些文件描述符集合拷贝到内核中,我们知道数据拷贝是有性能损耗的,因此为了减少这种数据拷贝带来的性能损耗,Linux内核对集合的大小做了限制,并规定用户监控的文件描述集合不能超过1024个,同时当select返回后我们仅仅能知道有些文件描述符可以读写了,但是我们不知道是哪一个,因此必须再遍历一边找到具体是哪个文件描述符可以读写了。
实现流程
核心接口
void FD_ZERO(fd_set *fdset) 初始化监听集合为0
void FD_SET(int fd,fd_set *fdset) 对set集合中fd对应位码设置为1
void FD_CLR(int fd,fd_set *fdset) 对set集合中fd对应位码设置为0
int bitcode=void FD_ISSET(int fd,fd_set *fdset) 查看fd在监听集合中是1还是0,并直接返回
int ready=select(int nfds, fd_set* readset, fd_set* writeset, fd_set* exeptset,struct timeval* timeout);
nfds表示被select管理的描述符个数。值为最大描述符+1.不是描述符最大值
readset、writeset、exeptset可读事件集合、可写事件集合、异常事件集合。这三者都可以填null
timeout超时时间有三种含义: 阻塞(null)、正常超时、非阻塞(0)
使用服务器测试业务:
客户端向标准输入发送小写字符串,服务端响应回复对应大写字符,"abcAS"->"ABCAS"
客户端向服务端发送关键字localtime,服务端响应回复系统时间、
代码实现
MySock.h
#ifndef _MYSOCK_H_ #define _MYSOCK_H_ #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include int SOCKET(int domain, int type, int protocol); int BIND(int sockfd, struct sockaddr* addr, socklen_t addrlen); ssize_t RECV(int sockfd, void* buf, size_t len, int flags); ssize_t SEND(int sockfd, void* buf, size_t len, int flags); int CONNECT(int sockfd, struct sockaddr* addr, socklen_t addrlen); int ACCEPT(int sockfd, struct sockaddr* addr, socklen_t* addrlen); int LISTEN(int sockfd, int backlog); char* FGETS(char* s, int size, FILE* stream); int SELECT(int nfds, fd_set* readfds, fd_set* writefds, fd_set* exceptfds, struct timeval* timeout); int socket_init(); int return_response(int clientfd, const char* clientip); //void strDeal(int *client_fd); // 全局变量声明 char recv_buf[1024]; char time_buf[64]; int serverFd, clientFd; struct sockaddr_in clientAddr; fd_set set, oset; int client_array[1020]; int maxfd, ready; socklen_t addrlen; char clientip[16]; time_t tp; ssize_t recvlen; int toupper_flag; #define SHUTDOWN 1 #endif
MySock.c
#include "MySock.h" int SOCKET(int domain, int type, int protocol) { int reval = socket(domain, type, protocol); if (reval == -1) { perror("socket call failed"); exit(0); } return reval; } int BIND(int sockfd, struct sockaddr* addr, socklen_t addrlen) { int reval = bind(sockfd, addr, addrlen); if (reval == -1) { perror("bind call failed"); exit(0); } return reval; } ssize_t RECV(int sockfd, void* buf, size_t len, int flags) { ssize_t reval; reval = recv(sockfd, buf, len, flags); return reval; } ssize_t SEND(int sockfd, void* buf, size_t len, int flags) { ssize_t reval; reval = send(sockfd, buf, len, flags); if (reval == -1) perror("send call failed"); return reval; } int CONNECT(int sockfd, struct sockaddr* addr, socklen_t addrlen) { int reval = connect(sockfd, addr, addrlen); if (reval == -1) { perror("connect call failed"); exit(0); } return reval; } int ACCEPT(int sockfd, struct sockaddr* addr, socklen_t* addrlen) { int reval = accept(sockfd, addr, addrlen); if (reval == -1) { perror("accept call failed"); exit(0); } return reval; } int LISTEN(int sockfd, int backlog) { int reval = listen(sockfd, backlog); if (reval == -1) { perror("listen call failed"); exit(0); } return reval; } char* FGETS(char* s, int size, FILE* stream) { char* str; if ((str = fgets(s, size, stream)) != NULL) { return str; } else { perror("fgets call failed"); exit(0); } } int SELECT(int nfds, fd_set* readfds, fd_set* writefds, fd_set* exceptfds, struct timeval* timeout) { int reval = select(nfds, readfds, writefds, exceptfds, timeout); if (reval == -1) { perror("select call failed"); exit(0); } return reval; } int socket_init() { struct sockaddr_in sockAddr; sockAddr.sin_family = AF_INET; sockAddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); sockAddr.sin_port = htons(8080); int sock_fd = SOCKET(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); BIND(sock_fd, (struct sockaddr*)&sockAddr, sizeof(sockAddr)); LISTEN(sock_fd, 5); return sock_fd; } int return_response(int clientfd, const char* clientip) { char response[1024]; bzero(response, sizeof(response)); sprintf(response, "Hi [%s],This is TCP Server Working...\n", clientip); SEND(clientfd, response, sizeof(response), 0); }
SelectServer.c
#include "MySock.h" int main() { bzero(recv_buf, sizeof(recv_buf)); bzero(time_buf, sizeof(time_buf)); bzero(clientip,sizeof(clientip)); serverFd = socket_init(); FD_SET(serverFd, &set); // 设置监听 int i; for (i = 0; i 0) { // 处理客户端业务 printf("Client Say:%s\n", recv_buf); if (strcmp(recv_buf, "localtime") == 0) { tp = time(NULL); // 获取时间种子 ctime_r(&tp, time_buf); time_buf[strcspn(time_buf, "\n")] = '\0'; printf("[%s]Response SysTime Successfully!\n", clientip); SEND(client_array[i], time_buf, strlen(time_buf) + 1, 0); bzero(time_buf, sizeof(time_buf)); } else { toupper_flag = 0; while (recvlen > toupper_flag) { recv_buf[toupper_flag] = toupper(recv_buf[toupper_flag]); ++toupper_flag; } printf("[%s]Response Toupper Successfully!\n", clientip); SEND(client_array[i], recv_buf, recvlen, 0); bzero(recv_buf, sizeof(recv_buf)); } } else if (recvlen == 0) { FD_CLR(client_array[i], &set); // 删除监听 close(client_array[i]); client_array[i] = -1; printf("Client is Exiting, Delete Listen Item.\n"); } FD_CLR(client_array[i],&oset);//处理完毕,清理就绪集合 break; } } } ready--; } } printf("Server is Over\n"); close(serverFd); return 0; }
Client.c
#include "MySock.c" //客户端源码编写,连接服务器成功,服务器反馈信息 #define _IP "xxx.xxx.xxx.xxx" #define _PORT 8080 int main() { struct sockaddr_in ServerAddr; bzero(&ServerAddr,sizeof(ServerAddr)); ServerAddr.sin_family=AF_INET; ServerAddr.sin_port=htons(_PORT); inet_pton(AF_INET,_IP,&ServerAddr.sin_addr.s_addr); int Myfd=SOCKET(AF_INET,SOCK_STREAM,0); //看需求决定是否要绑定 char Response[1024];//存放服务端反馈信息 ssize_t recvlen; bzero(Response,sizeof(Response)); char sendbuf[1024]; if((CONNECT(Myfd,(struct sockaddr *)&ServerAddr,sizeof(ServerAddr)))==0) { while(1) { if((recvlen=RECV(Myfd,Response,sizeof(Response),0))>0) { printf("%s\n",Response); } printf("Please Type Some text:");//读取标准输入发送给服务端 FGETS(sendbuf,sizeof(sendbuf),stdin); sendbuf[strcspn(sendbuf,"\n")]='\0'; SEND(Myfd,sendbuf,sizeof(sendbuf),0); } } close(Myfd); printf("Client is Over\n"); return 0; }
运行结果
select模型使用一个进程实现对多个客户端的统一管理
select模式优缺点
优点
1.可以通过简单的代码实现一对多效果, 比较轻量
2.select模型拥有较强的兼容性,各个平台和语言都有实现
3.支持微秒级别的定时阻塞监听,如果对时间精度有需求,select可以满足
4.较为适合监听数量较小(局域网)等场景
缺点
1.监听数量较小,最大只能监听1024,无法满足 高并发需求
2.轮询问题, 随着轮询数量的增长,IO处理性能呈线性下降
3.用户需要对传出传出监听集合进行分离设置
4.select只返回就绪的数量,没有反馈就绪的socket,需要用户自行遍历查找,开销较大
5.select可以监听的事件数量较少,select设置监听是批处理以集合为单位的无法对不同的socket 设置不同的事件监听
6.select多轮使用会出现大量重复的拷贝开销和挂载监听开销