Windows I/O模型之一：Select模型

1.概念理解

       在進行網絡編程時，咱們經常見到同步（Sync）/異步（Async）,阻塞（Block）/非阻塞（Unblock）

四種調用模式：

同步：所謂同步，就是在發出一個功能調用時，在沒有獲得結果前，該調用就不返回。也就是必須一件

一件作事，等前一件作完了才能作另外一件。

例如在C/S模式的某個流程中，你服務器提交了某個請求，在服務器處理完畢返回結果期間客戶端什麼

也不能作。

 

異步：異步概念和同步相對。當一個異步過程調用發出後，調用者不會馬上獲得結果。調用者在發出

調用後能夠繼續作本身的事，被調用者經過狀態、通知來通知調用者，或者經過回調函數處理這個調用。

 

阻塞：阻塞調用是指調用結果返回前，當前線程會被掛起（當前線程處於非可執行狀態，在這個狀態下，

CPU不會給線程分配時間片，即線程暫停運行），函數只有在獲得結果後纔回返回。

 

非阻塞：非阻塞和阻塞的概念相對，是指不能馬上獲得借過前，該函數不會阻塞當前進程，而回馬上返回。

 

區別：有人會把同步和阻塞調用等同起來，實際上他們是不一樣的，對於同步調用來講，不少時候當前調用

仍是激活的，只是從邏輯上當前函數沒有返回而已。阻塞的話當前線程會被掛起。

 

2.Select模型的原理和使用步驟

select(選擇）模型是Winsock中最多見的I/O模型。之因此稱其爲「 select模型」，是因爲它的「中心思想」

即是利用select函數，實現對 I/O的管理！利用select函數，咱們判斷套接字上是否存在數據，或者可否向一

個套接字寫入數據。之因此要設計這個函數，惟一的目的即是防止應用程序在套接字處於鎖定模式中時，在

一次I/O綁定調用（如send或recv）過程當中，被迫進入「鎖定」狀態；同時防止在套接字處於非鎖定模式中時，

產生WSAEWOULDBLOCK錯誤。除非知足事先用參數規定的條件，不然select函數會在進行I/O操做時鎖定。

select的函數原型以下:

int select (
  int nfds,                           
  fd_set FAR * readfds,               
  fd_set FAR * writefds,              
  fd_set FAR * exceptfds,             
  const struct timeval FAR * timeout  
);

其中，第一個參數nfds會被忽略。之因此仍然要提供這個參數，只是爲了保持與早期的Berkeley套接字應用程

序的兼容。你們可注意到三個 fd_set參數：一個用於檢查可讀性（readfds），一個用於檢查可寫性（writefds），

另外一個用於例外數據（ excepfds）。從根本上說，fdset數據類型表明着一系列特定套接字的集合。其中，

readfds集合包括符合下述任何一個條件的套接字：

■ 有數據能夠讀入。
■ 鏈接已經關閉、重設或停止。
■ 假如已調用了listen，並且一個鏈接正在創建，那麼accept函數調用會成功。
writefds集合包括符合下述任何一個條件的套接字：
■ 有數據能夠發出。
■ 若是已完成了對一個非鎖定鏈接調用的處理，鏈接就會成功。
最後，exceptfds集合包括符合下述任何一個條件的套接字：
■ 假如已完成了對一個非鎖定鏈接調用的處理，鏈接嘗試就會失敗。
■ 有帶外（out-of-band，OOB）數據可供讀取。

例如，假定咱們想測試一個套接字是否「可讀」，必須將本身的套接字增添到readfds集合，再等待select函數

完成。select完成以後，必須判斷本身的套接字是否仍爲readfds集合的一部分。若答案是確定的，便代表該套

接字「可讀」，可當即着手從它上面讀取數據。在三個參數中（readfds、writedfss和exceptfds），任何兩個都

能夠是空值（NULL）；可是，至少有一個不能爲空值！在任何不爲空的集合中，必須包含至少一個套接字句柄；

不然， select函數便沒有任何東西能夠等待。最後一個參數timeout對應的是一個指針，它指向一個timeval結構，

用於決定select最多等待 I / O操做完成多久的時間。如 timeout是一個空指針，那麼select調用會無限期地「鎖定」

或停頓下去，直到至少有一個描述符符合指定的條件後結束。對timeval結構的定義以下：

struct timeval {
long tv_sec;
long tv_usec;

} ;

若將超時值設置爲（0,0），代表select會當即返回，容許應用程序對 select操做進行「輪詢」。出於對性能方面

的考慮，應避免這樣的設置。select成功完成後，會在 fd_set結構中，返回恰好有未完成的I/O操做的全部套接字

句柄的總量。若超過timeval設定的時間，便會返回0。無論因爲什麼緣由，假如select調用失敗，都會返回SOCKET_ERROR。

用select對套接字進行監視以前，在本身的應用程序中，必須將套接字句柄分配給一個集合，設置好一個或所有

讀、寫以及例外 fd_set結構。將一個套接字分配給任何一個集合後，再來調用select，即可知道一個套接字上是

否正在發生上述的I/O活動。Winsock提供了下列宏操做，可用來針對I/O活動，對 fd_set進行處理與檢查：

■ FD_CLR(s, *set)：從s e t中刪除套接字 s。
■ FD_ISSET(s, *set)：檢查 s是否s e t集合的一名成員；如答案是確定的是，則返回 T R U E。
■ FD_SET(s, *set)：將套接字 s加入集合 s e t。
■ F D _ Z E R O ( * s e t )：將s e t初始化成空集合。

例如，假定咱們想知道是否可從一個套接字中安全地讀取數據，同時不會陷於無休止的「鎖定」狀態，即可使用

FD_SET宏，將本身的套接字分配給fd_set集合，再來調用select。要想檢測本身的套接字是否仍屬 fd_read集合

的一部分，可以使用FD_ISSET宏。採用下述步驟，即可完成用select操做一個或多個套接字句柄的全過程：

1) 使用FD_ZERO宏，初始化本身感興趣的每個fd_set。
2) 使用FD_SET宏，將套接字句柄分配給本身感興趣的每一個fd_set。
3) 調用select函數，而後等待在指定的fd_set集合中，I/O活動設置好一個或多個套接字句柄。
select完成後，會返回在全部fd_set集合中設置的套接字句柄總數，並對每一個集合進行相應的更新。
4) 根據select的返回值，咱們的應用程序即可判斷出哪些套接字存在着還沒有完成（待決）
的I/O操做—具體的方法是使用FD_ISSET宏，對每一個fd_set集合進行檢查。
5) 知道了每一個集合中「待決」的I/O操做以後，對I/O進行處理，而後返回步驟 1 )，繼續進
行

select返回後，它會修改每一個fd_set結構，刪除那些不存在待決 I / O操做的套接字句柄。這正是咱們在上述的步

驟 ( 4 )中，爲什麼要使用FD_ISSET宏來判斷一個特定的套接字是否仍在集合中的緣由。

 

3.參考代碼

// Select.cpp : 定義控制檯應用程序的入口點。
//

#include "stdafx.h"
#include <WinSock2.h>
#include <iostream>
using namespace std;

#include <stdio.h>

#pragma comment(lib,"ws2_32.lib")

#define PORT 8000
#define MSGSIZE 255
#define SRV_IP "127.0.0.1"

int g_nSockConn = 0;//請求鏈接的數目

//FD_SETSIZE是在winsocket2.h頭文件裏定義的，這裏windows默認最大爲64
//在包含winsocket2.h頭文件前使用宏定義能夠修改這個值

struct ClientInfo
{
    SOCKET sockClient;
    SOCKADDR_IN addrClient;
};

ClientInfo g_Client[FD_SETSIZE];

DWORD WINAPI WorkThread(LPVOID lpParameter);

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{//基本步驟就不解釋了，網絡編程基礎那篇博客裏講的很詳細了
    WSADATA wsaData;
    WSAStartup(MAKEWORD(2,2),&wsaData);

    SOCKET sockListen = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,IPPROTO_TCP);

    SOCKADDR_IN addrSrv;
    addrSrv.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr(SRV_IP);
    addrSrv.sin_family = AF_INET;
    addrSrv.sin_port = htons(PORT);

    bind(sockListen,(SOCKADDR*)&addrSrv,sizeof(SOCKADDR));

    listen(sockListen,64);

    DWORD dwThreadIDRecv = 0;
    DWORD dwThreadIDWrite = 0;

    HANDLE hand = CreateThread(NULL,0, WorkThread,NULL,0,&dwThreadIDRecv);//用來處理手法消息的進程
    if (hand == NULL)
    {
        cout<<"Create work thread failed\n";
        getchar();
        return -1;
    }

    SOCKET sockClient;
    SOCKADDR_IN addrClient;
    int nLenAddrClient = sizeof(SOCKADDR);//這裏用0初試化找了半天才找出錯誤

    while (true)
    {
        sockClient = accept(sockListen,(SOCKADDR*)&addrClient,&nLenAddrClient);//第三個參數必定要按照addrClient大小初始化
        //輸出鏈接者的地址信息
        //cout<<inet_ntoa(addrClient.sin_addr)<<":"<<ntohs(addrClient.sin_port)<<"has connect !"<<endl;

        if (sockClient != INVALID_SOCKET)
        {
            g_Client[g_nSockConn].addrClient = addrClient;//保存鏈接端地址信息
            g_Client[g_nSockConn].sockClient = sockClient;//加入鏈接者隊列
            g_nSockConn++;
        }

    }

    closesocket(sockListen);
    WSACleanup();

    return 0;
}

DWORD WINAPI WorkThread(LPVOID lpParameter)
{
    FD_SET fdRead;
    int nRet = 0;//記錄發送或者接受的字節數
    TIMEVAL tv;//設置超時等待時間
    tv.tv_sec = 1;
    tv.tv_usec = 0;
    char buf[MSGSIZE] = "";

    while (true)
    {
        FD_ZERO(&fdRead);
        for (int i = 0;i < g_nSockConn;i++)
        {
            FD_SET(g_Client[i].sockClient,&fdRead);
        }

        //只處理read事件，不事後面仍是會有讀寫消息發送的
        nRet = select(0,&fdRead,NULL,NULL,&tv);

        if (nRet == 0)
        {//沒有鏈接或者沒有讀事件
            continue;
        }

        for (int i = 0;i < g_nSockConn;i++)
        {
            if (FD_ISSET(g_Client[i].sockClient,&fdRead))
            {
                nRet = recv(g_Client[i].sockClient,buf,sizeof(buf),0);

                if (nRet == 0 || (nRet == SOCKET_ERROR && WSAGetLastError() == WSAECONNRESET))
                {
                    cout<<"Client "<<inet_ntoa(g_Client[i].addrClient.sin_addr)<<"closed"<<endl;
                    closesocket(g_Client[i].sockClient);

                    if (i < g_nSockConn-1)
                    {
                        //將失效的sockClient剔除，用數組的最後一個補上去
                        g_Client[i--].sockClient = g_Client[--g_nSockConn].sockClient;
                    }
                }
                else
                {
                    cout<<inet_ntoa(g_Client[i].addrClient.sin_addr)<<": "<<endl;
                    cout<<buf<<endl;
                    cout<<"Server:"<<endl;
                    //gets(buf);
                    strcpy(buf,"Hello!");
                    nRet = send(g_Client[i].sockClient,buf,strlen(buf)+1,0);
                }
            }
        }
    }
    return 0;
}

 

服務器的主要步驟：

1.建立監聽套接字，綁定，監聽

2.建立工做者線程

3.建立一個套接字組，用來存放當前全部活動的客戶端套接字，沒accept一個鏈接就更新一次數組

4.接收客戶端的鏈接，由於沒有從新定義FD_SIZE宏，服務器最多支持64個併發鏈接。最好是記錄下鏈接數，不要無條件的接受鏈接

 

工做線程

工做線程是一個死循環，依次循環完成的動做是：

1.將當前客戶端套接字加入到fd_read集中

2.調用select函數

3.用FD_ISSET查看時候套接字還在讀集中，若是是就接收數據。若是接收的數據長度爲0,或者發生WSAECONNRESET錯誤，，則

   表示客戶端套接字主動關閉，咱們要釋放這個套接字資源，調整咱們的套接字數組（讓下一個補上）。上面還有個nRet==0的判斷，

   就是由於select函數會當即返回，鏈接數爲0會陷入死循環。