I/O多路复用

在没有多路复用时，如果我们调用fgets等待标准输入，就没有办法在套接字有数据的时候读出数据；如果调用read等待套接字数据返回，就没有办法在标准输入有数据的情况下，读入数据。

而I/O多路复用，就是把上述的标准输入、套接字等都看作是I/O 的一路，在任何一路I/O有事件发生的情况下，可以通知应用程序进行处理。注意：在检测到I/O事件发生之前，仍然是阻塞的，只是可以在一处阻塞点同时检测来自多个I/O的事件。

通过调用select函数，通知内核挂起进程，当一个或多个I/O事件发生后，控制权会返回给应用程序，由应用程序进行I/O事件的处理。

I/O事件的类型有很多，比如：

标准输入文件描述符准备好可以读。
监听套接字准备好，新的连接已经建立成功。
已连接套接字准备好可以写。
如果一个 I/O 事件等待超过了 10 秒，发生了超时事件。

很多情况下需要使用I/O复用技术：

客户端程序要同时处理多个socket（比如非阻塞connect）
客户端程序同时处理用户输入和网络连接（比如上述的例子）
服务器程序要同时处理监听socket和连接socket（I/O复用使用最多的场合）
服务器程序要同时处理TCP请求和UDP请求
服务器程序要同时监听多个端口，或者处理多种服务。

注意：I/O复用虽然能够同时监听多个文件描述符，但它本身是阻塞的。并且当多个文件描述符同时就绪时，如果不采取额外的措施，程序就只能按顺序依次处理其中的每一个文件描述符，这使得服务器程序看起来像串行工作的。如果要实现并发，只能使用多进程或多线程等编程手段。

Linux下实现I/O多路复用的系统调用主要有select、poll和epoll。

select函数

函数原型

 #include <sys/select.h>
 int select(int nfds, fd_set* readfds, fd_set* writefds, fd_set* exceptfds, struct timeval* timeout);

参数

nfds：指定被监听的文件描述符的总数。它通常被设置为select监听的所有文件描述符中的最大值+1，因为文件描述符是从0开始计数的。（如果没有这个参数的话，为了找到所有被设置的文件描述符就需要遍历整个fd_set中的数组，通过这个参数可以缩小遍历的范围，提高效率）

readfds，writefds，exceptfds：分别指向可读、可写、异常等事件对应的文件描述符集合。这三个参数分别通知内核，在哪些描述符上检测数据可以读，可以写和有异常发生。通过这三个参数去传入自己感兴趣的文件描述符，select调用返回时，内核将修改它们来通知应用程序哪些文件描述符已经就绪（将就绪的文件描述符所对应的位设置为1）。

三个文件描述符集合中的每一个都可以设置为空，这样就表示内核不需要进行相关的检测。

timeout：用来设置select函数的超时时间。如果给timeval结构体的成员都传递0，那么select将立即返回，如果给timeout传递NULL，则select将一直阻塞，直到某个文件描述符就绪。

返回值

成功时返回就绪（可读、可写和异常）文件描述符的总数。如果在超时时间内没有任何文件描述符就绪，select将返回0。select失败时返回-1，并设置errno。

fd_set结构体

fd_set结构体中包含一个整型数组，该数组的每个元素的每一位（bit）标记一个文件描述符。比如：一个32位的整型数可以表示32个文件描述符，如果数组中含有50个元素，那么一共可以包含的文件描述符为 32*50。在数组中第一个整型数可以表示0-31文件描述符，第二个整型数可以表示32-63文件描述符，以此类推。

设置文件描述符集合

 #include <sys/select.h>
 FD_ZERO (fd_set* fdset); /* 清除fdset的所有位 */
 FD_SET (int fd, fd_set* fdset); /* 设置fdset的位fd */
 FD_CLR (int fd, fd_set* fdset); /* 清除fdset的位fd */
 int FD_ISSET (int fd, fd_set* fdset); /* 测试fdset的位fd是否被设置 */

可以这样理解：FD_SET就是将fd对应的位设置成1，FD_CLR就是将fd对应的位设置成0。其中1表示需要处理，0表示不需要处理。通过FD_ISSET进行检测，判断fd对应的位是0还是1。（在select调用完成之后，内核会修改描述符集合，通过修改完的描述符集合来和应用程序交互，只有那些事件准备就绪的描述符对应位为1，其他的为0，然后通过FD_ISSET进行检测）

由于内核会修改描述符集合，所以应该设置两个fd_set，一个用来保存感兴趣的文件描述符集合A，一个（B）用来作为参数传给select，以便修改，然后在每次循环调用select之前，用之前保存的集合A，来对准备传入的集合B，进行初始化。（或者每次调用select之前，重新FD_SET）

文件描述符就绪条件

使用select时，必须清楚哪些情况下文件描述符被认为是可读、可写或者出现异常的。

socket可读：

socket内核接收缓冲区中的字节数大于或等于其低水位标记 SO_RCVLOWAT 。此时我们可以无阻塞地读该socket，并且读操作返回的字节数大于0。
socket通信的对方关闭连接，即对方发送了FIN，此时使用read函数执行读操作，不会被阻塞，会直接返回0。
监听socket上，有已经完成的连接建立，此时调用accept函数不会阻塞，直接返回已经完成的连接。
socket上有错误待处理，此时对于此socket调用read执行读操作，不会阻塞，直接返回-1。

综上，内核通知我们socket可读时，执行读操作不会阻塞。

socket可写：

socket内核发送缓冲区中的可用字节数大于或等于其低水位标记 SO_SNDLOWAT，此时我们可以无阻塞地写该socket，并且写操作返回地字节数大于0。
socket的写操作被关闭。对写操作被关闭的socket执行写操作将触发一个SIGPIPE信号。
socket上有错误待处理，使用write函数执行写操作，不阻塞，且返回-1
socket使用非阻塞connect连接成功或者失败（超时）之后

综上，内核通知我们socket可写时，执行写操作不会阻塞。

网络编程学习15--I/O多路复用（select）