12.2 基于 I/O 多路复用的并发编程

假设要求你编写一个 echo 服务器，它也能对用户从标准输入键入的交互命令做出响应。在这种情况下，服务器必须响应两个互相独立的 I/O 事件：1）网络客户端发起连接请求，2）用户在键盘上键入命令行。我们先等待哪个事件呢？没有哪个选择是理想的。如果在 accept 中等待一个连接请求，我们就不能响应输入的命令。类似地，如果在 read 中等待一个输入命令，我们就不能响应任何连接请求。

针对这种困境的一个解决办法就是 I/O 多路复用（I/O multiplexing）技术。基本的思路就是使用 select 函数，要求内核挂起进程，只有在一个或多个 I/O 事件发生后，才将控制返回给应用程序，就像在下面的示例中一样：

当集合 {0, 4} 中任意描述符准备好读时返回。
当集合 {1, 2, 7} 中任意描述符准备好写时返回。
如果在等待一个 I/O 事件发生时过了 152.13 秒，就超时。

select 是一个复杂的函数，有许多不同的使用场景。我们将只讨论第一种场景：等待一组描述符准备好读。全面的讨论请参考 [62, 110]。

#include <sys/select.h>

int select(int n, fd_set *fdset, NULL, NULL, NULL);

返回已准备好的描述符的非零的个数，若出错则为 -1。

FD_ZERO(fd_set *fdset);            /* Clear all bits in fdset */
FD_CLR(int fd, fd_set *fdset);     /* Clear bit fd in fdset */
FD_SET(int fd, fd_set *fdset);     /* Turn on bit fd in fdset */
FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset);   /* Is bit fd in fdset on? */

处理描述符集合的宏。

select 函数处理类型为 fd_set 的集合，也叫做描述符集合。逻辑上，我们将描述符集合看成一个大小为 n 的位向量（在 2.1 节中介绍过）：

b_n-1, …, b₁, b₀

每个位 b_k 对应于描述符 k。当且仅当 b_k=1，描述符 k 才表明是描述符集合的一个元素。只允许你对描述符集合做三件事：1）分配它们，2）将一个此种类型的变量赋值给另一个变量，3）用 FD_ZERO、FD_SET、FD_CLR 和 FD_ISSET 宏来修改和检查它们。

针对我们的目的，select 函数有两个输入：一个称为读集合的描述符集合（fdset）和该读集合的基数（n）（实际上是任何描述符集合的最大基数）。select 函数会一直阻塞，直到读集合中至少有一个描述符准备好可以读。当且仅当一个从该描述符读取一个字节的请求不会阻塞时，描述符 k 就表示准备好可以读了。select 有一个副作用，它修改参数 fdset 指向的 fd_set，指明读集合的一个子集，称为准备好集合（ready set），这个集合是由读集合中准备好可以读了的描述符组成的。该函数返回的值指明了准备好集合的基数。注意，由于这个副作用，我们必须在每次调用 select 时都更新读集合。

理解 select 的最好办法是研究一个具体例子。图 12-6 展示了可以如何利用 select 来实现一个迭代 echo 服务器，它也可以接受标准输入上的用户命令。一开始，我们用图 11-19 中的 open_listenfd 函数打开一个监听描述符（第 16 行），然后使用 FD_ZERO 创建一个空的读集合（第 18 行）：

                    listenfd                 stdin
                       3       2       1       0
read_set (∅):       [ 0 ]   [ 0 ]   [ 0 ]   [ 0 ]

接下来，在第 19 和 20 行中，我们定义由描述符 0（标准输入）和描述符 3（监听描述符）组成的读集合：

                    listenfd                 stdin
                       3       2       1       0
read_set ({0, 3}):  [ 1 ]   [ 0 ]   [ 0 ]   [ 1 ]

在这里，我们开始典型的服务器循环。但是我们不调用 accept 函数来等待一个连接请求，而是调用 select 函数，这个函数会一直阻塞，直到监听描述符或者标准输入准备好可以读（第 24 行）。例如，下面是当用户按回车键，因此使得标准输入描述符变为可读时，select 会返回的 ready_set 的值：

                    listenfd                 stdin
                       3       2       1       0
ready_set ({0}):    [ 0 ]   [ 0 ]   [ 0 ]   [ 1 ]

一旦 select 返回，我们就用 FD_ISSET 宏指令来确定哪个描述符准备好可以读了。如果是标准输入准备好了（第 25 行），我们就调用 command 函数，该函数在返回到主程序前，会读、解析和响应命令。如果是监听描述符准备好了（第 27 行），我们就调用 accept 来得到一个已连接描述符，然后调用图 11-22 中的 echo 函数，它会将来自客户端的每一行又回送回去，直到客户端关闭这个连接中它的那一端。

虽然这个程序是使用 select 的一个很好示例，但是它仍然留下了一些问题待解决。问题是一旦它连接到某个客户端，就会连续回送输入行，直到客户端关闭这个连接中它的那一端。因此，如果键入一个命令到标准输入，你将不会得到响应，直到服务器和客户端之间结束。一个更好的方法是更细粒度的多路复用，服务器每次循环（至多）回送一个文本行。

code/conc/select.c

#include "csapp.h"
void echo(int connfd);
void command(void);

int main(int argc, char **argv)
{
    int listenfd, connfd;
    socklen_t clientlen;
    struct sockaddr_storage clientaddr;
    fd_set read_set, ready_set;

    if (argc != 2) {
        fprintf(stderr, "usage: %s <port>\n", argv[0]);
        exit(0);
    }

    listenfd = Open_listenfd(argv[1]);

    FD_ZERO(&read_set);                /* Clear read set */
    FD_SET(STDIN_FILENO, &read_set);   /* Add stdin to read set */
    FD_SET(listenfd, &read_set);       /* Add listenfd to read set */

    while (1) {
        ready_set = read_set;
        Select(listenfd+1, &ready_set, NULL, NULL, NULL);
        if (FD_ISSET(STDIN_FILENO, &ready_set))
            command(); /* Read command line from stdin */
        if (FD_ISSET(listenfd, &ready_set)) {
            clientlen = sizeof(struct sockaddr_storage);
            connfd = Accept(listenfd, (SA *)&clientaddr, &clientlen);
            echo(connfd); /* Echo client input until EOF */
            Close(connfd);
        }
    }
}

void command(void) {
    char buf[MAXLINE];

    if (!Fgets(buf, MAXLINE, stdin))
        exit(0); /* EOF */
    printf("%s", buf); /* Process the input command */
}

图 12-6 使用 I/O 多路复用的迭代 echo 服务器。服务器使用 select 等待监听描述符上的连接请求和标准输入上的命令

练习题 12.3 在 Linux 系统里，在标准输入上键入 Ctrl+D 表示 EOF。图 12-6 中的程序阻塞在对 select 的调用上时，如果你键入 Ctrl+D 会发生什么？