LinuxIO OperatingSystem

【Linux】I/O 轮询技术 - select

Posted by 西维蜀黍 on 2021-09-29, Last Modified on 2025-04-23

select

select是基于I/O多路复用模型。select 可以让内核在"多个 fd 对应的I/O操作中任何一个“就绪"（指数据已经被拷贝到kernel space）或"经过指定时间后"，唤醒（wake）并通知用户线程（在唤醒之前，用户线程因为被阻塞而处于sleep状态）。比如：

  • 当1、4或5中任何一个 fd 的状态为可读时
  • 或当4、7中任何一个 fd 的状态为可写时
  • 或当6、8中任何一个 fd 的处理过程中抛出异常时
  • 或经过10.2秒后

注意，select仅仅负责轮询工作：

  • 在调用select()之前，需要调用read()以发起一个读取I/O操作（此后才需要轮询操作）；
  • 在调用select()之后，需要再次调用read()以将数据从内核空间读取到用户空间，并最终将数据返回给用户线程

#include <sys/select.h>

int select (int n,
			fd_set *readfds, 
            fd_set *writefds, 
            fd_set *exceptfds, 
            struct timeval *timeout);

FD_CLR(int fd, fd_set *set); 
FD_ISSET(int fd, fd_set *set); 
FD_SET(int fd, fd_set *set); 
FD_ZERO(fd_set *set);

n是一个int类型，为值最大的 fd 的数值。比如我想监控1、3、8、10这四个 fd ，则n为10。

总结

  • 它是在read的基础上改进的一种方案，通过对 fd 上的事件状态来进行判断；
  • 以同步的方式实现了I/O多路复用；
  • 调用select()时，需要指定三组期望被观察的 fd 集合（readfds、writefds和exceptfds）。

解释

  • 期望被观察的 fd 分为三组，对于readfds，被包含在readfds集合中 fd 会被内核观察，当任何一个 fd 的状态变化为数据可读时，select()函数被返回；类似地，对于writefds，当这个集合中任何一个 fd 的状态变化为数据可写时，select()函数被返回；对于exceptfds，当其中的任何一个 fd 的处理抛出异常时；
  • 当select()函数被返回时，三组 fd 集合会被修改，即**只包含那些对应数据已经准备完成的 fd **。比如，readfds fd 集合中包含7和9两个 fd ，当select()函数被返回时，只有 fd 7包含在新的readfds fd 集合中（因为，此时只有 fd 7对应的I/O操作完成了，即数据可用）。
  • select()会返回在三组期望被观察的 fd 集合（readfds、writefds和exceptfds）中，已经准备就绪的 fd 的数量的总和。如果发生错误，则返回-1。
  • 在select()中，如果仅仅检测一个值为900的 fd 时，内核需要从0开始扫描各个 fd ，直到第900个（在调用select()时，需要传入值最大的 fd 的数字）

更多细节请查询《Linux System Programming Talking Directly to the Kernel and C Library》P53。

Select 的缺点

  1. 每次调用 select，都需要把待监听的 fd 集合从用户态拷贝到内核态，这个开销在 fd 很多时会非常大
  2. 每次调用select时 kernel 都需要线性扫描整个 fd_set，所以随着监控的描述符 fd 数量增长，其 I/O 性能会线性下降

poll 的实现和 select 非常相似，只是描述 fd 集合的方式不同，poll 使用 pollfd 结构而不是 select 的 fd_set 结构，poll 解决了最大文件描述符数量限制的问题，但是同样需要从用户态拷贝所有的 fd 到内核态，也需要线性遍历所有的 fd 集合，所以它和 select 只是实现细节上的区分，并没有本质上的区别。

Reference

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