socket编程之select()

Select在Socket编程中还是比较重要的，它能够监视我们需要监视的文件描述符的变化情况——读写或是异常。 
Select的函数格式(Unix系统下的伯克利socket编程，和windows下的略有区别，体现两个方面：一是select函数的第一个参数，在windows下可以忽略，但在linux下必须设为最大文件描述符加1；二是结构fd_set在两个系统里定义不一样)：

int select(int maxfdp,fd_set *readfds,fd_set *writefds,fd_set *errorfds,struct timeval *timeout);

/*参数列表
int maxfdp是一个整数值，是指集合中所有文件描述符的范围，即所有文件描述符的最大值加1，不能错！在Windows中这个参数的值无所谓，可以设置不正确。
　　
fd_set *readfds是指向fd_set结构的指针，这个集合中应该包括文件描述符，我们是要监视这些文件描述符的读变化的，即我们关心是否可以从这些文件中读取数据了，如果这个集合中有一个文件可读，select就会返回一个大于0的值，表示有文件可读，如果没有可读的文件，则根据timeout参数再判断是否超时，若超出timeout的时间，select返回0，若发生错误返回负值。可以传入NULL值，表示不关心任何文件的读变化。
　　
fd_set *writefds是指向fd_set结构的指针，这个集合中应该包括文件描述符，我们是要监视这些文件描述符的写变化的，即我们关心是否可以向这些文件中写入数据了，如果这个集合中有一个文件可写，select就会返回一个大于0的值，表示有文件可写，如果没有可写的文件，则根据timeout参数再判断是否超时，若超出timeout的时间，select返回0，若发生错误返回负值。可以传入NULL值，表示不关心任何文件的写变化。
　　
fd_set *errorfds同上面两个参数的意图，用来监视文件错误异常。
　　
struct timeval* timeout是select的超时时间，这个参数至关重要，它可以使select处于三种状态：
第一，若将NULL以形参传入，即不传入时间结构，就是将select置于阻塞状态，一定等到监视文件描述符集合中某个文件描述符发生变化为止；
第二，若将时间值设为0秒0毫秒，就变成一个纯粹的非阻塞函数，不管文件描述符是否有变化，都立刻返回继续执行，文件无变化返回0，有变化返回一个正值；
第三，timeout的值大于0，这就是等待的超时时间，即 select在timeout时间内阻塞，超时时间之内有事件到来就返回了，否则在超时后不管怎样一定返回，返回值同上述。
*/

/*
返回值： 

负值：select错误

正值：某些文件可读写或出错

0：等待超时，没有可读写或错误的文件
*/

说明两个结构体：

　　第一，struct fd_set可以理解为一个集合，这个集合中存放的是文件描述符(file descriptor)，即文件句柄，这可以是我们所说的普通意义的文件，当然Unix下任何设备、管道、FIFO等都是文件形式，全部包括在内，所以毫无疑问一个socket就是一个文件，socket句柄就是一个文件描述符。fd_set集合可以通过一些宏由人为来操作，比如清空集合 FD_ZERO(fd_set *)，将一个给定的文件描述符加入集合之中FD_SET(int ,fd_set *)，将一个给定的文件描述符从集合中删除FD_CLR(int ,fd_set*)，检查集合中指定的文件描述符是否可以读写FD_ISSET(int ,fd_set* )。一会儿举例说明。 
　　第二，struct timeval是一个大家常用的结构，用来代表时间值，有两个成员，一个是秒数，另一个是毫秒数。

　　在有了select后可以写出像样的网络程序来！举个简单的例子，就是从网络上接受数据写入一个文件中。

#ifndef _SOCKET_THREAD_SERVER_H_
#define _SOCKET_THREAD_SERVER_H_

#include <iostream>
#include <windows.h>
#include <winsock.h>
#pragma comment(lib,"wsock32.lib")

#define PORT       4111
#define MSGSIZE     1024
int     g_iTotalConn = 0;
SOCKET g_CliSocketArr[FD_SETSIZE];
DWORD WINAPI WorkerThread(LPVOID lpParameter);

int main()
{
    WSADATA     wsaData;
    SOCKET       sListen, sClient;
    SOCKADDR_IN local, client;
    int         iaddrSize = sizeof(SOCKADDR_IN);
    DWORD       dwThreadId;
    // Initialize Windows socket library
    WSAStartup(0x0202, &wsaData);
    // Create listening socket
    //sListen = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
    sListen = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sListen == INVALID_SOCKET)
    {
        std::cout << "socket() Fail!" << std::endl;
        WSACleanup();
        return 0;
    }

    // Bind
    //local.sin_addr.S_un.S_addr = htonl(INADDR_ANY);
    local.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    local.sin_family = AF_INET;
    local.sin_port = htons(PORT);
    if(bind(sListen, (struct sockaddr *)&local, sizeof(SOCKADDR_IN))<0)
    {
        std::cout << "Bind Fail!" << std::endl;
        closesocket(sListen);
        WSACleanup();
        return 0;
    }
    //Listen
    if (listen(sListen, 3) == -1)
    {
        std::cout << "listen Fail!" << std::endl;
        closesocket(sListen);
        WSACleanup();
        return 0;
    }

    // Create worker thread
    CreateThread(NULL, 0, WorkerThread, NULL, 0, &dwThreadId);
    while (TRUE)
    {               // Accept a connection
        if ((sClient = accept(sListen, (struct sockaddr *)&client, &iaddrSize)) == SOCKET_ERROR)
        {
            //std::cout << "accept Fail!" << std::endl;
            continue;
        }

        printf("Accepted client:%s:%d\n", inet_ntoa(client.sin_addr), ntohs(client.sin_port));
        // Add socket to g_CliSocketArr
        if (g_iTotalConn < FD_SETSIZE)
        {
            g_CliSocketArr[g_iTotalConn++] = sClient;
        }
    }
    return 0;
}

DWORD WINAPI WorkerThread(LPVOID lpParam)
{
    int             i;
    fd_set         fdread;
    int             ret;
    struct timeval tv = { 1, 0 };
    char           szMessage[MSGSIZE];
    while (TRUE)
    {
        FD_ZERO(&fdread);
        for (i = 0; i < g_iTotalConn; i++)
        {
            FD_SET(g_CliSocketArr[i], &fdread);
        }                     // We only care read event
        ret = select(0, &fdread, NULL, NULL, &tv);

        if (ret == 0)
        {       // Time expired
            continue;
        }

        for (i = 0; i < g_iTotalConn; i++)
        {
            if (FD_ISSET(g_CliSocketArr[i], &fdread))
            {         // A read event happened on g_CliSocketArr
                ret = recv(g_CliSocketArr[i], szMessage, MSGSIZE, 0);
                if (ret == 0 || (ret == SOCKET_ERROR && WSAGetLastError() == WSAECONNRESET))
                {
                    // Client socket closed
                    printf("Client socket %d closed.\n", g_CliSocketArr[i]);
                    closesocket(g_CliSocketArr[i]);
                    //将数组中最后一个套接字挪到当前的位置上
                    if (i < g_iTotalConn - 1)
                    {
                        g_CliSocketArr[i--] = g_CliSocketArr[--g_iTotalConn];
                    }
                    else
                    {
                        g_CliSocketArr[i] = 0;
                        --g_iTotalConn;
                    }
                }
                else
                {
                    // We received a message from client
                    szMessage[ret] = ‘\0‘;
                    printf("Client say %s", szMessage);
                    send(g_CliSocketArr[i], szMessage, strlen(szMessage), 0);
                }
            } //if
        }//for
    }//while
    return 0;
}

#endif

服务器的几个主要动作如下： 
     1.创建监听套接字，绑定，监听； 
     2.创建工作者线程； 
     3.创建一个套接字数组，用来存放当前所有活动的客户端套接字，每accept一个连接就更新一次数组； 
     4.接受客户端的连接。 
     这里有一点需要注意的，就是我没有重新定义FD_SETSIZE宏，所以服务器最多支持的并发连接数为64。而且，这里决不能无条件的accept,服务器应该根据当前的连接数来决定是否接受来自某个客户端的连接。一种比较好的实现方案就是采用WSAAccept函数，而且让WSAAccept回调自己实现的Condition Function。

如下所示：

int CALLBACK ConditionFunc(LPWSABUF lpCallerId,LPWSABUF lpCallerData, LPQOS lpSQOS,LPQOS lpGQOS,LPWSABUF lpCalleeId, LPWSABUF lpCalleeData,GROUP FAR *
g,DWORD dwCallbackData)
{
　　if (当前连接数 < FD_SETSIZE)
　　　　return CF_ACCEPT;
　　else
　　　　return CF_REJECT;
}

工作者线程里面是一个死循环，一次循环完成的动作是： 
     1.将当前所有的客户端套接字加入到读集fdread中； 
     2.调用select函数； 
     3.查看某个套接字是否仍然处于读集中，如果是，则接收数据。如果接收的数据长度为0，或者发生WSAECONNRESET错误，则表示客户端套接字主动关闭，这时需要将服务器中对应的套接字所绑定的资源释放掉，然后调整我们的套接字数组（将数组中最后一个套接字挪到当前的位置上）。 
     除了需要有条件接受客户端的连接外，还需要在连接数为0的情形下做特殊处理，因为如果读集中没有任何套接字，select函数会立刻返回，这将导致工作者线程成为一个毫无停顿的死循环，CPU的占用率马上达到100%。 
     关系到套接字列表的操作都需要使用循环,在轮询的时候,需要遍历一次,再新的一轮开始时,将列表加入队列又需要遍历一次.也就是说,Select在工作一次时,需要至少遍历2次列表,这是它效率较低的原因之一. 
     在大规模的网络连接方面,还是推荐使用IOCP或EPOLL模型.但是Select模型可以使用在诸如对战类游戏上,比如类似星际这种,因为它小巧易于实现,且对战类游戏的网络连接量并不大. 对于Select模型想要突破Windows 64个限制的话,可以采取分段轮询,一次轮询64个.例如套接字列表为128个,在第一次轮询时,将前64个放入队列中用Select进行状态查询, 待本次操作全部结束后.将后64个再加入轮询队列中进行轮询处理.这样处理需要在非阻塞式下工作.以此类推,Select也能支持无限多个。