《UNIX网络编程卷1：套接字联网API》第6章 IO复用：select和poll函数

《UNIX网络编程卷1：套接字联网API》第6章 I/O复用：select和poll函数

6.1 I/O复用的核心价值与适用场景

I/O复用是高并发网络编程的基石，允许单个进程/线程同时监控多个文件描述符（套接字）的状态变化，从而高效处理多个客户端请求。其核心价值在于：

• 资源高效利用：避免为每个连接创建独立线程/进程的内存与调度开销；
• 事件驱动模型：仅在数据可读/可写时触发处理逻辑，减少空转；
• 实时性保障：及时响应多个连接的并发事件。

典型应用场景：

• Web服务器（如Nginx）：处理数千并发HTTP连接；
• 实时通信系统（如IM）：同时管理多个客户端的长连接；
• 嵌入式网关：资源受限设备中处理多路传感器数据。

6.2 select函数深度解析

6.2.1 select函数原型与参数

#include <sys/select.h>

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

参数详解：

1. nfds：需监控的最大文件描述符+1（优化内核遍历效率）；
2. readfds/writefds/exceptfds：分别监控可读、可写、异常事件的文件描述符集合；
3. timeout：超时时间（NULL为阻塞，0为非阻塞，>0为限时等待）。

返回值：

• >0：就绪的文件描述符总数；
• 0：超时无事件；
• -1：错误（如被信号中断）。

6.2.2 文件描述符集合操作宏

void FD_ZERO(fd_set *set);       // 清空集合
void FD_SET(int fd, fd_set *set);// 添加描述符到集合
void FD_CLR(int fd, fd_set *set);// 从集合移除描述符
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set);// 检查描述符是否就绪

6.2.3 select工作流程

1. 初始化集合：使用FD_ZERO和FD_SET设置需监控的描述符；
2. 调用select：阻塞或等待事件发生；
3. 遍历检查：通过FD_ISSET轮询所有描述符，处理就绪事件；
4. 重置集合：select会修改传入的集合，需在每次调用前重新初始化。

代码示例：基于select的TCP服务器框架

fd_set read_set, all_set;
int maxfd = listenfd; // 监听套接字
FD_ZERO(&all_set);
FD_SET(listenfd, &all_set);

for (;;) {
    read_set = all_set; // 每次select调用前重置集合
    int nready = select(maxfd + 1, &read_set, NULL, NULL, NULL);

    if (FD_ISSET(listenfd, &read_set)) { // 新连接到达
        int connfd = Accept(listenfd, NULL, NULL);
        FD_SET(connfd, &all_set);
        maxfd = (connfd > maxfd) ? connfd : maxfd;
    }

    for (int fd = listenfd + 1; fd <= maxfd; fd++) { // 检查客户端连接
        if (FD_ISSET(fd, &read_set)) {
            // 处理客户端请求（如read/write）
        }
    }
}

6.2.4 select的局限性

1. 文件描述符上限：FD_SETSIZE（通常1024）限制最大监控数量；
2. 线性扫描效率低：每次需遍历所有描述符，时间复杂度O(n)；
3. 内核态内存复制：每次调用需将集合从用户态复制到内核态；
4. 无法动态扩展：无法在运行中添加/移除描述符，需重新初始化集合。

6.3 poll函数：改进的I/O复用机制

6.3.1 poll函数原型与参数

#include <poll.h>

int poll(struct pollfd *fds, 
         nfds_t nfds, 
         int timeout);

参数解析：

1. fds：指向pollfd结构数组，每个元素描述一个监控的描述符；
2. nfds：数组长度（即监控的描述符数量）；
3. timeout：超时时间（毫秒，-1为阻塞，0为非阻塞）。

pollfd结构体：

struct pollfd {
    int   fd;       // 文件描述符
    short events;   // 监控的事件（POLLIN、POLLOUT等）
    short revents;  // 返回的事件（由内核填充）
};

6.3.2 poll事件标志

• POLLIN：数据可读（包括TCP连接断开时的EOF）；
• POLLPRI：紧急数据可读（如TCP带外数据）；
• POLLOUT：数据可写；
• POLLERR：错误发生（自动监控，无需设置）；
• POLLHUP：连接挂起（如对端关闭）。

6.3.3 poll工作流程

1. 初始化pollfd数组：设置每个元素的fd和events；
2. 调用poll：等待事件发生；
3. 遍历检查revents：处理就绪的描述符；
4. 动态维护数组：可动态添加或移除描述符。

代码示例：基于poll的TCP服务器框架

#define MAX_CLIENTS 1024
struct pollfd client_fds[MAX_CLIENTS];
int nfds = 1; // 初始只有监听套接字

client_fds[0].fd = listenfd;
client_fds[0].events = POLLIN;

for (;;) {
    int nready = poll(client_fds, nfds, -1);

    if (client_fds[0].revents & POLLIN) { // 新连接到达
        int connfd = Accept(listenfd, NULL, NULL);
        client_fds[nfds].fd = connfd;
        client_fds[nfds].events = POLLIN;
        nfds++;
    }

    for (int i = 1; i < nfds; i++) { // 遍历客户端连接
        if (client_fds[i].revents & POLLIN) {
            // 处理客户端请求
            if (read返回0) { // 客户端关闭连接
                Close(client_fds[i].fd);
                client_fds[i] = client_fds[nfds-1]; // 数组末尾元素覆盖当前
                nfds--;
                i--; // 重新检查当前位置
            }
        }
    }
}

6.3.4 poll的优势与不足

优势：

• 无描述符数量限制：仅受系统资源约束；
• 动态管理：可随时添加/移除监控的描述符；
• 更精细的事件控制：支持更多事件类型（如带外数据）。

不足：

• 仍为线性扫描：时间复杂度O(n)；
• 水平触发模式：未处理事件会持续通知（可能引起忙等）。

6.4 select与poll对比分析

选型建议：

• 嵌入式系统：优先poll（动态管理更灵活）；
• 高并发场景：推荐epoll（第7章详解）；
• 跨平台需求：select兼容性更好。

6.5 性能优化与陷阱规避

6.5.1 select性能优化

1. 减少nfds值：仅传递当前最大描述符+1；
2. 分离监控集合：将频繁活动的描述符单独监控；
3. 避免阻塞操作：在事件处理函数中使用非阻塞I/O。

6.5.2 poll常见陷阱

1. 未重置revents：每次调用poll前需清空revents或重新初始化结构体；
2. 数组越界：动态添加描述符时需检查数组上限；
3. 忽略POLLHUP：未处理可能导致死循环。

代码示例：非阻塞read处理

// 设置套接字为非阻塞
int flags = fcntl(fd, F_GETFL, 0);
fcntl(fd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);

char buf[1024];
ssize_t n = read(fd, buf, sizeof(buf));
if (n > 0) {
    // 处理数据
} else if (n == 0) {
    // 对端关闭连接
} else if (errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK) {
    // 数据未就绪，继续监控
} else {
    // 其他错误处理
}

6.6 实战：基于select的聊天服务器

6.6.1 功能需求

• 支持多客户端连接；
• 客户端消息广播至所有其他客户端；
• 客户端退出时自动清理资源。

6.6.2 核心代码实现

#include "unp.h"

#define MAX_CLIENTS 1024
int client_fds[MAX_CLIENTS];

void broadcast(int sender_fd, char *msg, int len) {
    for (int i = 0; i < MAX_CLIENTS; i++) {
        if (client_fds[i] != -1 && client_fds[i] != sender_fd) {
            Writen(client_fds[i], msg, len);
        }
    }
}

int main() {
    int listenfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    // 绑定与监听（代码同前）

    fd_set all_set, read_set;
    FD_ZERO(&all_set);
    FD_SET(listenfd, &all_set);
    int maxfd = listenfd;

    memset(client_fds, -1, sizeof(client_fds));

    for (;;) {
        read_set = all_set;
        int nready = select(maxfd + 1, &read_set, NULL, NULL, NULL);

        if (FD_ISSET(listenfd, &read_set)) {
            int connfd = Accept(listenfd, NULL, NULL);
            // 将新连接加入数组
            for (int i = 0; i < MAX_CLIENTS; i++) {
                if (client_fds[i] == -1) {
                    client_fds[i] = connfd;
                    FD_SET(connfd, &all_set);
                    maxfd = (connfd > maxfd) ? connfd : maxfd;
                    break;
                }
            }
        }

        for (int i = 0; i < MAX_CLIENTS; i++) {
            int fd = client_fds[i];
            if (fd == -1) continue;

            if (FD_ISSET(fd, &read_set)) {
                char buf[1024];
                ssize_t n = Read(fd, buf, sizeof(buf));
                if (n > 0) {
                    broadcast(fd, buf, n);
                } else {
                    Close(fd);
                    FD_CLR(fd, &all_set);
                    client_fds[i] = -1;
                }
            }
        }
    }
}

6.7 调试工具与性能分析

6.7.1 使用strace跟踪系统调用

strace -e select,poll,read,write ./server

输出示例：

select(5, [3 4], NULL, NULL, NULL) = 1 (in [3])
read(3, "hello", 1024)             = 5

6.7.2 监控文件描述符状态

# 查看进程打开的文件描述符
ls -l /proc/<pid>/fd

6.7.3 性能压测工具

# 使用netcat模拟多客户端
for i in {1..1000}; do
    nc 127.0.0.1 9999 &
done

6.8 本章小结与进阶习题

小结：本章深入解析了select和poll的原理、使用场景与优化技巧，通过实战案例展示了高并发服务器的实现方法。

习题：

1. 实现基于poll的聊天服务器，支持昵称注册与私聊功能；
2. 对比select与poll在1000并发连接下的CPU使用率差异；
3. 扩展select服务器支持可写事件监控，实现大文件传输。

说明

1. Linux下更详细select函数内容，可参见博主相关博文Linux下select使用
2. 嵌入式下如何高效使用select与epoll，可参见博主相关专题博文在嵌入式Linux中实现高并发TCP服务器：从select到epoll的演进与实战
3. Linux下更详细epoll函数内容，可参见博主相关博文Linux下epoll函数使用详解

付费用户专属资源：

• 完整聊天服务器代码工程（含Makefile）；
• select/poll性能对比测试报告；
• 扩展阅读：《从select到epoll：Linux I/O模型的演进》。

通过本章学习，读者将掌握I/O复用的核心技术，并能够开发高并发的网络应用。