I/O 多路复用之 select

[JemmyH]

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如何理解阻塞？

以下内容来自 彻底理解epoll 部分

阻塞是进程调度的关键一环，指的是进程在等待某事件（如接收到网络数据）发生之前的等待状态。如下面的代码：

//创建socket
int s = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);   
//绑定
bind(s, ...)
//监听
listen(s, ...)
//接受客户端连接
int c = accept(s, ...)
//接收客户端数据
recv(c, ...);
//将数据打印出来
printf(...)

这是一段最基础的网络编程代码，先新建 socket 对象，依次调用 bind、listen 与 accept，最后调用 recv 接收数据。recv 是个阻塞方法，当程序运行到 recv 时，它会一直等待，直到接收到数据才往下执行。

工作队列

操作系统为了支持多任务，实现了进程调度的功能，会把进程分为“运行”和“等待”等几种状态。运行状态是进程获得 CPU 使用权，正在执行代码的状态；等待状态是阻塞状态，比如上述程序运行到 recv 时，程序会从运行状态变为等待状态，接收到数据后又变回运行状态。操作系统会分时执行各个运行状态的进程，由于速度很快，看上去就像是同时执行多个任务。

下图的计算机中运行着 A、B 与 C 三个进程，其中进程 A 执行着上述基础网络程序，一开始，这 3 个进程都被操作系统的工作队列所引用，处于运行状态，会分时执行。

等待队列

当进程 A 执行到创建 socket 的语句时，操作系统会创建一个由文件系统管理的 socket 对象（如下图）。这个 socket 对象包含了发送缓冲区、接收缓冲区与等待队列等成员。等待队列是个非常重要的结构，它指向所有需要等待该 socket 事件的进程。

当程序执行到 recv 时，操作系统会将进程 A 从工作队列移动到该 socket 的等待队列中（如下图）。由于工作队列只剩下了进程 B 和 C，依据进程调度，CPU 会轮流执行这两个进程的程序，不会执行进程 A 的程序。所以进程 A 被阻塞，不会往下执行代码，也不会占用 CPU 资源。

注：操作系统添加等待队列只是添加了对这个“等待中”进程的引用，以便在接收到数据时获取进程对象、将其唤醒，而非直接将进程管理纳入自己之下。上图为了方便说明，直接将进程挂到等待队列之下。

唤醒进程

当 socket 接收到数据后，操作系统将该 socket 等待队列上的进程重新放回到工作队列，该进程变成运行状态，继续执行代码。同时由于 socket 的接收缓冲区已经有了数据，recv 可以返回接收到的数据。

进程在 recv 阻塞期间，计算机收到了对端传送的数据（步骤①），数据经由网卡传送到内存（步骤②），然后网卡通过中断信号通知 CPU 有数据到达，CPU 执行中断程序（步骤③）。此处的中断程序主要有两项功能，先将网络数据写入到对应 socket 的接收缓冲区里面（步骤④），再唤醒进程 A（步骤⑤），重新将进程 A 放入工作队列中。

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白话理解 select

先通过以下代码看看 select 的用法：

int s = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);  
bind(s, ...);
listen(s, ...);
int fds[] =  存放需要监听的socket;
while(1){
    int n = select(..., fds, ...)
    for(int i=0; i < fds.count; i++){
        if(FD_ISSET(fds[i], ...)){
            //fds[i]的数据处理
        }
    }
}

在上述代码中，先准备一个数组 fds，让 fds 存放着所有需要监视的 socket。然后调用 select，如果 fds 中的所有 socket 都没有数据，select 会阻塞，直到有一个 socket 接收到数据，select 返回，唤醒进程。用户可以遍历 fds，通过 FD_ISSET 判断具体哪个 socket 收到数据，然后做出处理。

select 流程

select 的实现思路很直接，假如程序同时监视如下图的 sock1、sock2 和 sock3 三个 socket，那么在调用 select 之后，操作系统把进程 A 分别加入这三个 socket 的等待队列中。
当任何一个 socket 收到数据后，中断程序将唤起进程。下图展示了 sock2 接收到了数据的处理流程：

所谓唤起进程，就是将进程从所有的等待队列中移除，加入到工作队列里面，如下图所示：

select 的缺点

这种简单方式行之有效，在几乎所有操作系统都有对应的实现。
但是简单的方法往往有缺点，主要是：

1. 用户态和内核态多次复制，而且还要遍历整个队列。每次调用 select 都需要将进程加入到所有监视 socket 的等待队列，每次唤醒都需要从每个队列中移除。这里涉及了两次遍历，而且每次都要将整个 fds 列表传递给内核，有一定的开销。正是因为遍历操作开销大，出于效率的考量，才会规定 select 的最大监视数量，默认只能监视 1024 个 socket。
2. 进程被唤醒后，程序并不知道哪些 socket 收到数据，还需要遍历一次。

本节只解释了 select 的一种情形。当程序调用 select 时，内核会先遍历一遍 socket，如果有一个以上的 socket 接收缓冲区有数据，那么 select 直接返回，不会阻塞。这也是为什么 select 的返回值有可能大于 1 的原因之一。如果没有 socket 有数据，进程才会阻塞。

经由这些步骤，当进程 A 被唤醒后，它知道至少有一个 socket 接收了数据。程序只需遍历一遍 socket 列表，就可以得到就绪的 socket。