Linux select内核源码剖析
IO多路复用接口Linux内核源码剖析，源码之前，了无秘密
Linux select内核源码剖析
select的原理其实是和poll是一样的，都是采用轮询的方式。select相对于poll也许是比较节省空间吧，因为select是采用bitmap来标志的
本文先讲解一下如何在应用层使用select，然后再深入内核剖析select机制
select应用程序
select可以监听多个文件描述符，直到条件满足或者超时返回
-
select函数原型
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);nfds：最大的文件描述符加1
readfds：监听可读集合
writefds：监听可写集合
exceptfds：监听异常集合
timeout：超时时间
对于这些集合，有一组函数可以进行设置
void FD_SET(int fd, fd_set *set); //设置文件描述符到集合中 void FD_CLR(int fd, fd_set *set); //从集合中清除文件描述符标志 int FD_ISSET(int fd, fd_set *set); //判断文件描述符在集合中是否被标志 void FD_ZERO(fd_set *set); //清空集合
demo
下面这个程序使用select监听标准输入，直到标准输入可读时，返回并打印内容
#include <stdio.h>
#include <sys/select.h>
int main(int argc, char* argv[])
{
fd_set rfds;
int nfds;
int i;
char buf[1024];
int len;
FD_ZERO(&rfds); //清空集合
FD_SET(0, &rfds); //标准输入
nfds = 0 + 1; //最大文件描述符加1
while(1)
{
fd_set fds = rfds;
/* 开始监听 */
if(select(nfds, &fds, NULL, NULL, NULL) < 0)
{
printf("select err.\n");
return -1;
}
for(i = 0; i < nfds; i++)
{
/* 判断是否满足条件 */
if(FD_ISSET(i, &fds))
{
len = read(i, buf, 1024);
buf[len] = '\0';
printf("read buf: %s\n", buf);
}
}
}
return 0;
}
select机制内核源码剖析
我们先来看看fd_set是什么东西
typedef __kernel_fd_set fd_set;
typedef struct {
unsigned long fds_bits [__FDSET_LONGS]; //定义一个数组
} __kernel_fd_set;
从上面可以看出，fd_set其实就是一个数组，内核用一个位来表示一个文件描述符，从内核定义来看，一共有1024个位
下面再来看看这四个设置函数
void FD_SET(int fd, fd_set *set); //设置文件描述符到集合中
void FD_CLR(int fd, fd_set *set); //从集合中清除文件描述符标志
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set); //判断文件描述符在集合中是否被标志
void FD_ZERO(fd_set *set); //清空集合
#define FD_SET(fd,fdsetp) __FD_SET(fd,fdsetp)
#define FD_CLR(fd,fdsetp) __FD_CLR(fd,fdsetp)
#define FD_ISSET(fd,fdsetp) __FD_ISSET(fd,fdsetp)
#define FD_ZERO(fdsetp) __FD_ZERO(fdsetp)
先看FD_SET，其实就是将特定的位置1
#define __FD_SET(fd, fdsetp) \
(((fd_set *)(fdsetp))->fds_bits[(fd) >> 5] |= (1<<((fd) & 31)))
再看看FD_CLR，其实就是将特定的位置0
#define __FD_CLR(fd, fdsetp) \
(((fd_set *)(fdsetp))->fds_bits[(fd) >> 5] &= ~(1<<((fd) & 31)))
看看FD_ISSET，其实就是判断特定的位是否被置1
#define __FD_ISSET(fd, fdsetp) \
((((fd_set *)(fdsetp))->fds_bits[(fd) >> 5] & (1<<((fd) & 31))) != 0)
看一下FD_ZERO，其实就是将所有的位置0
#define __FD_ZERO(fdsetp) \
(memset (fdsetp, 0, sizeof (*(fd_set *)(fdsetp))))
至此我们直到，fd_set其实就是一个数组，然后里面每一个位都表示一个文件描述符的状态，我们将我们要监听的文件描述符对应的位标志好后，传递给内核，内核会将状态通过位标记返回到应用层
下面就马上来分析select对应的系统调用
select对应的系统调用如下
SYSCALL_DEFINE5(select, int, n, fd_set __user *, inp, fd_set __user *, outp,
fd_set __user *, exp, struct timeval __user *, tvp)
将其展开后得到如下函数
long sys_select(int n, fd_set __user * inp, fd_set __user * outp,
fd_set __user * exp, struct timeval __user * tvp)
SYSCALL_DEFINE5(select, int, n, fd_set __user *, inp, fd_set __user *, outp,
fd_set __user *, exp, struct timeval __user *, tvp)
{
/* 从应用层会传递过来三个需要监听的集合，可读，可写，异常 */
ret = core_sys_select(n, inp, outp, exp, to);
return ret;
}
接下来看core_sys_select
int core_sys_select(int n, fd_set __user *inp, fd_set __user *outp,
fd_set __user *exp, struct timespec *end_time)
{
/* 在栈上分配一段内存 */
long stack_fds[SELECT_STACK_ALLOC/sizeof(long)];
size = FDS_BYTES(n); //n个文件描述符需要多少个字节
/*
* 如果栈上的内存太小，那么就重新分配内存
* 为什么是除以6呢？
* 因为每个文件描述符要占6个bit（输入：可读，可写，异常；输出结果：可读，可写，异常）
*/
if (size > sizeof(stack_fds) / 6)
bits = kmalloc(6 * size, GFP_KERNEL);
/* 设置好bitmap对应的内存空间 */
fds.in = bits; //可读
fds.out = bits + size; //可写
fds.ex = bits + 2*size; //异常
fds.res_in = bits + 3*size; //返回结果，可读
fds.res_out = bits + 4*size; //返回结果，可写
fds.res_ex = bits + 5*size; //返回结果，异常
/* 将应用层的监听集合拷贝到内核空间 */
get_fd_set(n, inp, fds.in);
get_fd_set(n, outp, fds.out);
get_fd_set(n, exp, fds.ex);
/* 清空三个输出结果的集合 */
zero_fd_set(n, fds.res_in);
zero_fd_set(n, fds.res_out);
zero_fd_set(n, fds.res_ex);
/* 调用do_select阻塞，满足条件时返回 */
ret = do_select(n, &fds, end_time);
/* 将结果拷贝回应用层 */
set_fd_set(n, inp, fds.res_in);
set_fd_set(n, outp, fds.res_out);
set_fd_set(n, exp, fds.res_ex);
return ret;
}
下面来看一看do_select函数
int do_select(int n, fd_set_bits *fds, struct timespec *end_time)
{
for (;;) {
/* 遍历所有监听的文件描述符 */
for (i = 0; i < n; ++rinp, ++routp, ++rexp)
{
for (j = 0; j < __NFDBITS; ++j, ++i, bit <<= 1)
{
/* 调用每一个文件描述符对应驱动的poll函数，得到一个掩码 */
mask = (*f_op->poll)(file, wait);
/* 根据掩码设置相应的bit */
if ((mask & POLLIN_SET) && (in & bit)) {
res_in |= bit;
retval++;
}
if ((mask & POLLOUT_SET) && (out & bit)) {
res_out |= bit;
retval++;
}
if ((mask & POLLEX_SET) && (ex & bit)) {
res_ex |= bit;
retval++;
}
}
}
/* 如果条件满足，则退出 */
if (retval || timed_out || signal_pending(current))
break;
/* 调度，进程睡眠 */
poll_schedule_timeout(&table, TASK_INTERRUPTIBLE, to, slack);
}
}
do_select会遍历所有要监听的文件描述符，调用对应驱动程序的poll函数，驱动程序的poll一般实现如下
static unsigned int button_poll(struct file *fp, poll_table * wait)
{
unsigned int mask = 0;
/* 调用poll_wait */
poll_wait(fp, &wq, wait); //wq为自己定义的一个等待队列头
/* 如果条件满足，返回相应的掩码 */
if(condition)
mask |= POLLIN;
return mask;
}
看看poll_wait做了什么
static inline void poll_wait(struct file * filp, wait_queue_head_t * wait_address, poll_table *p)
{
if (p && wait_address)
p->qproc(filp, wait_address, p);
}
p->qproc在之前又被初始化为__pollwait
static void __pollwait(struct file *filp, wait_queue_head_t *wait_address,
poll_table *p)
{
/* 分配一个结构体 */
struct poll_table_entry *entry = poll_get_entry(pwq);
/* 将等待队列元素加入驱动程序的等待队列头中 */
add_wait_queue(wait_address, &entry->wait);
}
由此可知，do_select中对每一个文件描述符调用(*f_op->poll)(file, wait)，是为每一个文件描述符申请一个等待队列元素，然后将其添加到对应驱动程序的等待队列中，等待条件满足时唤醒
我们再回到do_select函数里，第一遍遍历调用``(*f_op->poll)(file, wait)`是为了为每一个文件描述符申请一个等待队列元素，将其添加到对应驱动程序的等待队列中，然后会睡眠等待，当有条件满足时，对应的驱动会通过等待队列唤醒该进程，然后进行第二次遍历，此时得到一个掩码，然后设置好每一个文件描述符状态，退出
至此，select也就分析完了
总结
select和poll的实现原理是一样的，只是select采用bitmap的方式来标记文件描述符，然后select 最不能忍受的是一个进程所打开的FD是有一定限制的，由FD_SETSIZE设置，默认值是1024
select会有两次遍历所有监听的文件描述符，第一次是将等待队列元素添加到对应驱动程序的等待队列中，然后调度，睡眠等待唤醒，第二次是当条件满足时，驱动程序会唤醒等待队列，然后select会进行第二次遍历，获取一个掩码，设置好每一个文件描述符的bitmap，然后再将结果拷贝回用户空间