作者: rock (遊手好閒的石頭成)
E-mail: shirock@mail.educities.edu.tw

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select() - 輸出入多重發訊器

讓我們回想一下，當我們需要從一個設備中讀取或寫入資料時，我們通常很直覺地
使用輸出入函數，如系統呼叫 read() 及 write() 等，而沒有想到先確認目標設備
中是否已經存有資料可供處理。

例如:

  read(fd, buf, len);
  . . .
  write(fd, buf, len);

這是因為系統也很清楚，不能預期每次要對設備進行資料的輸出入時，設備裡都剛
好可以處理，有太多的理由，使得系統必須等待設備，因此每當目標設備無法立即
處理待輸出入的資料時，系統便會自動擱置目前的工作，亦即將目前工作的工作進
程停在輸出入函數的地方，如 read(), write() 處，等到目標設備可以處理資料
時，才完成停頓的動作，繼續下一個步驟。

這樣的做法很合理，也是大多數程式常碰見的情形，程式一次只需要處理一個設備
的輸出入即可，例如從鍵盤取得使用者輸入，從檔案讀取記錄，再寫入另一個檔案
，都是一個步驟只需處理一個設備，當這個設備暫時無法處理資料時，自然希望它
能自動停在那邊，等資料來到。

例如:

puts("Do you sure? (Y/N):");
if( getchar() != 'Y' )
  return;
read(fin, buf, len);
write(fout, buf, len);

上面的程式碼是很典型的，每個人都寫過，每個人都希望，能先從 getchar() 取
得使用者的輸入後，才開始做 read() ，再做 write() ，系統的動作也很符合設
計者的預期，先停在 getchar() 處，等使用者從鍵盤輸入一個字元後，才決定要
不要繼續下一個步驟。

不過也有上面的情形無法處理的時候，例如，你正在寫一個使用者對談程式，此時
你將有至少兩個資料輸入來源，一個來自目前使用者的鍵盤輸入，及一個來自交談
對方的鍵盤輸入，更糟的是，你無法預期哪個設備何時會有資料進入。

如果你寫下下列的程式碼:

fgets(mystr, sizeof(mystr), stdin);
fputs(mystr, strlen(mystr), hisout);
printf("I say: %s", mystr);

fgets(hisstr, sizeof(hisstr), hisin);
printf("He says: %s", hisstr);

將會碰到下列的典型狀態:

1.當目前使用者尚未輸入一行文字時，系統將會停在 fgets(mystr ...) 處，
  等目前使用者輸入。
2.然而當目前的程式正在等目前使用者輸入時，對方的程式可不知道這種情形，
  對方比目前使用者早輸入完一行文字。
  亦即對方比目前使用者早進行到 fgets(hisstr ...) 處，等目前使用者送來
  的資料。
3.雖然對方已經輸入完一行文字了，但是目前使用者還沒輸入，程式仍然等在
  fgets(mystr ...) 的地方，因此目前使用者還看不到對方輸入的內容。
4.結果是，當目前使用者還沒輸入一行文字前，目前使用者看不到對方輸入的內
  容，同時，對方也在等取得目前使用者輸入的文字，而無法繼續輸入。

不過在 unix 系統中， SVR4 及 BSD43 ，都提供了一個函數 select() ，處理需
要同時面對多個輸出入設備時的情形。

簡單地說， select() 是一個多重發訊器，可以同時面對多個輸出入設備，並且選
出最快能處理資料的設備，讓程式可以順利的進行下個工作，減少等待的時間。

再以剛說的對談程式為例，利用 select() 改寫後，如下:

(1) FD_SET(fileno(stdin), &readmask);
(2) FD_SET(fileno(hisin), &readmask);
(3) select(2, &readmask, NULL, NULL, NULL);
(4) if( FD_ISSET(fileno(stdin), &readmask) ) {
      fgets(mystr, sizeof(mystr), stdin);
      fputs(mystr, strlen(mystr), hisout);
      printf("I say: %s", mystr);
    }
(5) else if( FD_ISSET(fileno(hisin), &readmask) ) {
      fgets(hisstr, sizeof(hisstr), hisin);
      printf("He says: %s", hisstr);
    }

此程式碼的意義為:

(1) 將 stdin 加入 readmask 變數中，此 readmask 變數將傳給 select() ，
    告訴 select() 有 stdin 這個設備等著要讀取資料。
(2) 將 hisin 加入 readmask 變數中，告訴 select() 有 hisin 這個設備等
    著要讀取資料。
(3) 執行 select() ，此時 select() 將會等待 stdin 及 hisin 兩個設備，
    並將最快有資料可處理的設備代號，儲在 readmask 中傳回。
(4) 如果目前有資料可處理的設備是 stdin ，則讀取目前使用者的輸入。
(5) 如果目前有資料可處理的設備是 hisin ，則讀取對方的輸入。

透過 select() ，程式將可以馬上處理已經有資料到來的設備，而不必枯等尚
無資料到來的設備。

 select() 雖然是一個普遍性的函數，在 SVR4 及 BSD43 中都有提供，但卻不是
一個標準的函數，在不同系統間，存在不同的行為表現。

select() 的原型是:

#include <sys/types.h>
#include <sys/time.h>
#include <unistd.h>

int select(int maxfd, fd_set *readfds, fd_set *writefds, 
            fd_set *execptfds, struct timeval *tvptr);

而它的共同行為是:
1. maxfd 表示共有幾個設備要 select() 處理。
2. readfds 儲存要處理的輸入設備的檔案描述詞的集合。
3. writefds 儲存要處理的輸出設備的檔案描述詞的集合。
4. execptfds 儲存有突發狀態發生的設備的檔案描述詞的集合。
5. tvptr 表示要求 select() 等待的時間。
6. 在回傳值上，當有錯誤發生時，回傳 -1 並設定 errno 的值。
   當超過 select() 的等待時間時，回傳 0 ，表示處理逾時。
   當有設備可以處理時，則回傳大於 0 的值。

而差異有:

1. 在 BSD 上，如果同一個檔案描述詞在兩個檔案描述詞的集合都可以處理
   時(例如 readfds 及 writefds) ，則 BSD 將回傳 2 ，表示有兩個設備
   可以處理了。
   而在 SVR4 上，則只回傳 1 ，視為一個。

2. 在 BSD 系統中， tvptr 的內容，被視為唯讀的，當 select() 回傳結果
   後， tvptr 的內容不會被改變。
   即使 select() 是被 signal 所中斷，系統也不會改變 tvptr 的內容。
   在 Linux 中 (不是指 SVR4 ，我不知道 SVR4 是如何處理 tvptr 的) ，
   則會改變 tvptr 的值，將可等待的時間減掉實際等待的時間，所得到的剩
   餘時間存在 tvptr 中回傳。
   這個做法在碰到 select() 被 signal 中斷時，是相當有用的。

3. 在 winsock 中， maxfd 沒有意義，純粹為了相容 unix 系統而存在。

綜合以上數點，一個可以通用的 select() 用法將如:

struct timeval timeout;
#if !defined( LINUX )
time_t lasttime;
#endif
/* 在 LINUX 系統中， lasttime 不需要用到，下面會說明 */

#if !defined( LINUX )
lasttime = time(NULL);	/* 保存目前時間(秒數) */
#endif
timeout.tv_sec = nsec;	/* 設定要 select() 等待的時間 */
timeout.tv_usec = 0;

while( some_condition ) {
  rc = select( nfds, &readfds, &writefds, &execptfds, &timeout );
  if( rc < 0 ) { /* 有錯誤發生 */
    if( errno == EINTR ) { /* 被 signal 中斷了 */
      /* 扣掉已經等待的時間後，再繼續呼叫 select() 等待剩餘的時間。
         由於 LINUX 系統會自動扣掉已等待的時間，所以我們不需要自已動手。*/
      #if !defined( LINUX )
      timeout.tv_sec -= (time(NULL) - lasttime);
      lasttime = time(NULL);
      #endif
      continue;
    }
    else
      abort();
  }
  else if( rc == 0 ) {	/* TIMEOUT */
    . . .
  }
  else { /* 有設備可以處理 */
    if( FD_ISSET( . . . ) )  /* 判斷是哪個設備可以處理 */
      . . .
  }
  #if !defined( LINUX )
  lasttime = time(NULL);
  #endif
  timeout.tv_sec = nsec;
  timeout.tv_usec = 0;
  /*
  雖然已知目前的 BSD 系統不會變更 timeout 的內容，但是不保證未來的
  BSD 系統及其他的系統如 SVR 等也不會變更 timeout 的內容，因此還是
  再設定一次後，才繼續使用 select() 等待下一個可處理的設備，是比較
  可靠的做法。
  */
}