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select, pselect, FD_CLR, FD_ISSET, FD_SET, FD_ZERO - 同期 I/O の多重化
/* POSIX.1-2001 に従う場合 */
#include <sys/select.h> /* 以前の規格に従う場合 */
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h> int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *utimeout); void FD_CLR(int fd, fd_set *set);
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set);
void FD_SET(int fd, fd_set *set);
void FD_ZERO(fd_set *set); #include <sys/select.h> int pselect(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, const struct timespec *ntimeout, const sigset_t *sigmask);
glibc
向けの機能検査マクロの要件
(feature_test_macros(7) 参照):
pselect(): _POSIX_C_SOURCE >= 200112L || _XOPEN_SOURCE >= 600
select() (や pselect()) を使うと、効率的に複数のファイルディスクリプターを監視し、 そのファイルディスクリプターのいずれかが 「ready (準備ができた)」状態、つまり I/O (入出力) が可能になっているかや、 ファイルディスクリプターのいずれかが 「例外状態 (exceptional condition)」が発生したか、を調べることができる。
この関数の主要な引き数は、3種類のファイルディスクリプターの「集合」 readfds, writefds, exceptfds である。 各々の集合は fd_set として宣言され、その内容は FD_CLR(), FD_ISSET(), FD_SET(), FD_ZERO() といったマクロによって操作できる。 新しく宣言された集合は、まず最初に FD_ZERO() を使ってクリアすべきである。 select() はこれらの集合の内容を、以降に述べる規則に従って修正する。 select() を呼んだ後、ファイルディスクリプターがまだ集合に存在しているかどうかは、 FD_ISSET() マクロによって調べることができる。 FD_ISSET() は指定されたディスクリプターが集合に存在していれば 0 以外の値を返し、 存在しなければ 0 を返す。 FD_CLR() は集合からのファイルディスクリプターの削除を行う。
struct timeval {
time_t tv_sec; /* seconds */
long tv_usec; /* microseconds */ };
struct timespec {
long tv_sec; /* seconds */
long tv_nsec; /* nanoseconds */ };
ファイルディスクリプターが I/O 可能な状態になるのと同時に シグナルも待ちたい場合には、 pselect() が便利である。 シグナルを受信するプログラムは、通常は、 シグナルハンドラーをグローバルなフラグを立てるためだけに使う。 このグローバルなフラグは、 そのイベントをプログラムのメインループで 処理しなければならないことを示す。 シグナルを受けると select() (や pselect()) は errno に EINTR をセットして戻ることになる。 シグナルがプログラムのメインループで処理されるためにはこの動作が不可欠で、 これがないと select() は永遠に停止し続けることになる。 さて、メインループのどこかにこのグローバルフラグをチェックする 条件文があるとしよう。ここで少し考えてみないといけない。 「シグナルが条件文の後、しかし select() コールの前に到着したら どうなるのか?」 答えは「その select() は、たとえ解決待ちのイベントがあったとしても、 永遠に停止する」である。 この競合状態は pselect() コールによって解決できる。 このコールを使うと、 pselect() でのみ受信したいシグナルの集合をシグナルマスクに設定することができる。 例えば、問題となっているイベントが子プロセスの終了の場合を考えよう。 メインループが始まる前に、 SIGCHLD を sigprocmask(2) でブロックする。 pselect() コールでは SIGCHLD を、もともとのシグナルマスクを使って有効にするのだ。 このプログラムは次のようになる。
static volatile sig_atomic_t got_SIGCHLD = 0; static void child_sig_handler(int sig) {
got_SIGCHLD = 1; } int main(int argc, char *argv[]) {
sigset_t sigmask, empty_mask;
struct sigaction sa;
fd_set readfds, writefds, exceptfds;
int r;
sigemptyset(&sigmask);
sigaddset(&sigmask, SIGCHLD);
if (sigprocmask(SIG_BLOCK, &sigmask, NULL) == -1) {
perror("sigprocmask");
exit(EXIT_FAILURE);
}
sa.sa_flags = 0;
sa.sa_handler = child_sig_handler;
sigemptyset(&sa.sa_mask);
if (sigaction(SIGCHLD, &sa, NULL) == -1) {
perror("sigaction");
exit(EXIT_FAILURE);
}
sigemptyset(&empty_mask);
for (;;) { /* main loop */
/* Initialize readfds, writefds, and exceptfds
before the pselect() call. (Code omitted.) */
r = pselect(nfds, &readfds, &writefds, &exceptfds,
NULL, &empty_mask);
if (r == -1 && errno != EINTR) {
/* Handle error */
}
if (got_SIGCHLD) {
got_SIGCHLD = 0;
/* Handle signalled event here; e.g., wait() for all
terminated children. (Code omitted.) */
}
/* main body of program */
} }
実際のところ select() の大事な点は何なのか? ディスクリプターは好きなときに読み書きできるんじゃないの? select() の重要なところは、複数のディスクリプターを同時に監視でき、 なんの動きもなければプロセスを適切にスリープ状態に移行するところにあるのだ。 UNIX プログラマは、 複数のファイルディスクリプターの入出力を同時に扱わねばならず、 しかもデータの流れは間欠的である、という状況によく出会う。 単に read(2) や write(2) コールのシーケンスを作るだけでは、それらのコールのどれかが ファイルディスクリプターからのデータを待ってブロックしており、 別のファイルディスクリプターには I/O が可能なのに使えない、 ということになってしまうだろう。 select() を使うとこの状況に効果的に対処できる。
select() を使おうとした多くの人は、理解しにくい挙動に出くわし、結果的に できたものは移植性がないか、よくてもギリギリのものになってしまう。 例えば、上記のプログラムは、 集合に含まれるファイルディスクリプターを非停止 (nonblocking) モード にしなくても、どこにもブロックが生じないよう注意して書かれている。 微妙な間違いによって、 select() を使う利点は簡単に失われてしまう。 そこで、 select() コールを使うときに注意すべき重要事項を列挙しておくことにする。
usleep(3) 関数を持たないシステムでは、 有限のタイムアウトを指定し、ファイルディスクリプターを全くセットせずに select() を呼び出すことで、これを代用できる。 以下のようにする。
struct timeval tv;
tv.tv_sec = 0;
tv.tv_usec = 200000; /* 0.2 seconds */
select(0, NULL, NULL, NULL, &tv);
但し、これが動くと保証されているのは UNIX システムに限られる。
成功すると、 select() はファイルディスクリプター集合に残っている ファイルディスクリプターの総数を返す。
select() がタイムアウトすると、返り値は 0 になる。 その時、ファイルディスクリプター集合はすべて空である (しかしそうならないシステムもある)。
返り値が -1 の場合はエラーを意味し、 errno が適切にセットされる。エラーが起こった場合、 返された集合の内容や構造体 struct timeout の内容は 未定義となっており、使用すべきではない。 しかし pselect() は決して ntimeout を変更しない。
一般的に言って、ソケットをサポートする全てのオペレーティングシステムは select() もサポートしている。 select() を使うと、プログラマがスレッド、フォーク、IPC、シグナル、メモリー共有、 等々を使ってもっと複雑な方法で解決しようとする多くの問題が、 移植性がありかつ効率的な方法で解決できる。
poll(2) システムコールは select() と同じ機能を持っており、 まばらなファイルディスクリプター集合を監視する場合に いくらか効率がよい。 現在では広く利用可能であるが、以前は select() より移植性の面で劣っていた。
Linux 独自の epoll(7) API は、多数のファイルディスクリプターを監視する場合に select(2) や poll(2) よりも効率的なインターフェースを提供している。
select() の本当に便利な点を示す、よい例を紹介する。 以下のリストは、ある TCP ポートから別のポートへ転送を行う TCP フォワードプログラムである。
#include <stdlib.h> #include <stdio.h> #include <unistd.h> #include <sys/time.h> #include <sys/types.h> #include <string.h> #include <signal.h> #include <sys/socket.h> #include <netinet/in.h> #include <arpa/inet.h> #include <errno.h> static int forward_port; #undef max #define max(x,y) ((x) > (y) ? (x) : (y)) static int listen_socket(int listen_port) {
struct sockaddr_in a;
int s;
int yes;
if ((s = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1) {
perror("socket");
return -1;
}
yes = 1;
if (setsockopt(s, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR,
&yes, sizeof(yes)) == -1) {
perror("setsockopt");
close(s);
return -1;
}
memset(&a, 0, sizeof(a));
a.sin_port = htons(listen_port);
a.sin_family = AF_INET;
if (bind(s, (struct sockaddr *) &a, sizeof(a)) == -1) {
perror("bind");
close(s);
return -1;
}
printf("accepting connections on port %d\n", listen_port);
listen(s, 10);
return s; } static int connect_socket(int connect_port, char *address) {
struct sockaddr_in a;
int s;
s = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (s == -1) {
perror("socket");
close(s);
return -1;
}
memset(&a, 0, sizeof(a));
a.sin_port = htons(connect_port);
a.sin_family = AF_INET;
if (!inet_aton(address, (struct in_addr *) &a.sin_addr.s_addr)) {
perror("bad IP address format");
close(s);
return -1;
}
if (connect(s, (struct sockaddr *) &a, sizeof(a)) == -1) {
perror("connect()");
shutdown(s, SHUT_RDWR);
close(s);
return -1;
}
return s; } #define SHUT_FD1 do { \
if (fd1 >= 0) { \
shutdown(fd1, SHUT_RDWR); \
close(fd1); \
fd1 = -1; \
} \
} while (0) #define SHUT_FD2 do { \
if (fd2 >= 0) { \
shutdown(fd2, SHUT_RDWR); \
close(fd2); \
fd2 = -1; \
} \
} while (0) #define BUF_SIZE 1024 int main(int argc, char *argv[]) {
int h;
int fd1 = -1, fd2 = -1;
char buf1[BUF_SIZE], buf2[BUF_SIZE];
int buf1_avail, buf1_written;
int buf2_avail, buf2_written;
if (argc != 4) {
fprintf(stderr, "Usage\n\tfwd <listen-port> "
"<forward-to-port> <forward-to-ip-address>\n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
signal(SIGPIPE, SIG_IGN);
forward_port = atoi(argv[2]);
h = listen_socket(atoi(argv[1]));
if (h == -1)
exit(EXIT_FAILURE);
for (;;) {
int r, nfds = 0;
fd_set rd, wr, er;
FD_ZERO(&rd);
FD_ZERO(&wr);
FD_ZERO(&er);
FD_SET(h, &rd);
nfds = max(nfds, h);
if (fd1 > 0 && buf1_avail < BUF_SIZE) {
FD_SET(fd1, &rd);
nfds = max(nfds, fd1);
}
if (fd2 > 0 && buf2_avail < BUF_SIZE) {
FD_SET(fd2, &rd);
nfds = max(nfds, fd2);
}
if (fd1 > 0 && buf2_avail - buf2_written > 0) {
FD_SET(fd1, &wr);
nfds = max(nfds, fd1);
}
if (fd2 > 0 && buf1_avail - buf1_written > 0) {
FD_SET(fd2, &wr);
nfds = max(nfds, fd2);
}
if (fd1 > 0) {
FD_SET(fd1, &er);
nfds = max(nfds, fd1);
}
if (fd2 > 0) {
FD_SET(fd2, &er);
nfds = max(nfds, fd2);
}
r = select(nfds + 1, &rd, &wr, &er, NULL);
if (r == -1 && errno == EINTR)
continue;
if (r == -1) {
perror("select()");
exit(EXIT_FAILURE);
}
if (FD_ISSET(h, &rd)) {
unsigned int l;
struct sockaddr_in client_address;
memset(&client_address, 0, l = sizeof(client_address));
r = accept(h, (struct sockaddr *) &client_address, &l);
if (r == -1) {
perror("accept()");
} else {
SHUT_FD1;
SHUT_FD2;
buf1_avail = buf1_written = 0;
buf2_avail = buf2_written = 0;
fd1 = r;
fd2 = connect_socket(forward_port, argv[3]);
if (fd2 == -1)
SHUT_FD1;
else
printf("connect from %s\n",
inet_ntoa(client_address.sin_addr));
}
}
/* NB: read oob data before normal reads */
if (fd1 > 0)
if (FD_ISSET(fd1, &er)) {
char c;
r = recv(fd1, &c, 1, MSG_OOB);
if (r < 1)
SHUT_FD1;
else
send(fd2, &c, 1, MSG_OOB);
}
if (fd2 > 0)
if (FD_ISSET(fd2, &er)) {
char c;
r = recv(fd2, &c, 1, MSG_OOB);
if (r < 1)
SHUT_FD2;
else
send(fd1, &c, 1, MSG_OOB);
}
if (fd1 > 0)
if (FD_ISSET(fd1, &rd)) {
r = read(fd1, buf1 + buf1_avail,
BUF_SIZE - buf1_avail);
if (r < 1)
SHUT_FD1;
else
buf1_avail += r;
}
if (fd2 > 0)
if (FD_ISSET(fd2, &rd)) {
r = read(fd2, buf2 + buf2_avail,
BUF_SIZE - buf2_avail);
if (r < 1)
SHUT_FD2;
else
buf2_avail += r;
}
if (fd1 > 0)
if (FD_ISSET(fd1, &wr)) {
r = write(fd1, buf2 + buf2_written,
buf2_avail - buf2_written);
if (r < 1)
SHUT_FD1;
else
buf2_written += r;
}
if (fd2 > 0)
if (FD_ISSET(fd2, &wr)) {
r = write(fd2, buf1 + buf1_written,
buf1_avail - buf1_written);
if (r < 1)
SHUT_FD2;
else
buf1_written += r;
}
/* check if write data has caught read data */
if (buf1_written == buf1_avail)
buf1_written = buf1_avail = 0;
if (buf2_written == buf2_avail)
buf2_written = buf2_avail = 0;
/* one side has closed the connection, keep
writing to the other side until empty */
if (fd1 < 0 && buf1_avail - buf1_written == 0)
SHUT_FD2;
if (fd2 < 0 && buf2_avail - buf2_written == 0)
SHUT_FD1;
}
exit(EXIT_SUCCESS); }
上記のプログラムは、ほとんどの種類の TCP 接続をフォワードする。 telnet サーバによって中継される OOB シグナルデータも扱える。 このプログラムは、データフローを双方向に同時に送るという、 ややこしい問題も処理できる。 fork(2) コールを使って、各ストリームごとに専用のスレッドを用いるほうが効率的だ、 という人もいるかもしれない。しかし、これは考えているよりずっとややこしい。 あるいは、 fcntl(2) を使って非ブロック I/O をセットすれば良い、というアイデアもあるだろう。 これにも実際には問題があり、タイムアウトが非効率的に起こってしまう。
このプログラムは一度にひとつ以上の同時接続を扱うことはできないが、 その様に拡張するのは簡単で、バッファーのリンクリストを (接続ごとにひとつずつ) 使えばよい。 現時点のものでは、新しい接続がくると古い接続は落ちてしまう。
accept(2), connect(2), ioctl(2), poll(2), read(2), recv(2), select(2), send(2), sigprocmask(2), write(2), sigaddset(3), sigdelset(3), sigemptyset(3), sigfillset(3), sigismember(3), epoll(7)
この man ページは Linux man-pages プロジェクトのリリース 3.79 の一部 である。プロジェクトの説明とバグ報告に関する情報は http://www.kernel.org/doc/man-pages/ に書かれている。
2013-12-30 | Linux |