NOMBRE¶

select, pselect, FD_CLR, FD_ISSET, FD_SET, FD_ZERO - multiplexación de E/S síncrona

SINOPSIS¶

#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);

int pselect(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, const struct timespec *ntimeout, sigset_t *sigmask);

FD_CLR(int fd, fd_set *set);
FD_ISSET(int fd, fd_set *set);
FD_SET(int fd, fd_set *set);
FD_ZERO(fd_set *set);

DESCRIPCIÓN¶

select (o pselect) es la función eje de la mayor parte de programas en C que manejan más de un descriptor de fichero (o manejador de conector) simultáneamente de manera eficiente. Sus principales argumentos son tres arrays de descriptores de fichero: readfds, writefds, y exceptfds. La forma de utilizar habitualmente select es bloquearse mientras se espera un "cambio de estado" en uno o más de los descriptores de fichero. Un "cambio de estado" se produce cuando se vuelven disponibles más carácteres del descriptor de fichero, o cuando se dispone de espacio en los buffers internos del núcleo para escribir más carácteres en el descriptor de fichero, o cuando un descriptor de fichero provoca un error (en el caso de un conector o tubería se da cuando se cierra el otro extremo de la conexión).

En resumen, select tan sólo vigila varios descriptores de fichero, y es la llamada estándar en Unix para hacerlo.

Los arrays de descriptores de fichero son llamados conjuntos de descriptores de fichero. Cada conjunto es declarado con el tipo fd_set, y su contenido puede ser alterado con las macros FD_CLR, FD_ISSET, FD_SET y FD_ZERO. FD_ZERO es normalmente la primera función que se utiliza sobre un conjunto recién declarado. A partir de aquí, aquellos descriptores de fichero individuales en los que esté interesado pueden ser añadidos uno por uno con FD_SET. select modifica el contenido de los conjuntos de acuerdo a las reglas descritas abajo; después de invocar a select puede comprobar si su descriptor de fichero está aún presente en el conjunto con la macro FD_ISSET. FD_ISSET devuelve un valor distinto de cero si el descriptor está presente y cero si no lo está. FD_CLR elimina un descriptor de fichero del conjunto, aunque yo no veo el uso que puede tener en un programa correcto.

ARGUMENTOS¶

readfds

Este conjunto es observado para ver si hay datos disponibles para leer en cualquiera de sus descriptores de fichero. Después de que select regrese, borrará de readfds todos los descriptores de fichero salvo aquellos sobre los que pueda ejecutarse inmediatamente una operación de lectura con una llamada a recv() (para conectores) o read() (para tuberías, ficheros y conectores).

writefds

Este conjunto es observado para ver si hay espacio para escribir datos en cualquiera de sus descriptores de fichero. Después de que select regrese, borrará de writefds todos los descriptores de fichero salvo aquellos sobre los que se pueda ejecutar inmediatamente una operación de escritura con una llamada a send() (para conectores) o write() (para tuberías, ficheros y conectores).

exceptfds

Este conjunto es observado para las excepciones o errores sobre cualquiera de sus descriptores de fichero. Sin embargo, realmente es sólo un rumor. Para lo que en verdad usa exceptfds es para observar datos "fuera de orden" (OOB, out-of-band). Los datos OOB son datos enviados por un conector usando la bandera MSG_OOB, y por tanto exceptfds sólo se aplica realmente a conectores. Vea el contenido de recv(2) y send(2) sobre este tema. Después de que select regrese, borrará de exceptfds todos los descriptores de fichero salvo aquellos sobre los que se puede leer datos OOB. Sólo puede leer un byte de datos OOB de todas maneras (con la operación recv()), y se pueden escribir datos OOB en cualquier momento sin bloquearse. Por tanto no hay necesidad de un cuarto conjunto para comprobar si en un conector hay disponibles datos OOB para escribir.

nfds

Es un entero que indica uno más del máximo de cualquier descriptor de fichero en cualquiera de los conjuntos. En otras palabras, mientras está atareado añadiendo descriptores de fichero a sus conjuntos, debe calcular el máximo valor entero de todos ellos, incrementar este valor en uno, y pasarlo como nfds a select.

utimeout

struct timeval {


    time_t tv_sec;    /* segundos */


    long tv_usec;     /* microsegundos */
};

ntimeout

struct timespec {


    long tv_sec;    /* segundos */


    long tv_nsec;   /* nanosegundos */
};

sigmask

Este argumento contiene un conjunto de señales permitidas mientras se realiza una llamada a pselect (vea sigaddset(3) y sigprocmask(2)). Puede valer NULL, en cuyo caso no modifica el conjunto de señales permitidas en la entrada y la salida de la función. Se comportará igual que select.

COMBINANDO SEÑALES Y EVENTOS DE DATOS¶

pselect debe ser usada si está esperando una señal así como datos de un descriptor de fichero. Los programas que reciben señales como eventos normalmente utilizan el manejador de señales para activar una bandera global. La bandera global indicará que el evento debe ser procesado en el bucle principal del programa. Una señal provocará que la llamada a select (o pselect) regrese tomando la variable errno el valor EINTR. Este comportamiento es esencial para que las señales puedan ser procesadas en el bucle principal del programa, de otra manera select se bloquearía indefinidamente. Ahora, en algún lugar del bucle principal habrá una condición para comprobar la bandera global. Así que debemos preguntarnos: ¿qué ocurre si una señal llega después de la condición, pero antes de la llamada a select? La respuesta es que select se bloquearía indefinidamente, incluso aún si hay un evento pendiente. Esta condición de carrera se soluciona con la llamada pselect. Esta llamada puede utilizarse para enmascarar señales que no van a ser recibidas salvo dentro de la llamada pselect. Por ejemplo, digamos que el evento en cuestión fue la salida de un proceso hijo. Antes del comienzo del bucle principal, bloquearíamos SIGCHLD usando sigprocmask. Nuestra llamada pselect podría habilitar SIGCHLD usando la máscara de señal virgen. Nuestro programa se podría parecer a ésto:

int child_events = 0;
void child_sig_handler (int x) {


    child_events++;


    signal (SIGCHLD, child_sig_handler);
}
int main (int argc, char **argv) {


    sigset_t sigmask, orig_sigmask;


    sigemptyset (&sigmask);


    sigaddset (&sigmask, SIGCHLD);


    sigprocmask (SIG_BLOCK, &sigmask,


                                &orig_sigmask);


    signal (SIGCHLD, child_sig_handler);


    for (;;) { /* bucle principal */


        for (; child_events > 0; child_events--) {


            /* procesar el evento aquí */


        }


        r = pselect (nfds, &rd, &wr, &er, 0, &orig_sigmask);


        /* cuerpo principal del programa */


    }
}

Observe que la llamada pselect de arriba puede ser reemplazada con:

        sigprocmask (SIG_BLOCK, &orig_sigmask, 0);


        r = select (nfds, &rd, &wr, &er, 0);


        sigprocmask (SIG_BLOCK, &sigmask, 0);

pero todavía queda la posibilidad de que una señal pueda llegar después del primer sigprocmask y antes de select. Si hace esto, es prudente que ponga al menos un tiempo de espera finito para que el proceso no se bloquee. Es probable que glibc funcione actualmente de esta manera. El núcleo de Linux no tiene todavía una llamada al sistema pselect nativa por lo que probablemente todo esto sea nada más que hablar por hablar.

PRÁCTICA¶

Por lo tanto, ¿cuál es el propósito de select? ¿No puedo simplemente leer y escribir en mis descriptores siempre que quiera? El significado de select es observar varios descriptores al mismo tiempo y poner a dormir adecuadamente a los procesos si no hay ninguna actividad. Esto lo hace mientras le permite manejar varias tuberías y conectores de manera simultánea. Los programadores de Unix a menudo se encuentran en la situación de manejar la E/S de más de un descriptor de fichero donde el flujo de datos puede ser intermitente. Si tan sólo creara una secuencia de llamadas read y write, podría encontrarse con que una de sus llamadas puede bloquearse esperando datos de/a un descriptor de fichero, mientras que otro descriptor de fichero está siendo inutilizado aunque haya datos disponibles. select maneja eficientemente esta situación.

Un ejemplo típico de select lo podemos encontrar en la página de manual de select:

#include <stdio.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int
main(void) {


    fd_set rfds;


    struct timeval tv;


    int retval;


    /* Observar stdin (descriptor 0) para ver cuando hay


       entrada disponible. */


    FD_ZERO(&rfds);


    FD_SET(0, &rfds);


    /* Esperar hasta cinco segundos. */


    tv.tv_sec = 5;


    tv.tv_usec = 0;


    retval = select(1, &rfds, NULL, NULL, &tv);


    /* No confíe en el valor de tv por ahora! */


    if (retval)


        printf("Los datos ya están disponibles.\n");


        /* FD_ISSET(0, &rfds) será verdadero. */


    else


        printf("No ha habido datos en cinco segundos.\n");


    exit(0);
}

EJEMPLO DE REDIRECCIÓN DE PUERTOS¶

Aquí viene un ejemplo que ilustra mejor la verdadera utilidad de select. El listado de abajo es un programa de reenvío TCP que redirige de un puerto TCP a otro.

#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)) < 0) {


        perror ("socket");


        return -1;


    }


    yes = 1;


    if (setsockopt


        (s, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR,


         (char *) &yes, sizeof (yes)) < 0) {


        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)) < 0) {


        perror ("bind");


        close (s);


        return -1;


    }


    printf ("aceptando conexiones en el puerto %d\n",


            (int) listen_port);


    listen (s, 10);


    return s;
}
static int connect_socket (int connect_port,


                           char *address) {


    struct sockaddr_in a;


    int s;


    if ((s = socket (AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {


        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 ("formato de dirección IP incorrecto");


        close (s);


        return -1;


    }


    if (connect


        (s, (struct sockaddr *) &a,


         sizeof (a)) < 0) {


        perror ("connect()");


        shutdown (s, SHUT_RDWR);


        close (s);


        return -1;


    }


    return s;
}
#define SHUT_FD1 {                      \


        if (fd1 >= 0) {                 \


            shutdown (fd1, SHUT_RDWR);  \


            close (fd1);                \


            fd1 = -1;                   \


        }                               \


    }
#define SHUT_FD2 {                      \


        if (fd2 >= 0) {                 \


            shutdown (fd2, SHUT_RDWR);  \


            close (fd2);                \


            fd2 = -1;                   \


        }                               \


    }
#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,


                 "Uso\n\tfwd <puerto-escucha> \
<redirigir-a-puerto> <redirigir-a-dirección-ip>\n");


        exit (1);


    }


    signal (SIGPIPE, SIG_IGN);


    forward_port = atoi (argv[2]);


    h = listen_socket (atoi (argv[1]));


    if (h < 0)


        exit (1);


    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 < 0) {


            perror ("select()");


            exit (1);


        }


        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 < 0) {


                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 < 0) {


                    SHUT_FD1;


                } else


                    printf ("conexión desde %s\n",


                            inet_ntoa


                            (client_address.sin_addr));


            }


        }
/* NB: lee datos OOB antes de las lecturas normales */


        if (fd1 > 0)


            if (FD_ISSET (fd1, &er)) {


                char c;


                errno = 0;


                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;


                errno = 0;


                r = recv (fd2, &c, 1, MSG_OOB);


                if (r < 1) {


                    SHUT_FD1;


                } 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;


            }
/* comprueba si se han escrito tantos datos como se han leído */


        if (buf1_written == buf1_avail)


            buf1_written = buf1_avail = 0;


        if (buf2_written == buf2_avail)


            buf2_written = buf2_avail = 0;
/* si un extremo ha cerrado la conexión, continúa escribiendo al otro


   extremo hasta que no queden datos */


        if (fd1 < 0


            && buf1_avail - buf1_written == 0) {


            SHUT_FD2;


        }


        if (fd2 < 0


            && buf2_avail - buf2_written == 0) {


            SHUT_FD1;


        }


    }


    return 0;
}

El programa anterior reenvía correctamente la mayoría de los tipos de conexiones TCP, incluyendo los datos OOB de señal transmitidos por los servidores telnet. También es capaz de manejar el difícil problema de tener flujos de datos en ambas direcciones a la vez. Podría pensar que es más eficiente hacer una llamada fork() y dedicar un hilo a cada flujo. Esto es más complicado de lo que podría pensar. Otra idea es activar E/S no bloqueante haciendo una llamada ioctl(). Esto también tiene sus problemas ya que acaba teniendo que utilizar plazos de tiempo (timeouts) ineficientes.

El programa no maneja más de una conexión simultánea a la vez, aunque podría extenderse fácilmente para hacer esto con una lista ligada de buffers - uno para cada conexión. Por ahora, una nueva conexión hace que la conexión actual se caiga.

REGLAS DE SELECT¶

Muchas personas que intentan usar select se encuentran con un comportamiento que es difícil de comprender y que produce resultados no transportables o dudosos. Por ejemplo, el programa anterior se ha escrito cuidadosamente para que no se bloquee en ningún punto, aunque para nada ha establecido el modo no bloqueante en sus descriptores de fichero (vea ioctl(2)). Es fácil introducir errores sutiles que hagan desaparecer la ventaja de usar select, por lo que voy a presentar una lista de los aspectos esenciales a tener en cuenta cuando se use la llamada select.

1.

Siempre debe de intentar usar select sin un plazo de tiempo. Su programa no debe tener que hacer nada si no hay datos disponibles. El código que depende de los plazos de tiempo no es normalmente portable y es difícil de depurar.

2.

Para un resultado eficiente, el valor de nfds se debe calcular correctamente de la forma que se explica más abajo.

3.

No debe añadir a ningún conjunto un descriptor de fichero para el que no tenga intención de comprobar su resultado (y responder adecuadamente) tras una llamada a select. Vea la siguiente regla.

4.

Cuando select regrese, se deben comprobar todos los descriptores de fichero de todos los conjuntos. Se debe escribir en cualquier descriptor de fichero que esté listo para ello, se debe leer de cualquier descriptor de fichero que esté listo para ello, etc.

5.

Las funciones read(), recv(), write() y send() no leen/escriben necesariamente todos los datos que haya solicitado. Si leen/escriben todos los datos es porque tiene poco tráfico y un flujo muy rápido. Ese no va a ser siempre el caso. Debe hacer frente al caso en el que sus funciones sólo logren enviar o recibir un único byte.

6.

Nunca lea/escriba byte a byte a menos que esté realmente seguro de que tiene que procesar una pequeña cantidad de datos. Es extremadamente ineficiente no leer/escribir cada vez tantos datos como pueda almacenar. Los buffers del ejemplo anterior son de 1024 bytes aunque podrían fácilmente hacerse tan grandes como el máximo tamaño de paquete posible en su red local.

7.

Además de la llamada select(), las funciones read(), recv(), write() y send() pueden devolver -1 con un errno EINTR o EAGAIN (EWOULDBLOCK) que no son errores. Estos resultados deben tratarse adecuadamente (lo que no se ha hecho en el ejemplo anterior). Si su programa no va a recibir ninguna señal, entonces es muy poco probable que obtenga EINTR. Si su programa no activa E/S no bloqueante, no obtendrá EAGAIN. Sin embargo, todavía debe hacer frente a estos errores por completitud.

8.

Nunca llame a read(), recv(), write() o send() con una longitud de buffer de cero.

9.

Excepto como se indica en 7., las funciones read(), recv(), write() y send() nunca devuelven un valor menor que 1 salvo cuando se produce un error. Por ejemplo, un read() sobre una tubería donde el otro extremo ha muerto devuelve cero (al igual que un error de fin de fichero), pero devuelve cero sólo una vez (un lectura o escritura posterior devolverá -1). Cuando cualquiera de estas funciones devuelva 0 o -1, no debe pasar el descriptor correspondiente a select nunca más. En el ejemplo anterior, cierro el descriptor inmediatamente y le asigno -1 para evitar que se vuelva a incluir en un conjunto.

10.

El valor del plazo de tiempo debe inicializarse con cada nueva llamada a select, ya que algunos sistemas operativos modifican la estructura. pselect, sin embargo, no modifica su estructura de plazo de tiempo.

11.

He oído que la capa de conectores de Windows no sabe tratar adecuadamente los datos OOB. Tampoco sabe tratar llamadas select cuando ningún descriptor de fichero se ha incluido en ningún conjunto. No tener ningún descriptor de fichero activo es una forma útil de domir a un proceso con una precisión de menos de un segundo usando el plazo de tiempo. (Mire más abajo.)

EMULACIÓN DE USLEEP¶

En sistemas que no tienen una función usleep, puede llamar a select con un plazo de espera finito y sin descriptores de fichero de la siguiente manera:

    struct timeval tv;


    tv.tv_sec = 0;


    tv.tv_usec = 200000;  /* 0.2 segundos */


    select (0, NULL, NULL, NULL, &tv);

Sin embargo, sólo se garantiza que funcionará en sistemas Unix.

VALOR DEVUELTO¶

En caso de éxito, select devuelve el número total de descriptores que están presentes todavía en los conjuntos de descriptores de fichero.

Si se cumple el plazo de espera para select, los conjuntos de descriptores de fichero deberían estar vacíos (pero en algunos sistemas puede que no sea así). Sin embargo el valor devuelto será definitivamente cero.

Un valor devuelto de -1 indica un error, y la variable errno será modificada apropiadamente. En caso de error, el contenido de los conjuntos devueltos y la estructura timeout es indefinido y no debería ser usado. pselect, sin embargo, no modifica nunca ntimeout.

ERRORES¶

EBADF

Un conjunto contiene un descriptor de fichero no válido. Este error ocurre a menudo cuando añade a un conjunto un descriptor de fichero sobre el que ya se ha ejecutado la operación close, o cuando ese descriptor de fichero ya ha experimentado alguna clase de error. Por tanto debería dejar de añadir a los conjuntos cualquier descriptor de fichero que devuelva un error de lectura o escritura.

EINTR

Una señal de interrupción fue capturada, como SIGINT o SIGCHLD etc. En este caso debería reconstruir sus conjuntos de descriptores de fichero y volverlo a intentar.

EINVAL

Ocurre si nfds es negativo o si se especifica un valor incorrecto para utimeout o ntimeout.

ENOMEM

Fallo interno de reserva de memoria.

OBSERVACIONES¶

Generalmente hablando, todos los sistemas operativos que soportan conectores, también soportan select. Algunas personas consideran que select es una función esotérica y raramente usada. De hecho, muchos tipos de programas se vuelven extremadamente complicados sin ella. select puede utilizarse para solucionar muchos problemas de manera eficiente y portable. Problemas que los programadores ingenuos tratan de resolver usando hilos, procesos hijos, IPCs, señales, memoria compartida y otros oscuros métodos. pselect es una función más reciente que es menos comúnmente usada.

La llamada al sistema poll(2) tiene la misma funcionalidad que select, pero con un comportamiento menos sutil. Es menos portable que select.

CONFORME A¶

4.4BSD (la función select apareció por primera vez en 4.2BSD). Generalmente portable a/desde sistemas no-BSD que soporten clones de la capa de conector BSD (incluyendo variantes de System V). Sin embargo, observe que la variante de System V establece normalmente la variable timeout antes de salir, mientras que la variante de BSD no lo hace.

La función pselect está definida en IEEE Std 1003.1g-2000 (POSIX.1g). Se encuentra en glibc2.1 en adelante. Glibc2.0 tiene una función con el mismo nombre, que sin embargo no acepta un parámetro sigmask.

VÉASE TAMBIÉN¶

accept(2), connect(2), ioctl(2), poll(2), read(2), recv(2), select(2), send(2), sigaddset(3), sigdelset(3), sigemptyset(3), sigfillset(3), sigismember(3), sigprocmask(2), write(2)

AUTORES¶

Esta página de manual fue escrita por Paul Sheer.