select, pselect, FD_CLR, FD_ISSET, FD_SET, FD_ZERO − Multiplexage d’E/S synchrones

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

int select(int n, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *utimeout);

int pselect(int n, 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);

select() (ou pselect()) est la fonction pivot de la plupart des programmes en C qui gèrent simultanément et de façon efficace plusieurs descripteurs de fichiers (ou sockets). Ses principaux arguments sont trois tableaux de descripteurs de fichiers : readfds, writefds, et exceptfds. select() est généralement utilisé de façon à bloquer en attendant un « changement d’état » d’un ou plusieurs descripteurs de fichiers. Un « changement d’état » est signalé lorsque de nouveaux caractères sont mis à disposition sur le descripteur de fichier ; ou bien lorsque de l’espace devient disponible au niveau des tampons internes du noyau permettant de nouvelles écritures dans le descripteur de fichier, ou bien lorsqu’un descripteur de fichier rencontre une erreur (dans le cas d’une socket ou d’un tube, une telle erreur est levée lorsque l’autre extrémité de la connexion est fermée).

Pour résumer, select() surveille simplement de multiples descripteurs de fichiers, et constitue l’appel Unix standard pour réaliser cette tâche.

Les tableaux de descripteurs de fichier sont appelés ensembles de descripteurs de fichiers. Chaque ensemble est de type fd_set, et son contenu peut être modifié avec les macros FD_CLR(), FD_ISSET(), FD_SET(), et FD_ZERO(). On commence généralement par utiliser FD_ZERO() sur un ensemble venant d’être créé. Ensuite, les descripteurs de fichiers individuels qui vous intéressent peuvent être ajoutés un à un à l’aide de FD_SET(). select() modifie le contenu de ces ensembles selon les règles ci-dessous. Après un appel à select(), vous pouvez vérifier si votre descripteur de fichier est toujours présent dans l’ensemble à l’aide de la macro FD_ISSET(). FD_ISSET() renvoie zéro si le descripteur de fichier est absent et une valeur non nulle sinon. FD_CLR() retire un descripteur de fichier de l’ensemble.

readfds

Cet ensemble est examiné afin de déterminer si des données sont disponibles en lecture à partir d’un de ses descripteurs de fichiers. Suite à un appel à select(), readfds ne contient plus aucun de ses descripteurs de fichiers à l’exception de ceux qui sont immédiatement disponibles pour une lecture via un appel recv() (pour les sockets) ou read() (pour les tubes, fichiers et sockets).

writefds

Cet ensemble est examiné afin de déterminer s’il y a de l’espace afin d’écrire des données dans un de ses descripteurs de fichiers. Suite à un appel à select(), writefds ne contient plus aucun de ses descripteurs de fichiers à l’exception de ceux qui sont immédiatement disponibles pour une écriture via un appel à send() (pour les sockets) ou write() (pour les tubes, fichiers et sockets).

exceptfds

Cet ensemble est examiné pour les exceptions ou les erreurs survenues sur les descripteurs de fichiers. Néanmoins, ceci n’est véritablement rien d’autre qu’une rumeur. exceptfds est en fait utilisé afin de détecter l’occurrence de données hors-bande (Out Of Band). Les données hors bande sont celles qui sont envoyées sur une socket en utilisant le drapeau MSG_OOB, ainsi exceptfds s’applique en réalité uniquement aux sockets. Voir recv(2) et send(2) à ce sujet. Suite à un appel à select(), exceptfds ne contient plus aucun de ses descripteurs de fichiers à l’exception de ceux qui sont disponibles pour une lecture de données hors-bande. Cependant, vous pouvez presque toujours lire uniquement un octet de données hors bande (à l’aide de recv()), et l’écriture de données hors bande (avec send) peut être effectuée à n’importe quel moment et n’est pas bloquante. Il n’y a donc pas de besoin d’un quatrième ensemble afin de vérifier si une socket est disponible pour une écriture de données hors bande.

n

Il s’agit d’un entier valant un de plus que n’importe lequel des descripteurs de fichiers de tous les ensembles. En d’autres termes, lorsque vous ajoutez des descripteurs de fichiers à vos ensembles, vous devez déterminer la valeur entière maximale de tous ces derniers, puis ajouter un à cette valeur, et la passer en argument n à select().

utimeout

Il s’agit du temps le plus long que select() doit attendre avant de rendre la main, même si rien d’intéressant n’est arrivé. Si cette valeur est positionnée à NULL, alors, select() bloque indéfiniment dans l’attente d’un événement. utimeout peut être positionné à zéro seconde, ce qui provoque le retour immédiat de select(). La structure struct timeval est définie comme

struct timeval {
    long tv_sec;    /* secondes */
    long tv_usec;   /* microsecondes */
};

ntimeout

Cet argument a la même signification que utimeout mais struct timespec a une précision à la nanoseconde comme explicité ci-dessous :

struct timespec {
    long tv_sec;    /* secondes */
    long tv_nsec;   /* nanosecondes */
};

sigmask

Cet argument renferme un ensemble de signaux non bloqués pendant un appel pselect() (voir sigaddset(3) et sigprocmask(2)). Il peut valoir NULL, et, dans ce cas, il ne modifie pas l’ensemble des signaux non bloqués à l’entrée et la sortie de la fonction. Il se comporte alors de façon identique à select().

pselect() doit être utilisé si vous attendez tout aussi bien un signal que des données d’un descripteur de fichier. Les programmes qui reçoivent les signaux comme des événements utilisent généralement le gestionnaire de signal uniquement pour lever un drapeau global. Le drapeau global indique que l’événement doit être traiter dans la boucle principale du programme. Un signal provoque l’arrêt de l’appel select() (ou pselect()) avec errno positionnée à EINTR. Ce comportement est essentiel afin que les signaux puissent être traités dans la boucle principale du programme, sinon select() bloquerait indéfiniment. Ceci étant, la boucle principale implante quelque part une condition vérifiant le drapeau global, et l’on doit donc se demander : que se passe t’il si un signal est levé après la condition mais avant l’appel à select() ? La réponse est que select() bloquerait indéfiniment, même si un signal est en fait en attente. Cette "race condition" est résolue par l’appel pselect(). Cet appel peut être utilisé afin de débloquer des signaux qui ne sont pas censés être reçus si ce n’est durant l’appel à pselect(). Par exemple, disons que l’événement en question est la fin d’un processus fils. Avant le démarrage de la boucle principale, nous bloquerions SIGCHLD en utilisant sigprocmask(). Notre appel pselect() débloquerait SIGCHLD en utilisant le masque de signal initial. Le programme ressemblerait à ceci :

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 (;;) { /* main loop */
        for (; child_events > 0; child_events−−) {
            /* do event work here */
        }
        r = pselect (n, &rd, &wr, &er, 0, &orig_sigmask);

       /* corps principal du programme */
    }
}

Quelle est donc la finalité de select() ? Ne puis-je pas simplement lire et écrire dans les descripteurs chaque fois que je le souhaite ? L’objet de select() est de surveiller de multiples descripteurs simultanément et d’endormir proprement le processus s’il n’y a pas d’activité. Il fait ceci tout en vous permettant de gérer de multiples tubes et sockets simultanément. Les programmeurs UNIX se retrouvent souvent dans une situation dans laquelle ils doivent gérer des E/S provenant de plus d’un descripteur de fichier et dans laquelle le flux de données est intermittent. Si vous deviez créer une séquence d’appels read() et write(), vous vous retrouveriez potentiellement bloqué sur un de vos appels attendant pour lire ou écrire des données à partir/vers un descripteur de fichier, alors qu’un autre descripteur de fichier est inutilisé bien qu’il soit disponible pour lire/écrire des données. select() gère efficacement cette situation.

Un exemple simple de l’utilisation de select() peut être trouvé dans la page de manuel select(2).

Voici un exemple qui montre mieux l’utilité réelle de select(). Le code ci-dessous consiste en un programme de « TCP forwarding » qui redirige un port TCP vers un autre.

#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 ("accepting connections on port %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 ("bad IP address format");
        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,
                 "Utilisation\n\tfwd <listen-port> \
<forward-to-port> <forward-to-ip-address>\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, n = 0;
        fd_set rd, wr, er;
        FD_ZERO (&rd);
        FD_ZERO (&wr);
        FD_ZERO (&er);
        FD_SET (h, &rd);
        n = max (n, h);
        if (fd1 > 0 && buf1_avail < BUF_SIZE) {
            FD_SET (fd1, &rd);
            n = max (n, fd1);
        }
        if (fd2 > 0 && buf2_avail < BUF_SIZE) {
            FD_SET (fd2, &rd);
            n = max (n, fd2);
        }
        if (fd1 > 0
            && buf2_avail − buf2_written > 0) {
            FD_SET (fd1, &wr);
            n = max (n, fd1);
        }
        if (fd2 > 0
            && buf1_avail − buf1_written > 0) {
            FD_SET (fd2, &wr);
            n = max (n, fd2);
        }
        if (fd1 > 0) {
            FD_SET (fd1, &er);
            n = max (n, fd1);
        }
        if (fd2 > 0) {
            FD_SET (fd2, &er);
            n = max (n, fd2);
        }

       r = select (n + 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 ("connexion de %s\n",
                            inet_ntoa
                            (client_address.sin_addr));
            }
        }
/* NB : lecture des données hors bande avant les lectures 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;
            }
/* Vérifie si l’écriture de données a provoqué la lecture de données */
        if (buf1_written == buf1_avail)
            buf1_written = buf1_avail = 0;
        if (buf2_written == buf2_avail)
            buf2_written = buf2_avail = 0;
/* une extrémité a fermé la connexion, continue
   d’écrire vers l’autre extrémité jusqu’à  ce que ce soit vide */
        if (fd1 < 0
            && buf1_avail − buf1_written == 0) {
            SHUT_FD2;
        }
        if (fd2 < 0
            && buf2_avail − buf2_written == 0) {
            SHUT_FD1;
        }
    }
    return 0;
}

Le programme ci-dessus redirige correctement la plupart des types de connexions TCP y compris les signaux de données hors bande OOB transmis par les serveurs telnet. Il gère le problème épineux des flux de données bidirectionnels simultanés. Vous pourriez penser qu’il est plus efficace d’utiliser un appel fork() et de dédier une tâche à chaque flux. Cela devient alors plus délicat que vous ne l’imaginez. Une autre idée est de configurer les E/S comme non bloquantes en utilisant un appel ioctl(). Cela pose également problème parce que vous finissez par avoir des timeouts inefficaces.

Le programme ne gère pas plus d’une connexion à la fois bien qu’il soit aisément extensible à une telle fonctionnalité en utilisant une liste chainée de tampons - un pour chaque connexion. Pour l’instant, de nouvelles connexions provoquent l’abandon de la connexion courante.

De nombreuses personnes qui essaient d’utiliser select() obtiennent un comportement difficile à comprendre et produisent des résultats non portables ou des effets de bord. Par exemple, le programme ci-dessus est écrit avec précaution afin de ne bloquer nulle part, même s’il ne positionne pas du tout ses descripteurs de fichiers en mode non bloquant (voir ioctl(2)). Il est facile d’introduire des erreurs subtiles qui annuleraient l’avantage de l’utilisation de select(), aussi, vais-je présenter une liste de points essentiels à contrôler lors de l’utilisation de l’appel select().

1.

Vous devriez toujours essayer d’utiliser select() sans timeout. Votre programme ne devrait rien avoir à faire s’il n’y a pas de données disponibles. Le code dépendant de timeouts n’est en général pas portable et difficile à déboguer.

2.

La valeur n doit être calculée correctement pour des raisons d’efficacité comme expliqué plus haut.

3.

Aucun descripteur de fichier ne doit être ajouté à un quelconque ensemble si vous ne projetez pas de vérifier son état après un appel à select(), et de réagir de façon adéquate. Voir la règle suivante.

4.

Après qu’un appel select() ait rendu la main, tous les descripteurs de fichiers de tous les ensembles devraient être vérifiés pour voir s’ils sont prêts.

5.

Les fonctions read(), recv(), write(), et send() ne lisent ou n’écrivent pas forcément la quantité totale de données spécifiée. Si elles lisent/écrivent la quantité totale, c’est parce que vous avez une faible charge de trafic et un flux rapide. Ce n’est pas toujours le cas. Vous devriez gérer le cas où vos fonctions traitent seulement l’envoi ou la réception d’un unique octet.

6.

Ne lisez/N’écrivez jamais seulement quelques octets à la fois à moins que vous ne soyez absolument sûr de n’avoir qu’une faible quantité de données à traiter. Il est parfaitement inefficace de ne pas lire/écrire autant de données que vous pouvez en stocker à chaque fois. Les tampons de l’exemple ci-dessus font 1024 octets bien qu’ils aient facilement pu être rendus plus grands.

7.

Les fonctions read(), recv(), write(), et send() tout comme l’appel select() peuvent renvoyer -1 avec errno valant EINTR ou EAGAIN (EWOULDBLOCK). Ces résultats doivent être correctement gérés (cela n’est pas fait correctement ci-dessus.) Si votre programme n’est pas censé recevoir de signal, alors, il est hautement improbable que vous obteniez EINTR. Si votre programme n’a pas configuré les E/S en mode non bloquant, vous n’obtiendrez pas de EAGAIN. Néanmoins, vous devriez tout de même gérer ces erreurs dans un soucis de complétude.

8.

N’appelez jamais read(), recv(), write(), ou send() avec un tampon de taille nulle.

9.

Si les fonctions read(), recv(), write() et send() échouent avec des erreurs autres que celles indiquées en7., ou si l’une des fonctions d’entrée renvoie 0, indiquant la fin de fichier, vous ne devriez pas passer ce descripteur de fichier à select(). again. Dans l’exemple ci-dessus, je ferme le descripteur immédiatement, et ensuite, je le positionne à −1 afin qu’il ne soit pas inclus dans un ensemble.

10.

La valeur de timeout doit être initialisée à chaque nouvel appel à select(), puisque des systèmes d’exploitation modifient la structure. Cependant, pselect() ne modifie pas sa structure de timeout.

11.

J’ai entendu que le niveau socket Windows ne traite pas correctement les données hors bande (OOB). Il ne gère pas non plus les appels select() lorsqu’aucun descripteur de fichier n’est positionné. N’avoir aucun descripteur de fichier positionné est un moyen utile afin d’endormir le processus avec une précision inférieure à la seconde en utilisant le timeout. (Voir plus loin.)

Sur les systèmes qui ne possèdent pas la fonction usleep(), vous pouvez appeler select() avec un timeout à valeur finie et sans descripteur de fichier de la façon suivante :

    struct timeval tv;
    tv.tv_sec = 0;
    tv.tv_usec = 200000;  /* 0.2 secondes */
    select (0, NULL, NULL, NULL, &tv);

Le fonctionnement n’est cependant garanti que sur les systèmes Unix.

En cas de succès, select() renvoie le nombre total de descripteurs de fichiers encore présents dans les ensembles de descripteurs de fichiers.

En cas de timeout échu, la valeur de retour sera zéro. Les descripteurs de fichiers devraient tous être vides (mais peuvent ne pas l’être sur certains systèmes).

Une valeur de retour égale à −1 indique une erreur, errno est alors positionné de façon adéquate. En cas d’erreur, les ensembles renvoyés et le contenu de la structure de timeout sont indéfinis et ne devraient pas être exploités. pselect() ne modifie cependant jamais ntimeout.

De façon générale, tous les systèmes d’exploitation qui gèrent les sockets, implantent également select(). De nombreux types de programmes deviennent extrêmement compliqués sans cette fonction. select() peut être utilisé pour résoudre de façon portable et efficace de nombreux problèmes que des programmeurs naïfs essaient de résoudre de manière plus compliquée avec des threads, des forks, des IPCs, des signaux, des mémoires partagées et ainsi de suite.

L’appel système poll(2) a les mêmes fonctionnalités que select(), et est quelque peu plus efficace lors de la surveillance d’ensembles de descripteurs de fichiers parsemés. Il est aujourd’hui largement disponible mais était considéré historiquement comme moins portable que select().

L’API epoll(7), spécifique à Linux, fournit une interface plus efficace que select(2) et poll(2) pour la surveillance d’un grand nombre de descripteurs de fichiers.

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)

Ce document est une traduction réalisée par Stéphan Rafin <stephan DOT rafin AT laposte DOT net> le 16 juin 2002 et révisée le 9 août 2006.

L’équipe de traduction a fait le maximum pour réaliser une adaptation française de qualité. La version anglaise la plus à jour de ce document est toujours consultable via la commande : « LANG=en man 2 select_tut ». N’hésitez pas à signaler à l’auteur ou au traducteur, selon le cas, toute erreur dans cette page de manuel.