Linux系統下fd分配的方法
最近幾天在公司里寫網絡通訊的代碼比較多，自然就會涉及到IO事件監測方法的問題。我驚奇的發現select輪訓的方法在那里居然還大行其道。我告訴他們現在無論在Linux系統下，還是windows系統下，select都應該被廢棄不用了，其原因是在兩個平臺上select的系統調用都有一個可以說是致命的坑。
在windows上面單個fd_set中容納的socket handle個數不能超過FD_SETSIZE(在win32 winsock2.h里其定義為64，以VS2010版本為準)，并且fd_set結構使用一個數組來容納這些socket handle的，每次FD_SET宏都是向這個數組中放入一個socket handle，并且此過程中是限定了不能超過FD_SETSIZE，具體請自己查看winsock2.h中FD_SET宏的定義。
此處的問題是
若本身fd_set中的socket handle已經達到FD_SETSIZE個，那么后續的FD_SET操作實際上是沒有效果的，對應socket handle的IO事件將被遺漏！！！
而在Linux系統下面，該問題其實也是處在fd_set的結構和FD_SET宏上。此時fd_set結構是使用bit位序列來記錄每一個待檢測IO事件的fd。記錄的方式稍微復雜，如下
/usr/include/sys/select.h中
- typedef long int __fd_mask;
- #define __NFDBITS (8 * sizeof (__fd_mask))
- #define __FDELT(d) ((d) / __NFDBITS)
- #define __FDMASK(d) ((__fd_mask) 1 << ((d) % __NFDBITS))
- typedef struct
- {
- /* XPG4.2 requires this member name. Otherwise avoid the name
- from the global namespace. */
- #ifdef __USE_XOPEN
- __fd_mask fds_bits[__FD_SETSIZE / __NFDBITS];
- # define __FDS_BITS(set) ((set)->fds_bits)
- #else
- __fd_mask __fds_bits[__FD_SETSIZE / __NFDBITS];
- # define __FDS_BITS(set) ((set)->__fds_bits)
- #endif
- } fd_set;
- #define FD_SET(fd, fdsetp) __FD_SET (fd, fdsetp)
/usr/include/bits/select.h中
- 1 # define __FD_SET(d, set) (__FDS_BITS (set)[__FDELT (d)] |= __FDMASK (d))
可以看出，在上面的過程，實際上每個bit在fd_set的bit序列中的位置對應于fd的值。而fd_set結構中bit位個數是__FD_SETSIZE定義的，__FD_SETSIZE在/usr/include/bits/typesize.h(包含關系如下sys/socket.h -> bits/types.h -> bits/typesizes.h)中被定義為1024。
現在的問題是，當fd>=1024時，FD_SET宏實際上會引起內存寫越界。而實際上在man select中對已也有明確的說明，如下
NOTES
An fd_set is a fixed size buffer. Executing FD_CLR() or FD_SET() with a value of fd that is negative or is equal to or
larger than FD_SETSIZE will result in undefined behavior. Moreover, POSIX requires fd to be a valid file descriptor.
這一點包括之前的我，是很多人沒有注意到的，并且云風大神有篇博文《一起 select 引起的崩潰》也描述了這個問題。
可以看出在Linux系統select也是不安全的，若想使用，得小心翼翼的確認fd是否達到1024，但這很難做到，不然還是老老實實的用poll或epoll吧。
扯得有點遠了，但也引出了本片文章要敘述的主題，就是Linux系統下fd值是怎么分配確定，大家都知道fd是int類型，但其值是怎么增長的，在下面的內容中我對此進行了一點分析，以2.6.30版本的kernel為例，歡迎拍磚。
首先得知道是哪個函數進行fd分配，對此我以pipe為例，它是分配fd的一個典型的syscall，在fs/pipe.c中定義了pipe和pipe2的syscall實現，如下
- SYSCALL_DEFINE2(pipe2, int __user *, fildes, int, flags)
- {
- int fd[2];
- int error;
- error = do_pipe_flags(fd, flags);
- if (!error) {
- if (copy_to_user(fildes, fd, sizeof(fd))) {
- sys_close(fd[0]);
- sys_close(fd[1]);
- error = -EFAULT;
- }
- }
- return error;
- }
- SYSCALL_DEFINE1(pipe, int __user *, fildes)
- {
- return sys_pipe2(fildes, 0);
- }
進一步分析do_pipe_flags()實現，發現其使用get_unused_fd_flags(flags)來分配fd的，它是一個宏
#define get_unused_fd_flags(flags) alloc_fd(0, (flags))，位于include/linux/fs.h中
好了咱們找到了主角了，就是alloc_fd()，它就是內核章實際執行fd分配的函數。其位于fs/file.c，實現也很簡單，如下
int alloc_fd(unsigned start, unsigned flags)
{
struct files_struct *files = current->files;
unsigned int fd;
int error;
struct fdtable *fdt;
spin_lock(&files->file_lock);
repeat:
fdt = files_fdtable(files);
fd = start;
if (fd < files->next_fd)
fd = files->next_fd;
if (fd < fdt->max_fds)
fd = find_next_zero_bit(fdt->open_fds->fds_bits,
fdt->max_fds, fd);
error = expand_files(files, fd);
if (error < 0)
goto out;
/*
* If we needed to expand the fs array we
* might have blocked - try again.
*/
if (error)
goto repeat;
if (start <= files->next_fd)
files->next_fd = fd + 1;
FD_SET(fd, fdt->open_fds);
if (flags & O_CLOEXEC)
FD_SET(fd, fdt->close_on_exec);
else
FD_CLR(fd, fdt->close_on_exec);
error = fd;
#if 1
/* Sanity check */
if (rcu_dereference(fdt->fd[fd]) != NULL) {
printk(KERN_WARNING "alloc_fd: slot %d not NULL!\n", fd);
rcu_assign_pointer(fdt->fd[fd], NULL);
}
#endif
out:
spin_unlock(&files->file_lock);
return error;
}
在pipe的系統調用中start值始終為0，而中間比較關鍵的expand_files()函數是根據所給的fd值，判斷是否需要對進程的打開文件表進行擴容，其函數頭注釋如下
- /*
- * Expand files.
- * This function will expand the file structures, if the requested size exceeds
- * the current capacity and there is room for expansion.
- * Return <0 error code on error; 0 when nothing done; 1 when files were
- * expanded and execution may have blocked.
- * The files->file_lock should be held on entry, and will be held on exit.
- */
此處對其實現就不做深究了，回到alloc_fd()，現在可以看出，其分配fd的原則是
每次優先分配fd值最小的空閑fd，當分配不成功，即返回EMFILE的錯誤碼，這表示當前進程中fd太多。
到此也印證了在公司寫的服務端程序(kernel是2.6.18)中，每次打印client鏈接對應的fd值得變化規律了，假如給一個新連接分配的fd值為8，那么其關閉之后，緊接著的新的鏈接分配到的fd也是8，再新的鏈接的fd值是逐漸加1的。
為此，我繼續找了一下socket對應fd分配方法，發現最終也是 alloc_fd(0, (flags)，調用序列如下
socket(sys_call) -> sock_map_fd() -> sock_alloc_fd() -> get_unused_fd_flags()
open系統調用也是用get_unused_fd_flags()，這里就不列舉了。
現在想回頭說說開篇的select的問題。由于Linux系統fd的分配規則，實際上是已經保證每次的fd值盡量的小，一般非IO頻繁的系統，的確一個進程中fd值達到1024的概率比較小。因而對此到底是否該棄用select，還不能完全地做絕對的結論。如果設計的系統的確有其他措施保證fd值小于1024，那么用select無可厚非。
但在網絡通訊程序這種場合是絕不應該作此假設的，所以還是盡量的不用select吧！！
