NAME
select, pselect - 동기적 I/O 다중화
SYNOPSIS
select(2)를 보라.
DESCRIPTION
select() 및 pselect() 시스템 호출을 이용해 여러 파일 디스크립터를 효율적으로 감시할 수 있다. 그 중 일부가 "준비" 상태가 됐는지, 즉 I/O가 가능해졌거나 그 중 일부에서 "예외적인 상황"이 발생했는지 알아볼 수 있다.
이 페이지는 이 시스템 호출들의 이용에 대한 배경 정보와 따라하기를 제공한다. pselect()와 pselect()의 인자 및 동작에 대한 자세한 내용은 select(2)를 보라.
시그널과 데이터 이벤트 병행하기
파일 디스크립터가 I/O 준비가 되는 것뿐 아니라 시그널도 함께 기다릴 때 pselect()가 유용하다. 시그널을 받는 프로그램들은 보통 시그널 핸들러에서 전역 플래그에 표시만 해 둔다. 그 전역 플래그는 프로그램 메인 루프에서 이벤트를 처리해야 한다는 표시이다. 시그널이 전달되면 select() (또는 pselect()) 호출이 errno에 EINTR를 설정하고 반환하게 된다. 이렇게 동작하지 않는다면 select()가 무한정 블록 할 수도 있으므로 이 동작 방식은 프로그램 메인 루프에서 시그널을 처리하는 데 꼭 필요하다.
이제 메인 루프 내의 어딘가에 조건문이 있어서 그 전역 플래그를 확인할 것이다. 그런데 그 조건문 다음에, 그러면서 select() 호출 전에 시그널이 도착하면 어떻게 될까? 답은, 처리를 기다리는 이벤트가 분명 있는데도 select()가 무한정 블록 하게 된다는 것이다. 이 경쟁 조건을 해결해 주는 것이 pselect() 호출이다. 이 호출을 사용하면 pselect() 호출 내에서만 수신할 시그널들을 그 시그널 마스크에 설정할 수 있다. 예를 들어 문제의 이벤트가 자식 프로세스 종료라고 하자. 일단 메인 루프 시작 전에 sigprocmask(2)를 이용해 SIGCHLD를 막아 둔다. 그리고 빈 시그널 마스크를 사용하면 pselect()에서 SIGCHLD를 활성화한다. 다음과 같은 프로그램이 될 것이다.
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 (;;) { /* 메인 루프 */
/* pselect() 호출 전에 readfds, writefds,
exceptfds를 설정한다. (코드 생략) */
r = pselect(nfds, &readfds, &writefds, &exceptfds,
NULL, &empty_mask);
if (r == -1 && errno != EINTR) {
/* 오류 처리 */
}
if (got_SIGCHLD) {
got_SIGCHLD = 0;
/* 시그널로 받은 이벤트를 여기서 처리.
가령 종료한 자식들 wait() 하기. (코드 생략) */
}
/* 프로그램 주 작업 */
}
}
실용성
근데 select()가 왜 있는 걸까? 그냥 하고 싶을 때 파일 디스크립터에서 읽기와 쓰기를 하면 안 될까? select()의 핵심은 동시에 여러 파일 디스크립터를 감시하고 아무 활동이 없으면 올바로 프로세스를 잠들게 한다는 점이다. 유닉스 프로그래머들은 종종 데이터 흐름이 간헐적인 여러 파일 디스크립터들에서 I/O 처리를 해야 할 때가 있다. 단순히 read(2)와 write(2)를 차례로 호출하기만 한다면 어떤 파일 디스크립터에 대기하며 호출이 블록하고 있는 동안 다른 파일 디스크립터가 I/O 준비 상태인데도 사용하지 못하는 경우를 보게 될 것이다. select()로 그런 상황에 효율적으로 대처할 수 있다.
선택 규칙
select()를 써 보려는 많은 이들은 이해하기 어려우며 이식성이 없거나 오락가락하는 결과를 내놓는 동작 방식에 부닥친다. 예를 들어 위 프로그램은 파일 디스크립터를 논블로킹 모드로 설정하지 않았지만 어느 지점에서도 블록 하지 않도록 조심스럽게 작성된 것이다. 자칫하면 select()를 쓰는 장점을 없애 버리는 미묘한 오류를 만들게 되기 쉬우므로 select() 사용 시 주의해야 할 핵심 사항들을 여기 나열한다.
-
가급적
select()를 타임아웃 없이 쓰는 게 좋다. 가용 데이터가 없으면 프로그램에서 할 일이 없어야 한다. 타임아웃에 의존하는 코드는 항상 이식 가능하지는 않으며 디버그 하기 어렵다. -
효율성을 위해
nfds의 값을 위에 설명한 것처럼 올바로 계산해야 한다. -
select()호출 후에 결과를 확인해서 적절히 대응할 게 아니라면 파일 디스크립터를 아무 집합에도 추가하지 마라. 다음 규칙 참고. -
select()반환 후에 모든 집합의 모든 파일 디스크립터들을 확인하는 게 좋다. -
read(2), recv(2), write(2), send(2) 함수가 꼭 요청 데이터 모두를 읽는/쓰는 것은 아니다. 전체를 읽는다면/쓴다면 그건 트래픽 부하가 작고 스트림이 빠르기 때문이다. 그런데 항상 그렇지는 않다. 함수에서 한 바이트만 겨우 보내거나 받는 경우에 대처해야 한다.
-
처리할 데이터가 정말 조금만 있는 경우가 아니면 절대 한번에 한 바이트씩 읽지/쓰지 마라. 버퍼를 최대한 채워서 데이터를 읽지/쓰지 않으면 매우 비효율적으로 된다. 아래 예의 버퍼들은 1024바이트지만 손쉽게 크기를 키울 수 있다.
-
read(2), recv(2), write(2), send(2),
select()호출이EINTR오류로 실패할 수 있으며 read(2), recv(2), write(2), send(2) 호출이 실패해서errno에EAGAIN(EWOULDBLOCK)이 설정될 수 있다. 그런 경우들을 제대로 처리해야 한다. (위에서는 그러지 않았다.) 프로그램이 어떤 시그널도 받지 않는다면 아마EINTR가 나오지 않을 것이다. 프로그램에서 논블로킹 I/O를 설정하지 않으면EAGAIN이 나오지 않을 것이다. -
절대로 버퍼 길이를 0으로 해서 read(2), recv(2), write(2), send(2)를 호출하지 마라.
-
함수 read(2), recv(2), write(2), send(2)가 7번에 나열한 것 외의 오류로 실패하거나 입력 함수들이 파일 끝을 나타내는 0을 반환하는 경우에는 그 파일 디스크립터를
select()로 다시 전달하지 않아야 한다. 위 예에서는 파일 디스크립터를 즉시 닫고서 -1로 설정해서 집합에 포함되는 걸 방지한다. -
select()를 호출할 때마다 타임아웃 값을 설정해야 한다. 일부 운영 체제에서 그 구조체를 변경하기 때문이다. 하지만pselect()에서는 타임아웃 구조체를 변경하지 않는다. -
select()에서 파일 디스크립터 집합들을 변경하므로 루프 안에서 호출을 하는 경우라면 호출 전에 매번 집합들을 다시 설정해야 한다.
RETURN VALUE
select(2)를 보라.
NOTES
일반적으로 말해서 소켓을 지원하는 운영 체제들은 모두 select()도 지원한다. select()를 쓰면 초보 프로그래머가 스레드, 포크, IPC, 시그널, 메모리 공유 등을 이용해 복잡하게 해결하려 하는 여러 문제들을 이식성 있고 효율적인 방식으로 해결할 수 있다.
poll(2) 시스템 호출은 select()와 기능성이 같으며 파일 디스크립터들이 드문드문한 집합을 감시할 때 조금 더 효율적이다. 요즘은 널리 사용 가능하지만 역사적으로는 select()보다 이식성이 낮았다.
리눅스 전용인 epoll(7) API는 많은 파일 디스크립터들을 감시할 때 select(2) 및 poll(2)보다 효율적인 인터페이스를 제공한다.
EXAMPLES
다음은 select()의 유용성을 더 제대로 보여 주는 예시이다. 한 TCP 포트에서 다른 포트로 전달을 하는 TCP 포워딩 프로그램이다.
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/select.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 addr;
int lfd;
int yes;
lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (lfd == -1) {
perror("socket");
return -1;
}
yes = 1;
if (setsockopt(lfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR,
&yes, sizeof(yes)) == -1) {
perror("setsockopt");
close(lfd);
return -1;
}
memset(&addr, 0, sizeof(addr));
addr.sin_port = htons(listen_port);
addr.sin_family = AF_INET;
if (bind(lfd, (struct sockaddr *) &addr, sizeof(addr)) == -1) {
perror("bind");
close(lfd);
return -1;
}
printf("accepting connections on port %d\n", listen_port);
listen(lfd, 10);
return lfd;
}
static int
connect_socket(int connect_port, char *address)
{
struct sockaddr_in addr;
int cfd;
cfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (cfd == -1) {
perror("socket");
return -1;
}
memset(&addr, 0, sizeof(addr));
addr.sin_port = htons(connect_port);
addr.sin_family = AF_INET;
if (!inet_aton(address, (struct in_addr *) &addr.sin_addr.s_addr)) {
fprintf(stderr, "inet_aton(): bad IP address format\n");
close(cfd);
return -1;
}
if (connect(cfd, (struct sockaddr *) &addr, sizeof(addr)) == -1) {
perror("connect()");
shutdown(cfd, SHUT_RDWR);
close(cfd);
return -1;
}
return cfd;
}
#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 = 0, buf1_written = 0;
int buf2_avail = 0, buf2_written = 0;
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 ready, nfds = 0;
ssize_t nbytes;
fd_set readfds, writefds, exceptfds;
FD_ZERO(&readfds);
FD_ZERO(&writefds);
FD_ZERO(&exceptfds);
FD_SET(h, &readfds);
nfds = max(nfds, h);
if (fd1 > 0 && buf1_avail < BUF_SIZE)
FD_SET(fd1, &readfds);
/* 참고: 아래에서 fd1을 exceptfds에 추가할 때
nfds를 갱신함. */
if (fd2 > 0 && buf2_avail < BUF_SIZE)
FD_SET(fd2, &readfds);
if (fd1 > 0 && buf2_avail - buf2_written > 0)
FD_SET(fd1, &writefds);
if (fd2 > 0 && buf1_avail - buf1_written > 0)
FD_SET(fd2, &writefds);
if (fd1 > 0) {
FD_SET(fd1, &exceptfds);
nfds = max(nfds, fd1);
}
if (fd2 > 0) {
FD_SET(fd2, &exceptfds);
nfds = max(nfds, fd2);
}
ready = select(nfds + 1, &readfds, &writefds, &exceptfds, NULL);
if (ready == -1 && errno == EINTR)
continue;
if (ready == -1) {
perror("select()");
exit(EXIT_FAILURE);
}
if (FD_ISSET(h, &readfds)) {
socklen_t addrlen;
struct sockaddr_in client_addr;
int fd;
addrlen = sizeof(client_addr);
memset(&client_addr, 0, addrlen);
fd = accept(h, (struct sockaddr *) &client_addr, &addrlen);
if (fd == -1) {
perror("accept()");
} else {
SHUT_FD1;
SHUT_FD2;
buf1_avail = buf1_written = 0;
buf2_avail = buf2_written = 0;
fd1 = fd;
fd2 = connect_socket(forward_port, argv[3]);
if (fd2 == -1)
SHUT_FD1;
else
printf("connect from %s\n",
inet_ntoa(client_addr.sin_addr));
/* 닫은 이전 파일 디스크립터들의 이벤트 무시. */
continue;
}
}
/* 주의: OOB 데이터를 일반 데이터 전에 읽을 것. */
if (fd1 > 0 && FD_ISSET(fd1, &exceptfds)) {
char c;
nbytes = recv(fd1, &c, 1, MSG_OOB);
if (nbytes < 1)
SHUT_FD1;
else
send(fd2, &c, 1, MSG_OOB);
}
if (fd2 > 0 && FD_ISSET(fd2, &exceptfds)) {
char c;
nbytes = recv(fd2, &c, 1, MSG_OOB);
if (nbytes < 1)
SHUT_FD2;
else
send(fd1, &c, 1, MSG_OOB);
}
if (fd1 > 0 && FD_ISSET(fd1, &readfds)) {
nbytes = read(fd1, buf1 + buf1_avail,
BUF_SIZE - buf1_avail);
if (nbytes < 1)
SHUT_FD1;
else
buf1_avail += nbytes;
}
if (fd2 > 0 && FD_ISSET(fd2, &readfds)) {
nbytes = read(fd2, buf2 + buf2_avail,
BUF_SIZE - buf2_avail);
if (nbytes < 1)
SHUT_FD2;
else
buf2_avail += nbytes;
}
if (fd1 > 0 && FD_ISSET(fd1, &writefds) && buf2_avail > 0) {
nbytes = write(fd1, buf2 + buf2_written,
buf2_avail - buf2_written);
if (nbytes < 1)
SHUT_FD1;
else
buf2_written += nbytes;
}
if (fd2 > 0 && FD_ISSET(fd2, &writefds) && buf1_avail > 0) {
nbytes = write(fd2, buf1 + buf1_written,
buf1_avail - buf1_written);
if (nbytes < 1)
SHUT_FD2;
else
buf1_written += nbytes;
}
/* 데이터 쓰기가 데이터 읽기를 따라잡았는지 확인하자. */
if (buf1_written == buf1_avail)
buf1_written = buf1_avail = 0;
if (buf2_written == buf2_avail)
buf2_written = buf2_avail = 0;
/* 한쪽이 연결을 닫았다. 반대쪽에선 완전히
비울 때까지 쓰기를 계속하자. */
if (fd1 < 0 && buf1_avail - buf1_written == 0)
SHUT_FD2;
if (fd2 < 0 && buf2_avail - buf2_written == 0)
SHUT_FD1;
}
exit(EXIT_SUCCESS);
}
위 프로그램은 telnet 서버가 전송하는 OOB 신호 데이터를 포함해 대부분의 TCP 연결을 제대로 전달한다. 양방향 모두로 데이터 흐름이 있는 까다로운 문제를 잘 처리한다. fork(2) 호출을 해서 각 스트림에 스레드를 하나씩 쓰는 게 더 효율적이라 생각할 수도 있을 것이다. 하지만 실제 해 보면 생각보다 까다롭다. 또 fcntl(2)을 써서 논블로킹 I/O를 설정하는 걸 생각할 수 있다. 하지만 비효율적인 타임아웃 방식을 쓰게 되므로 역시 문제가 있다.
이 프로그램에서는 동시 연결 한 개만 처리하고 있지만 버퍼들의 연결 리스트를 두고 연결마다 하나씩 쓰게 하면 손쉽게 확장할 수 있다. 현재는 새 연결이 들어오면 현재 연결을 버리게 된다.
SEE ALSO
accept(2), connect(2), poll(2), read(2), recv(2), select(2), send(2), sigprocmask(2), write(2), epoll(7)
2021-03-22