linux并发服务器 —— IO多路复用（八）

半关闭、端口复用

半关闭只能实现数据单方向的传输；当TCP 接中A向 B 发送 FIN 请求关闭，另一端 B 回应ACK 之后 (A 端进入 FIN_WAIT_2 状态)，并没有立即发送 FIN 给 A，A 方处于半连接状态 (半开关)，此时 A 可以接收 B 发送的数据，但是 A 已经不能再向 B 发送数据

close不会影响到其他进程，shutdown会影响到其他进程；

网络信息相关的命令

netstat

        -a 所有的Socket

        -p 正在所用socket的程序名称

        -n 直接使用IP地址，不通过域名服务器

端口复用

1. 防止服务器重启时之前绑定的端口还没释放

2. 程序突然退出而系统没有释放端口

IO多路复用简介

I/O多路复用使程序可以同时监听多个文件描述符，提高程序性能；select/poll/epoll

阻塞等待：不占用CPU宝贵时间；但同一时刻只能处理一个操作，效率低。

非阻塞，忙轮询：提高了程序执行效率；但会占用更多的CPU资源。

select/poll：委托内核进行检测，但仍需要进行遍历

epoll：同样委托内核，但无需进行遍历

select

主旨思想：

1. 构造关于文件描述符的列表，将要监听的文件描述符添加到表中

2. 调用系统函数，监听该列表中的文件描述符，知道描述符中的一个/多个进行了I/O操作，函数才返回（该函数是阻塞的，且该函数对于文件描述符的检测是由内核完成的）

3. 返回时，告诉进程有多少描述符要进行I/O操作

返回值： 失败 - -1，成功 - 检测到的描述符个数

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <arpa/inet.h>
#include <cstdlib>
#include <string.h>
#include <sys/select.h>
#include  <unistd.h>using namespace std;int main(){// 创建socketint lfd = socket(PF_INET , SOCK_STREAM , 0);struct sockaddr_in saddr;saddr.sin_port = htons(9999);saddr.sin_family = AF_INET;saddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;// 绑定bind(lfd , (struct sockaddr*)&saddr , sizeof(saddr));// 监听listen(lfd , 8);fd_set rdset , tmp;FD_ZERO(&rdset);FD_SET(lfd , &rdset);int maxfd = lfd+1;while(1){tmp = rdset;// 调用select 系统检测int ret = select(maxfd+1 , &tmp , NULL , NULL , NULL);if(ret == -1){perror("select");exit(-1);}else if(ret == 0){continue;}else{// 检测到了文件描述符的数据发生了改变if(FD_ISSET(lfd , &tmp)){// 有客户端连接进来struct sockaddr_in caddr;socklen_t len = sizeof(caddr);int cfd = accept(lfd , (struct sockaddr*)&caddr , &len);// 添加进去FD_SET(cfd , &rdset);maxfd = maxfd>cfd?maxfd:cfd+1;}for(int i = lfd+1 ; i <= maxfd ; i++){if(FD_ISSET(i , &tmp)){// 说明客户端发来了数据char buf[1024];int len = read(i , buf , sizeof(buf));if(len == -1){perror("read");exit(-1);}else if(len == 0){cout<<"client close..."<<endl;close(i);FD_CLR(i,&rdset);}else{cout<<"发来了数据："<<buf<<endl;write(i , buf , strlen(buf)+1);}}}}}close(lfd);return 0;
}

poll

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <arpa/inet.h>
#include <cstdlib>
#include <string.h>
#include <poll.h>
#include  <unistd.h>using namespace std;int main(){// 创建socketint lfd = socket(PF_INET , SOCK_STREAM , 0);struct sockaddr_in saddr;saddr.sin_port = htons(9999);saddr.sin_family = AF_INET;saddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;// 绑定bind(lfd , (struct sockaddr*)&saddr , sizeof(saddr));// 监听listen(lfd , 8);// 初始化检测文件描述符数组struct pollfd fds[1024];for(int i = 0 ; i<1024 ; i++){fds[i].fd = -1;fds[i].events = POLLIN;}fds[0].fd = lfd;int nfds = 0;while(1){// poll 系统检测int ret = poll(fds , nfds+1 , -1);if(ret == -1){perror("poll");exit(-1);}else if(ret == 0){continue;}else{// 检测到了文件描述符的数据发生了改变if(fds[0].revents & POLLIN){// 有客户端连接进来struct sockaddr_in caddr;socklen_t len = sizeof(caddr);int cfd = accept(lfd , (struct sockaddr*)&caddr , &len);// 添加进去for(int i = 1 ; i < 1024 ; i++){if(fds[i].fd == -1){fds[i].fd = cfd;fds[i].events = POLLIN;break;}}nfds = nfds>cfd?nfds:cfd;}for(int i = 1 ; i <= nfds ; i++){if(fds[i].revents & POLLIN){// 说明客户端发来了数据char buf[1024];int len = read(fds[i].fd , buf , sizeof(buf));if(len == -1){perror("read");exit(-1);}else if(len == 0){cout<<"client close..."<<endl;close(fds[i].fd);fds[i].fd = -1;}else{cout<<"发来了数据："<<buf<<endl;write(fds[i].fd , buf , strlen(buf)+1);}}}}}close(lfd);return 0;
}

epoll

内核，红黑树记录要检测的文件描述符，避免了用户态到内核态的数据拷贝开销；

内核，双链表存放数据改变的文件描述符

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <arpa/inet.h>
#include <cstdlib>
#include <string.h>
#include <sys/epoll.h>
#include  <unistd.h>using namespace std;int main(){// 创建socketint lfd = socket(PF_INET , SOCK_STREAM , 0);struct sockaddr_in saddr;saddr.sin_port = htons(9999);saddr.sin_family = AF_INET;saddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;// 绑定bind(lfd , (struct sockaddr*)&saddr , sizeof(saddr));// 监听listen(lfd , 8);// 创建epoll实例int epfd = epoll_create(100);// 添加监听文件描述符struct epoll_event epev;epev.events = EPOLLIN;epev.data.fd = lfd;epoll_ctl(epfd , EPOLL_CTL_ADD , lfd , &epev);struct epoll_event epevs[1024];while(1){int ret = epoll_wait(epfd , epevs , 1024 , -1);if(ret == -1){perror("epoll");exit(-1);}cout<<ret<<"个发生了改变"<<endl;for(int i = 0 ; i<ret ; i++){int curfd = epevs[i].data.fd;if(curfd == lfd){// 监听的文件描述符有客户端连接struct sockaddr_in caddr;socklen_t len = sizeof(caddr);int cfd = accept(lfd , (struct sockaddr*)&caddr , &len);epev.events = EPOLLIN;epev.data.fd = cfd;epoll_ctl(epfd , EPOLL_CTL_ADD , cfd , &epev);}else{// 有数据到达char buf[1024];int len = read(curfd , buf , sizeof(buf));if(len == -1){perror("read");exit(-1);}else if(len == 0){cout<<"client close..."<<endl;epoll_ctl(epfd , EPOLL_CTL_DEL , curfd , NULL);close(curfd);}else{cout<<"发来了数据："<<buf<<endl;write(curfd , buf , strlen(buf)+1);}}}}close(lfd);close(epfd);return 0;
}

epoll的两种工作模式

LT模式 - 水平触发

默认的工作模式，支持block/no-block；，内核告诉你一个文件描述符是否就绪了，然后你可以对这个就绪的 fd 进行IO操作。如果你不作任何操作，内核还是会继续通知你

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <arpa/inet.h>
#include <cstdlib>
#include <string.h>
#include <sys/epoll.h>
#include  <unistd.h>using namespace std;int main(){// 创建socketint lfd = socket(PF_INET , SOCK_STREAM , 0);struct sockaddr_in saddr;saddr.sin_port = htons(9999);saddr.sin_family = AF_INET;saddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;// 绑定bind(lfd , (struct sockaddr*)&saddr , sizeof(saddr));// 监听listen(lfd , 8);// 创建epoll实例int epfd = epoll_create(100);// 添加监听文件描述符struct epoll_event epev;epev.events = EPOLLIN;epev.data.fd = lfd;epoll_ctl(epfd , EPOLL_CTL_ADD , lfd , &epev);struct epoll_event epevs[1024];while(1){int ret = epoll_wait(epfd , epevs , 1024 , -1);if(ret == -1){perror("epoll");exit(-1);}cout<<ret<<"个发生了改变"<<endl;for(int i = 0 ; i<ret ; i++){int curfd = epevs[i].data.fd;if(curfd == lfd){// 监听的文件描述符有客户端连接struct sockaddr_in caddr;socklen_t len = sizeof(caddr);int cfd = accept(lfd , (struct sockaddr*)&caddr , &len);epev.events = EPOLLIN;epev.data.fd = cfd;epoll_ctl(epfd , EPOLL_CTL_ADD , cfd , &epev);}else{// 有数据到达char buf[5];int len = read(curfd , buf , sizeof(buf));if(len == -1){perror("read");exit(-1);}else if(len == 0){cout<<"client close..."<<endl;epoll_ctl(epfd , EPOLL_CTL_DEL , curfd , NULL);close(curfd);}else{cout<<"发来了数据："<<buf<<endl;write(curfd , buf , strlen(buf)+1);}}}}close(lfd);close(epfd);return 0;
}

ET模式 - 边沿触发

告诉工作方式，只支持no-block，在这种模式下，当描述符从未就绪变为就绪时，内核通过epol告诉你。然后它会假设你知道文件描述符已经就绪，并且不会再为那个文件描述符发送更多的就绪通知，直到你做了某些操作导致那个文件描述符不再为就绪状态了。但是请注意如果一直不对这个 fd 作IO操作，内核不会发送更多的通知 (only once) 。但是缓冲区中的数据不会丢失

ET模式效率比LT模式高，ET模式下必须使用非阻塞套接口，避免由于一个描述符的阻塞读/阻塞写操作把处理多个文件描述符的任务饿死；

要设置边沿触发

1. 需要在epoll_event中设置EPOLLET

2. 

UDP通信实现 - 无需多进程/多线程的并发实现

// server
#include <iostream>
#include <stdio.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
using namespace std;int main(){// 创建socketint fd = socket(PF_INET , SOCK_DGRAM , 0);if(fd == -1){perror("socket");exit(-1);}// 绑定struct sockaddr_in addr;addr.sin_family = AF_INET;addr.sin_port = htons(9999);addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;int ret = bind(fd ,(struct sockaddr*) &addr , sizeof(addr));if(ret == -1){perror("bind");exit(-1);}// 通信while(1){// 接收数据char buf[128];char ip[16];struct sockaddr_in caddr;socklen_t len = sizeof(caddr);int num = recvfrom(fd , buf , sizeof(buf) , 0 , (struct sockaddr*)&caddr , &len);string s1 = "IP: ";s1 += inet_ntop(AF_INET , &caddr.sin_addr.s_addr , ip , sizeof(ip));string s2 = "Port: ";s2 += ntohs(caddr.sin_port);cout<<s1<<" "<<s2<<endl;cout<<"rcv data: "<<buf<<endl;sendto(fd , buf , strlen(buf)+1 , 0 , (struct sockaddr*)&caddr , len);}close(fd);return 0;
}

// client
#include <iostream>
#include <stdio.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
using namespace std;int main(){// 创建socketint fd = socket(PF_INET , SOCK_DGRAM , 0);if(fd == -1){perror("socket");exit(-1);}struct sockaddr_in addr;addr.sin_family = AF_INET;addr.sin_port = htons(9999);inet_pton(AF_INET , "127.0.0.1" , &addr.sin_addr.s_addr);// 通信int num = 0;socklen_t len = sizeof(addr);while(1){char buf[128];sprintf(buf , "hello 647 %d" , num++);sendto(fd , buf , strlen(buf)+1 , 0 , (struct sockaddr*)&addr , len);// 接收数据int num = recvfrom(fd , buf , sizeof(buf) , 0 , NULL , NULL);cout<<"rcv data: "<<buf<<endl;sleep(1);}close(fd);return 0;
}

广播和组播 - 只能使用UDP

广播 - 向子网中多台计算机发送消息，每个广播消息都包含一个特殊的IP地址，这个IP中子网内主机标志部分的二进制全部为1；

1. 只能在局域网中使用

2. 客户端需要绑定服务器广播使用的端口，才能接收到广播消息

组播 （多播） - 标识一组IP接口，是在单播和广播之间的一种折中方案，多播数据包只由对其感兴趣的接口接收；

1. 组播可以用于局域网和广域网

2. 客户端需要加入多播组才能接收到

本地套接字通信

作用：用于进程间的通信；实现流程和网络套接字类似，一般采用TCP的通信流程

服务器端1. 创建监听的套接字int lfd = socket（AF_UNIX/AF_LOCAL ， SOCK_STREAM , 0）;2. 监听套接字绑定本地的套接字文件struct sockaddr_un addr;bind(lfd, addr, len); // 绑定成功后sun_path中的套接字文件会自动生成3. 监听4. 等待并接受客户端请求5. 通信6. 关闭连接

客户端1. 创建通信的套接字2. 绑定本地IP端口3. 连接服务器4. 通信5. 关闭连接

// 服务端
#include <iostream>
#include <stdio.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/un.h>
using namespace std;int main(){unlink("server.sock");// 创建监听套接字int lfd = socket(AF_LOCAL , SOCK_STREAM , 0);if(lfd == -1){perror("socket");exit(-1);}// 绑定本地套接字文件struct sockaddr_un addr;addr.sun_family = AF_LOCAL;strcpy(addr.sun_path , "server.sock");int ret = bind(lfd , (struct sockaddr*)&addr , sizeof(addr));if(ret == -1){perror("bind");exit(-1);}// 监听ret = listen(lfd , 100);if(ret == -1){perror("listen");exit(-1);}// 等待客户端连接struct sockaddr_un caddr;socklen_t len = sizeof(caddr);int cfd = accept(lfd , (struct sockaddr*)&caddr , &len);if(cfd == -1){perror("accept");exit(-1);}cout<<"客户端文件："<<caddr.sun_path<<endl;// 通信while(1){char buf[128];int len = recv(cfd , buf , sizeof(buf) , 0);if(len ==  -1){perror("recv");exit(-1);}else if(len == 0){cout<<"client close..."<<endl;break;}else{cout<<"recv data: "<<buf<<endl;send(cfd , buf , len , 0);}}close(cfd);close(lfd);return 0;
}

// 客户端
#include <iostream>
#include <stdio.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/un.h>
using namespace std;int main(){unlink("client.sock");// 创建监听套接字int cfd = socket(AF_LOCAL , SOCK_STREAM , 0);if(cfd == -1){perror("socket");exit(-1);}// 绑定本地套接字文件struct sockaddr_un addr;addr.sun_family = AF_LOCAL;strcpy(addr.sun_path , "client.sock");int ret = bind(cfd , (struct sockaddr*)&addr , sizeof(addr));if(ret == -1){perror("bind");exit(-1);}// 连接服务器struct sockaddr_un saddr;saddr.sun_family = AF_LOCAL;strcpy(saddr.sun_path , "server.sock");ret = connect(cfd , (struct sockaddr*)&saddr , sizeof(saddr));if(ret == -1){perror("connect");exit(-1);}// 通信int num = 0;while(1){char buf[128];sprintf(buf , "hello 647 %d\n" , num++);send(cfd , buf , strlen(buf)+1 , 0);int len = recv(cfd , buf , sizeof(buf) , 0);if(len ==  -1){perror("recv");exit(-1);}else if(len == 0){cout<<"Server close..."<<endl;break;}else{cout<<"recv data: "<<buf<<endl;}sleep(1);}close(cfd);return 0;
}