《TCP/IP网络编程》阅读笔记--I/O复用

目录

1--基于I/O复用的服务器

2--select()函数

3--基于I/O复用的回声服务器端

4--send()和recv()函数的常用可选项

5--readv()和writev()函数

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1--基于I/O复用的服务器

        多进程服务器端具有以下缺点：当有多个客户端发起连接请求时，就会创建多个进程来分别处理客户端的请求，创建多个进程往往需要付出巨大的代价；

        I/O复用的服务器端可以减少进程数，无论连接多少个客户端，提供服务的进程都只有 1 个；

2--select()函数

        select() 函数可以将多个文件描述符集中到一起来统一监视，监视文件描述符可以视为监视 socket；集中多个文件描述符时需要按照接收、传输和异常三种情况进行区分；

        select() 通过 fd_set 数组变量来执行监视操作，fd_set 中文件描述符（索引）对应的位（值）被设置为 1 时，表明该文件描述符是监视对象；

// 对 fd_set 数组的常用操作
FD_ZERO(fd_set* fd_set); // 将 fd_set 变量的所有位初始化为0
FD_SET(int fd, fd_set* fdset); // 在参数 fdset 指向的变量中注册文件描述符fd的信息
FD_CLR(int fd, fd_set* fdset); // 从参数 fdset 指向的变量中消除文件描述符fd的信息
FD_ISSET(int fd, fd_set* fdset); // 若参数 fdset 指向的变量中包含文件描述符fd的信息，则返回true

#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>int select(int maxfd, fd_set* readset, fd_set* writeset, fd_set* exceptset, const struct timeval* timeout);
// 成功时返回大于 0 的值，值为发生事件的文件描述符数；失败时返回 -1；超时返回 0
// maxfd 表示监视对象文件描述符的数量
// readset 表示将所有关注“是否存在待读取数据”的文件描述符注册到fd_set型变量，并传递其地址值
// writeset 表示将所有关注“是否可传输无阻塞数据”的文件描述符注册到fd_set型变量，并传递其地址值
// exceptset 表示将所有关注“是否发生异常”的文件描述符注册到fd_set型变量，并传递其地址值
// timeout 表示调用 select() 函数后，为防止陷入无限阻塞的状态，传递超时信息

        select() 函数只有在监视的文件描述符发生变化时才返回，如果未发生变化就会进入阻塞状态；通过指定超时事件可以防止无限阻塞的情况，即使文件描述符中未发生变化，当超过了指定事件，就会从函数中返回，返回值为 0；

        当调用 select() 函数时，除了发生变化的文件描述符之外，所有原来值为 1 的位均会变为 0，因此可知值仍为 1 的文件描述符发生了变化；

// gcc select.c -o select
// ./select
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/select.h>#define BUF_SIZE 30int main(int argc, char* argv[]){fd_set reads, temps;int result, str_len;char buf[BUF_SIZE];struct timeval timeout;FD_ZERO(&reads); // 初始化fd_set变量FD_SET(0, &reads); // 将文件描述符 0 对应的位设置为1，表示监视标准输入（文件描述符0对应标准输入stdin）while(1){temps = reads; // 记录初始值，新循环时重新初始化为初始值timeout.tv_sec = 5; // 超时时间设置为 5stimeout.tv_usec = 0;result = select(1, &temps, 0, 0, &timeout); // 5s内监视是否有标准输入时间发生if(result == -1){puts("select() error!");break;}else if(result == 0){ // 返回值为0表示超时puts("Time-out!");}else{if(FD_ISSET(0, &temps)){ // 验证是否是标准输入发生了变化，打印标准输入的内容str_len = read(0, buf, BUF_SIZE);buf[str_len] = 0;printf("message from console: %s", buf);}}}return 0;
}

3--基于I/O复用的回声服务器端

// gcc echo_selectserv.c -o echo_selectserv
// ./echo_selectserv 9190
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/select.h>#define BUF_SIZE 100void error_handling(char *buf){fputs(buf, stderr);fputc('\n', stderr);exit(1);
}int main(int argc, char* argv[]){int serv_sock, clnt_sock;struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;struct timeval timeout;fd_set reads, cpy_reads;socklen_t adr_sz;int fd_max, str_len, fd_num, i;char buf[BUF_SIZE];if(argc != 2){printf("Usage : %s <port>\n", argv[0]);exit(1);}serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));serv_adr.sin_family = AF_INET;serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));if(bind(serv_sock, (struct sockaddr*) &serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1){error_handling("bind() error"); } if(listen(serv_sock, 5) == -1){error_handling("listen() error");}FD_ZERO(&reads); // 初始化fd_set变量FD_SET(serv_sock, &reads); // 监视 serv_sockfd_max = serv_sock;while(1){cpy_reads = reads; // 记录初始值timeout.tv_sec = 5; // 设置超时时间timeout.tv_usec = 5000;if((fd_num = select(fd_max+1, &cpy_reads, 0, 0, &timeout)) == -1){break;}if(fd_num = 0) continue; // 判断是否是超时// 真的有事件发生，执行以下代码for(i = 0; i < fd_max + 1; i++){if(FD_ISSET(i, &cpy_reads)){ // 查找发生状态变化的文件描述符if(i == serv_sock){ // 服务器端socket有变化，执行受理连接请求adr_sz = sizeof(clnt_adr);clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr*)&clnt_adr, &adr_sz);FD_SET(clnt_sock, &reads); // 将客户端socket注册到fd_set变量中if(fd_max < clnt_sock){fd_max = clnt_sock;}printf("connected client: %d \n", clnt_sock);}else{ // 不是服务器端socket发生变化，表明有要接收的数据str_len = read(i, buf, BUF_SIZE);if(str_len == 0){ // 接收的是 EOF，表明要断开连接FD_CLR(i, &reads);close(i);printf("closed client: %d \n", i);}else{ // 接收的是真实数据write(i, buf, str_len); // 将接收到的数据返回客户端，实现回声功能}}}}}close(serv_sock);return 0;
}

4--send()和recv()函数的常用可选项

#include <sys/socket.h>
ssize_t send(int sockfd, const void* buf, size_t nbytes, int flags);
ssize_t recv(int sockfd, void* buf, size_t nbytes, int flags);
// flags 表示可选项信息

        通常情况下，我们会将 send() 和 recv() 的可选项参数设置为 0，但其实际拥有以下可选项：

① MSG_OOB 表示用于传输带外数据（send、recv）

② MSG_PEEK 表示验证输入缓冲中是否存在接收的数据（recv）

③ MSG_DONTROUTE 表示数据传输过程中不参照路由表，在本地网络中寻找目的地（send）

④ MSG_DONTWAIT 表示调用 I/O 函数时不阻塞，用于使用非阻塞 I/O（send、recv）

⑤ MSG_WAITALL 表示防止函数返回，直到接收全部请求的字节数（recv）

        MSG_OOB 用于发送带外数据的紧急消息，操作系统收到紧急消息时，将产生 SIGURG 信号，并调用注册的信号处理函数；

// gcc oob_recv.c -o oob_recv
// ./oob_recv 9190#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <signal.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <fcntl.h>#define BUF_SIZE 30
int acpt_sock;
int recv_sock;void error_handling(char *message){fputs(message, stderr);fputc('\n', stderr);exit(1);
}void urg_handler(int signo){int str_len;char buf[BUF_SIZE];str_len = recv(recv_sock, buf, sizeof(buf) - 1, MSG_OOB);buf[str_len] = 0;printf("Urgent message: %s \n", buf);
}int main(int argc, char* argv[]){struct sockaddr_in recv_adr, serv_adr;int str_len, state;socklen_t serv_adr_sz;struct sigaction act;char buf[BUF_SIZE];if(argc != 2){printf("Usage : %s <port>\n", argv[0]);exit(1);}act.sa_handler = urg_handler; //设置信号的处理函数sigemptyset(&act.sa_mask);act.sa_flags = 0;acpt_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);memset(&recv_adr, 0, sizeof(recv_adr));recv_adr.sin_family = AF_INET;recv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);recv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));if(bind(acpt_sock, (struct sockaddr*) &recv_adr, sizeof(recv_adr)) == -1){error_handling("bind() error"); }listen(acpt_sock, 5); serv_adr_sz = sizeof(serv_adr);recv_sock = accept(acpt_sock, (struct sockaddr*)&serv_adr, &serv_adr_sz);// getpid() 返回进程ID// recv_sock发生SIGUGR信号，需要有确定的处理进程（假设创建了多个进程）来调用信号处理函数// fcntl() 将 getpid() 返回的进程作为 SIGUGR 信号的处理进程fcntl(recv_sock, F_SETOWN, getpid());state = sigaction(SIGURG, &act, 0); // 发生SIGURG信号时，调用urg_handler()函数while((str_len = recv(recv_sock, buf, sizeof(buf)-1, 0)) != 0){if(str_len == -1){continue;}buf[str_len] = 0;puts(buf);}close(recv_sock);close(acpt_sock);return 0;
}

// gcc oob_send.c -o oob_send
// ./oob_send 127.0.0.1 9190#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>#define BUF_SIZE 30void error_handling(char *message){fputs(message, stderr);fputc('\n', stderr);exit(1);
}int main(int argc, char *argv[]){int sock;struct sockaddr_in recv_adr;if(argc != 3){printf("Usage : %s <IP> <port>\n", argv[0]);exit(1);}sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);memset(&recv_adr, 0, sizeof(recv_adr));recv_adr.sin_family = AF_INET;recv_adr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);recv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));if(connect(sock, (struct sockaddr*)&recv_adr, sizeof(recv_adr)) == -1){error_handling("connect() error!");}write(sock, "123", strlen("123")); send(sock, "4", strlen("4"), MSG_OOB); // 紧急传输数据write(sock, "567", strlen("567"));send(sock, "890", strlen("890"), MSG_OOB); // 紧急传输数据close(sock);return 0;
}

        同时设置 MSG_PEEK 选项和 MSG_DONTWAIT 选项，可以验证输入缓冲中是否存在接收的数据，同时由于设置了 MSG_PEEK 选项，则调用 recv 函数时，即使读取了输入缓冲的数据也不会删除输入缓冲的数据（也就是说下一次读取时，还可以读到上一次读取的数据）；

// gcc peek_recv.c -o peek_recv
// ./peek_recv 9190#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>#define BUF_SIZE 30void error_handling(char *message){fputs(message, stderr);fputc('\n', stderr);exit(1);
}int main(int argc, char* argv[]){int acpt_sock, recv_sock;struct sockaddr_in acpt_adr, recv_adr;int str_len, state;socklen_t recv_adr_sz;char buf[BUF_SIZE];if(argc != 2){printf("Usage : %s <port>\n", argv[0]);exit(1);}acpt_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);memset(&acpt_adr, 0, sizeof(acpt_adr));acpt_adr.sin_family = AF_INET;acpt_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);acpt_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));if(bind(acpt_sock, (struct sockaddr*) &acpt_adr, sizeof(acpt_adr)) == -1){error_handling("bind() error"); }listen(acpt_sock, 5); recv_adr_sz = sizeof(recv_adr);recv_sock = accept(acpt_sock, (struct sockaddr*)&recv_adr, &recv_adr_sz);while(1){// 设置 MSG_PEEK|MSG_DONTWAIT 选项，即使不存在待读取的数据，也不会进入阻塞状态// 假设存在待读取的数据，则读取且不删除输入缓冲的数据，因此下次仍可以读取str_len = recv(recv_sock, buf, sizeof(buf) - 1, MSG_PEEK|MSG_DONTWAIT);if(str_len > 0){break;}}buf[str_len] = 0;printf("Buffering %d bytes: %s \n", str_len, buf);// 读取上一次留在输入缓冲的数据str_len = recv(recv_sock, buf, sizeof(buf) - 1, 0);buf[str_len] = 0;printf("Read again: %s \n", buf);close(acpt_sock);close(recv_sock);return 0;
}

// gcc peek_send.c -o peek_send
// ./peek_send 127.0.0.1 9190#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>void error_handling(char *message){fputs(message, stderr);fputc('\n', stderr);exit(1);
}int main(int argc, char *argv[]){int sock;struct sockaddr_in recv_adr;if(argc != 3){printf("Usage : %s <IP> <port>\n", argv[0]);exit(1);}sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);memset(&recv_adr, 0, sizeof(recv_adr));recv_adr.sin_family = AF_INET;recv_adr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);recv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));if(connect(sock, (struct sockaddr*)&recv_adr, sizeof(recv_adr)) == -1){error_handling("connect() error!");}write(sock, "123", strlen("123"));close(sock);return 0;
}

5--readv()和writev()函数

        readv() 和 writev() 函数对数据进行整合后，再进行读取和发送；即通过 writev() 函数可以将分散保存在多个缓冲中的数据一并发送，通过 readv() 函数可以由多个缓冲分别接收；

#include <sys/uio.h>ssize_t writev(int filedes, const struct iovec* iov, int iovcnt);
// 成功时返回发送的字节数，失败时返回 -1
// filedes 表示文件描述符
// iov 表示 iovec 结构体数组的地址值
// iovcnt 表示向第二个参数传递的数组长度ssize_t readv(int filedes, const struct iovec* iov, int iovcnt);
// 成功时返回接收的字节数，失败时返回 -1// iovec结构体
struct iovec{void* iov_base; // 缓冲地址size_t iov_len; // 缓冲大小
}

代码实例：

// gcc writev.c -o write
// ./write#include <stdio.h>
#include <sys/uio.h>int main(int argc, char* argv[]){struct iovec vec[2];char buf1[] = "ABCDEFG";char buf2[] = "1234567";int str_len;vec[0].iov_base = buf1;vec[0].iov_len = 3; vec[1].iov_base = buf2;vec[1].iov_len = 4;str_len = writev(1, vec, 2); // 向文件描述符1写数据，即向标准输出写数据puts("");printf("Write bytes: %d \n", str_len);return 0;
}

// gcc readv.c -o readv
// ./readv#include <stdio.h>
#include <sys/uio.h>#define BUF_SIZE 100int main(int argc, char *argv[]){struct iovec vec[2];char buf1[BUF_SIZE] = {0,};char buf2[BUF_SIZE] = {0,};int str_len;vec[0].iov_base = buf1;vec[0].iov_len = 5; // 设置最多保存5个字节vec[1].iov_base = buf2;vec[1].iov_len = BUF_SIZE;str_len = readv(0, vec, 2); // 向标准输入（文件描述符0）读数据printf("Read bytes: %d \n", str_len);printf("First message: %s \n", buf1);printf("Second message: %s \n", buf2);return 0;
}