lv8 嵌入式开发-网络编程开发 15I/O多路复用及select函数
目录
1 I/O多路复用
1.1 select函数及其他接口相关介绍
1.2 原TCP—socket示例:
1.3 实现select函数TCP—socket示例:
2 练习
1 I/O多路复用
多路复用的实现方式
1.1 select函数及其他接口相关介绍
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);struct timeval {long tv_sec; /* 秒 */long tv_usec; /* 微秒 */
};
select
是一个用于多路复用 I/O 的系统调用函数,它可以同时监视多个文件描述符的可读、可写和异常事件。(特殊用法:也可以用于阻塞微秒级,其他文件描述符功能都设为NULL不使用)。
参数说明如下:
nfds
:监视的文件描述符的数量,即需要检查的最大文件描述符值加一。readfds
:用于检查可读事件的文件描述符集合。(常用,一般多路监听都是可读)writefds
:用于检查可写事件的文件描述符集合。exceptfds
:用于检查异常事件的文件描述符集合。timeout
:超时时间。 NULL:永久阻塞, 0:非阻塞模式
select
函数会根据参数中的文件描述符集合和超时时间进行监视,当满足条件的事件发生时,select
函数会返回,同时将对应的文件描述符集合进行修改。具体的返回值和集合的修改情况如下:
- 若超时时间到达,返回值为0。
- 若有错误发生,返回值为-1,并设置相应的错误码。
- 若有可读事件发生,
readfds
中对应的文件描述符会被修改,返回值为大于 0。 - 若有可写事件发生,
writefds
中对应的文件描述符会被修改,返回值为大于 0。 - 若有异常事件发生,
exceptfds
中对应的文件描述符会被修改,返回值为大于 0。
通过不断地调用 select
函数,可以实现在多个文件描述符上进行非阻塞的 I/O 监听,以便及时处理可读、可写和异常事件。
fd_set结构体:每一位代表1个文件描述符,值为0或1,nfds代表最大的文件描述符+1。
补充:在标准的 C 库头文件 <sys/select.h>
中,fd_set
是通过一个固定大小的数组来实现的。数组的大小由宏 FD_SETSIZE
定义。一般情况下,FD_SETSIZE
的默认值是 1024。
/*将文件描述符从集合中删除*/
void FD_CLR(int fd, fd_set *set); /*查看文件描述符是否存在于集合当中*/
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set);/*添加文件描述符*/
void FD_SET(int fd, fd_set *set); /*初始化集合*/
void FD_ZERO(fd_set *set);
1.2 原TCP—socket示例:
server.c
#include "net.h"int main(int argc, char *argv[])
{/*检查参数,小于3个 直接退出进程*/Argment(argc, argv);/*创建已设置监听模式的套接字*/int fd = CreateSocket(argv);/*接收客户端连接,并生成新的文件描述符*/int newfd = accept(fd, NULL, NULL);if(newfd < 0)perror("accept");/*处理客户端数据*/while(DataHandle(newfd) > 0);return 0;
}
socket.c
#include "net.h"void Argment(int argc, char *argv[]){if(argc < 3){fprintf(stderr, "%s<addr><port>\n", argv[0]);exit(0);}
}
int CreateSocket(char *argv[]){/*创建套接字*/int fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if(fd < 0)ErrExit("socket");/*允许地址快速重用*/int flag = 1;if( setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &flag, sizeof(flag) ) )perror("setsockopt");/*设置通信结构体*/Addr_in addr;bzero(&addr, sizeof(addr) );addr.sin_family = AF_INET;addr.sin_port = htons( atoi(argv[2]) );/*绑定通信结构体*/if( bind(fd, (Addr *)&addr, sizeof(Addr_in) ) )ErrExit("bind");/*设置套接字为监听模式*/if( listen(fd, BACKLOG) )ErrExit("listen");return fd;
}
int DataHandle(int fd){char buf[BUFSIZ] = {};int ret = recv(fd, buf, BUFSIZ, 0);if(ret < 0)perror("recv");if(ret > 0)printf("data: %s\n", buf);return ret;
}
net.h
#ifndef _NET_H_
#define _NET_H_#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/tcp.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <strings.h>
#include <errno.h>typedef struct sockaddr Addr;
typedef struct sockaddr_in Addr_in;
#define BACKLOG 5
#define ErrExit(msg) do { perror(msg); exit(EXIT_FAILURE); } while(0)void Argment(int argc, char *argv[]);
int CreateSocket(char *argv[]);
int DataHandle(int fd);#endif
1.3 实现select函数TCP—socket示例:
sever.c
#include "net.h"
#include <sys/select.h>
#define MAX_SOCK_FD 1024int main(int argc, char *argv[])
{int i, ret, fd, newfd;fd_set set, tmpset;Addr_in clientaddr;socklen_t clientlen = sizeof(Addr_in);/*检查参数,小于3个 直接退出进程*/Argment(argc, argv);/*创建已设置监听模式的套接字*/fd = CreateSocket(argv);FD_ZERO(&set);FD_ZERO(&tmpset);FD_SET(fd, &set);while(1){tmpset = set; //temp文件描述符集合会被 select 函数修改以反映就绪的文件描述符情况。if( (ret = select(MAX_SOCK_FD, &tmpset, NULL, NULL, NULL)) < 0)ErrExit("select"); //宏定义了一个错误处理if(FD_ISSET(fd, &tmpset) ){/*接收客户端连接,并生成新的文件描述符*/if( (newfd = accept(fd, (Addr *)&clientaddr, &clientlen) ) < 0)perror("accept");printf("[%s:%d]已建立连接\n", inet_ntoa(clientaddr.sin_addr), ntohs(clientaddr.sin_port));FD_SET(newfd, &set); //新客户端文件描述符加入set中}else{ //处理客户端数据for(i = fd + 1; i < MAX_SOCK_FD; i++){ //fd是服务端,fd+1是第一个接进来的客户端描述符if(FD_ISSET(i, &tmpset)){if( DataHandle(i) <= 0){if( getpeername(i, (Addr *)&clientaddr, &clientlen) )perror("getpeername");printf("[%s:%d]断开连接\n", inet_ntoa(clientaddr.sin_addr), ntohs(clientaddr.sin_port));FD_CLR(i, &set);}}}}}return 0;
}
socket.c
#include "net.h"void Argment(int argc, char *argv[]){if(argc < 3){fprintf(stderr, "%s<addr><port>\n", argv[0]);exit(0);}
}
int CreateSocket(char *argv[]){/*创建套接字*/int fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if(fd < 0)ErrExit("socket");/*允许地址快速重用*/int flag = 1;if( setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &flag, sizeof(flag) ) )perror("setsockopt");/*设置通信结构体*/Addr_in addr;bzero(&addr, sizeof(addr) );addr.sin_family = AF_INET;addr.sin_port = htons( atoi(argv[2]) );/*绑定通信结构体*/if( bind(fd, (Addr *)&addr, sizeof(Addr_in) ) )ErrExit("bind");/*设置套接字为监听模式*/if( listen(fd, BACKLOG) )ErrExit("listen");return fd;
}
int DataHandle(int fd){char buf[BUFSIZ] = {};Addr_in peeraddr;socklen_t peerlen = sizeof(Addr_in);if( getpeername(fd, (Addr *)&peeraddr, &peerlen) )perror("getpeername");int ret = recv(fd, buf, BUFSIZ, 0);if(ret < 0)perror("recv");if(ret > 0){printf("[%s:%d]data: %s\n", inet_ntoa(peeraddr.sin_addr), ntohs(peeraddr.sin_port), buf);}return ret;
}
net.h
#ifndef _NET_H_
#define _NET_H_#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/tcp.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <strings.h>
#include <errno.h>typedef struct sockaddr Addr;
typedef struct sockaddr_in Addr_in;
#define BACKLOG 5
#define ErrExit(msg) do { perror(msg); exit(EXIT_FAILURE); } while(0)void Argment(int argc, char *argv[]);
int CreateSocket(char *argv[]);
int DataHandle(int fd);#endif
讲解:
这段代码是一个使用 select
函数实现的简单的网络服务器程序。它可以同时处理多个客户端连接。
程序主要包括以下几个部分:
-
创建并设置监听模式的套接字:
fd = CreateSocket(argv);
这里调用了
CreateSocket
函数创建了一个套接字,并进行了一些必要的设置,使其处于监听模式。 -
使用
select
函数来监听套接字和客户端连接的可读事件:tmpset = set; if ((ret = select(MAX_SOCK_FD, &tmpset, NULL, NULL, NULL)) < 0) ErrExit("select");
select
函数会阻塞程序,直到有套接字或客户端连接可读,或者发生错误。在这段代码中,使用select
函数来等待套接字fd
和客户端连接的可读事件。MAX_SOCK_FD
是最大的文件描述符值加 1,tmpset
是一个临时的文件描述符集合,用来存放发生可读事件的文件描述符。 -
处理套接字可读事件和客户端连接的可读事件:
if (FD_ISSET(fd, &tmpset)) { // 接受客户端连接 // 将新的客户端文件描述符加入 set 中 } else { // 处理客户端数据 // 断开连接并从 set 中移除文件描述符 }
如果套接字
fd
可读,说明有新的客户端连接请求到来,程序会调用accept
函数接受连接,并生成一个新的文件描述符newfd
,然后将该文件描述符加入set
中,以便后续处理。如果不是套接字可读,说明是已连接的客户端有数据到达。程序会遍历
fd + 1
到MAX_SOCK_FD - 1
之间的文件描述符,检查它们是否在tmpset
中可读。如果可读,则调用DataHandle
函数处理数据。如果处理结果小于等于 0,说明连接断开,程序会输出断开连接的信息,并从set
中移除该文件描述符。 -
循环执行上述步骤,以便持续处理客户端连接和数据。
这段代码展示了一个简单的网络服务器程序框架,使用 select
函数可以实现高效的事件驱动型的并发处理。具体的业务逻辑需要根据实际需求进行实现。
补充:
getpeername
函数用于获取与套接字关联的远程连接的地址信息。它的函数原型如下:
int getpeername(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
sockfd
是套接字文件描述符,表示与远程连接关联的套接字。addr
是一个指向struct sockaddr
结构体的指针,用于接收远程连接的地址信息。addrlen
是一个指向socklen_t
类型的指针,用于传递addr
的长度,并且在函数调用完成后,会更新为实际的地址结构体长度。
该函数调用成功时返回0,失败时返回-1,并设置相应的错误码。
同样用法getsocketname是获取本方的。
2 练习
使用select函数实现I/O多路复用服务器代码,并使用nc命令与之通信
#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>#define MAX_SOCK_FD 1024
#define BACKLOG 5#define ErrExit(msg) do{perror(msg); exit(EXIT_FAILURE);} while(0)int DataHandle(int fd)
{char buf[BUFSIZ] = {};int ret;struct sockaddr_in peeraddr;socklen_t peerlen = sizeof(struct sockaddr_in);if(getpeername(fd, (struct sockaddr *)&peeraddr, &peerlen) )perror("getpeername");ret = recv(fd, buf, BUFSIZ, 0);if(ret < 0){perror("recv");}if( ret > 0){printf("[%s:%d]data: %s\n", inet_ntoa(peeraddr.sin_addr), ntohs(peeraddr.sin_port), buf);}return ret;
}int main(int argc,char *argv[])
{int fd, new_fd, i ,ret;fd_set set, tmpset;struct sockaddr_in addr, client_addr;socklen_t clientlen = sizeof(client_addr);int flag = 1;if(argc < 3){printf("%s <addr> <port>\n",argv[0]);exit(0);}//create socketfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if(fd < 0){ErrExit("socket");}//avoids the error of ports being occupiedif( setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &flag, sizeof(flag) ) ){perror("setsockopt");}//init struct sockaddr_inmemset(&addr, 0, sizeof(addr));addr.sin_family = AF_INET;addr.sin_port = htons( atoi(argv[2]));if (inet_aton(argv[1], &addr.sin_addr) == 0){printf("Invalid address\n");exit(EXIT_FAILURE);}//bindif(bind(fd, (struct sockaddr *) &addr, sizeof(struct sockaddr_in)) == -1){ErrExit("bind");}//listenif(listen(fd, BACKLOG) == -1){ErrExit("listen");}//selectFD_ZERO(&set);FD_ZERO(&tmpset);FD_SET(fd, &set);while(1){tmpset = set;if((ret = select(MAX_SOCK_FD, &tmpset,NULL,NULL,NULL)) < 0){ErrExit("select");}if(FD_ISSET(fd, &tmpset) > 0){new_fd = accept(fd,(struct sockaddr *)&client_addr,&clientlen);if(new_fd < 0){perror("accept");}printf("[%s:%d]connected\n",inet_ntoa(client_addr.sin_addr),\ntohs(client_addr.sin_port));FD_SET(new_fd, &set);}else //if(FF_ISSET(fd, &tmpset < 0) //handle client{for(i = fd + 1; i < MAX_SOCK_FD; i++){// can readif(FD_ISSET(i,&tmpset)){if(DataHandle(i) <= 0){if(getpeername(i,(struct sockaddr *)&client_addr,&clientlen)) perror("getpeername");printf("[%s:%d]disconnected\n",inet_ntoa(client_addr.sin_addr),\ntohs(client_addr.sin_port));FD_CLR(i,&set); }}}}}return 0;
}
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