Linux网络编程系列之服务器编程——多路复用模型

一、什么是多路复用模型

        服务器的多路复用模型指的是利用操作系统提供的多路复用机制，同时处理多个客户端连接请求的能力。在服务器端，常见的多路复用技术包括select、poll和epoll等。这些技术允许服务器同时监听多个客户端连接请求，当有请求到达时，会通知服务器进行处理。通过使用多路复用技术，可以避免一个线程只处理一个客户端连接的情况，提高服务器的并发性能和响应速度。在实际应用中，多路复用技术被广泛地应用于Web服务器、游戏服务器、消息队列等领域。

        注：下面案例演示采用select结合TCP协议，一般不结合UDP协议使用，案例也演示了select结合UDP协议。

二、特性

        1、支持大量并发连接

        多路复用技术可以同时监听多个客户端连接请求，避免了一个线程只处理一个客户端连接的情况，从而可以支持更多的并发连接。

        2、减少系统开销

        采用多路复用技术可以减少系统开销，因为不需要为每个连接开启一个线程或进程，避免了系统资源浪费。

        3、提高响应速度

        采用多路复用技术可以提高服务器的响应速度，因为多个连接可以同时处理，避免了连接排队的情况。

        4、更好的可扩展性

        多路复用技术可以更好的支持服务器的可扩展性，因为它可以动态地管理和调度连接，方便服务器的扩展和升级。

三、使用场景

        1、高并发的Web服务器

        对于高并发的Web服务器，采用多路复用技术可以同时监听多个客户端连接请求，避免了一个线程只处理一个客户端连接的情况，从而可以支持更多的并发连接。

        2、实时通信服务器

        对于实时通信服务器，采用多路复用技术可以同时监听多个客户端连接请求，可以处理多种类型的通信，包括即时通讯、实时游戏等。

        3、TCP/IP服务器

        对于TCP/IP服务器，采用多路复用技术可以提高服务器的性能和可靠性，因为多个连接可以同时处理，避免了连接排队的情况。

        4、网络监控工具

        对于网络监控工具，采用多路复用技术可以同时处理多个客户端的请求，并对网络数据进行监控和分析。

四、模型框架（通信流程）

        1、建立套接字。使用socket()

        2、设置端口复用。使用setsockopt()

        3、绑定自己的IP地址和端口号。使用bind()

        4、设置监听。使用listen()

        5、多路复用准备工作。使用文件描述符集合操作

        6、循环监听，开始多路复用。使用select()

        7、处理客户端连接或者数据接收。使用accept()或者recv()

        8、关闭套接字。使用close()

五、相关函数API接口

        TCP通信流程常规的API那些在本系列的TCP协议里有大量展示，这里省略，详情可以点击本文开头的链接查看

        1、多路复用select

// 多路复用select
int select(int nfds, fd_set *readfds,fd_set *writefds,   fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);// 接口说明返回值：成功返回readfds，writefds，exceptfds中状态发生变化的文件描述符数量，失败返回-1参数nfds：通常填写三个集合中最大的文件描述符值+1，让内核检测多少个文件描述符的状态参数readfds：监控有读数据到达文件描述符集合参数writefds：监控有写数据到达文件描述符集合参数exceptfds：监控有异常发生到达文件描述符集合参数timeout：设置阻塞等待时间，三种情况（1）、设置为NULL，一直阻塞等待（2）、设置timevl，等待固定的时间（3）、设置timeval里时间为0，在检测完描述符后立即返回

        2、集合操作

// 把文件描述符集合里fd清0
void FD_CLR(int fd, fd_set *set);// 把文件描述符集合里fd位置1
void FD_SET(int fd, fd_set *set);// 把文件描述符集合里所有位清0
void FD_ZERO(fd_set *set);// 测试文件描述符集合里fd是否置1
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set);

六、案例

       1、 采用select函数，完成多路复用TCP服务器的通信演示，用nc命令来模拟客户端

// 多路复用TCP服务器的案例#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>       
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <arpa/inet.h>#define MAX_LISTEN  FD_SETSIZE // 最大能处理的连接数, 1024
#define SERVER_IP   "192.168.64.128"    // 记得改为自己IP
#define SERVER_PORT 20000   // 不能超过65535，也不要低于1000，防止端口误用int main(int argc, char *argv[])
{// 1、建立套接字int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if(sockfd == -1){perror("socket fail");return -1;}// 2、设置端口复用（推荐）int optval = 1; // 这里设置为端口复用，所以随便写一个值int ret = setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &optval, sizeof(optval));if(ret == -1){perror("setsockopt fail");close(sockfd);return -1;}// 3、绑定自己的IP地址和端口号struct sockaddr_in server_addr = {0};socklen_t addr_len = sizeof(struct sockaddr);server_addr.sin_family = AF_INET;   // 指定协议为IPV4地址协议server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);  // 端口号// server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP); // IP地址ret = bind(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, addr_len);if(ret == -1){perror("bind fail");close(sockfd);return -1;}// 4、设置监听ret = listen(sockfd, MAX_LISTEN);if(ret == -1){perror("listen fail");close(sockfd);return -1;}// 5、多路复用的准备工作fd_set client_set, active_set;// (1)、清空活跃的文件描述符集合FD_ZERO(&active_set);// (2)、把服务器的套接字文件描述符加入到活跃的文件描述符集合中FD_SET(sockfd, &active_set);// (3)、初始化活跃集合中最大的文件描述符int maxfd = sockfd;// (4)、初始化能接受的活跃客户端套接字数组int client[MAX_LISTEN];for(int i = 0; i < MAX_LISTEN; i++){client[i] = -1;     // 空的置为-1，活跃的置为对应的文件描述符}uint16_t port = 0;  // 新的客户端端口号char ip[20] = {0};  // 新的客户端IPstruct sockaddr_in client_addr; // 新的客户端地址char recv_msg[128] = {0};   // 用来接收客户端的数据printf("wait client...\n");while(1){client_set = active_set;    // 先备份活跃的集合// 6、多路复用，同时监听多个文件描述符状态，阻塞等待int num = select(maxfd+1, &client_set, NULL, NULL, NULL);if(num == -1){perror("select fail");close(sockfd);return -1;}// 如果监听文件描述符发生变化，说明一定有新的客户端连接上来if(FD_ISSET(sockfd, &client_set)){int new_client_fd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&client_addr, &addr_len);if(new_client_fd == -1){perror("accept fail");continue;}else{// 打印连接的客服端IP和端口号memset(ip, 0, sizeof(ip));strcpy(ip, inet_ntoa(client_addr.sin_addr));port = ntohs(client_addr.sin_port);printf("[%s:%d] connect\n", ip, port);// 把新的客户端套接字加入到活跃的集合中FD_SET(new_client_fd, &active_set);// 更新最大活跃文件描述符if(maxfd < new_client_fd){maxfd = new_client_fd;}// 把新的套接字加入到空的活跃客户端套接字数组for(int i = 0; i < MAX_LISTEN; i++){if(client[i] == -1){client[i] = new_client_fd;break;}}// 如果只有服务器的套接字发生变化，新的套接字没有发送数据// 那就继续监听，否则需要打印套接字的信息if(--num == 0){continue;}}}// 如果客服端发送数据过来for(int i = 0; i < MAX_LISTEN; i++){if(client[i] == -1){continue;}// 如果活跃的客户端有发送数据，注意这里要采用client_set，而不是active_set，否则会读取不了数据if(FD_ISSET(client[i], &client_set)){// 接收数据memset(recv_msg, 0, sizeof(recv_msg));ret = recv(client[i], recv_msg, sizeof(recv_msg), 0);memset(ip, 0, sizeof(ip));strcpy(ip, inet_ntoa(client_addr.sin_addr));port = ntohs(client_addr.sin_port);if(ret == 0){printf("[%s:%d] disconnect\n", ip, port);FD_CLR(client[i], &active_set); // 清空对应活跃集合的套接字client[i] = -1; // 清空客户端套接字数组// 需要重新更新活跃集合中最大的文件描述符maxfd = sockfd;for(int i = 0; i < MAX_LISTEN; i++){if(client[i] != -1 && maxfd < client[i]){maxfd = client[i];}}}else{printf("[%s:%d] send data: %s\n", ip, port, recv_msg);}// 如果所有发生变化的套接字都已经处理完成if(--num == 0){break;}}}}close(sockfd);return 0;
}

           2、 采用select函数，完成多路复用UDP服务器的通信演示，用nc命令来模拟客户端

// 多路复用TCP服务器的案例#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>       
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <errno.h>#define MAX_LISTEN  FD_SETSIZE // 最大能处理的连接数, 1024
#define SERVER_IP   "192.168.64.128"    // 记得改为自己IP
#define SERVER_PORT 20000   // 不能超过65535，也不要低于1000，防止端口误用int main(int argc, char *argv[])
{// 1、建立套接字int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if(sockfd == -1){perror("socket fail");return -1;}// 2、设置端口复用（推荐）int optval = 1; // 这里设置为端口复用，所以随便写一个值int ret = setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &optval, sizeof(optval));if(ret == -1){perror("setsockopt fail");close(sockfd);return -1;}// 3、绑定自己的IP地址和端口号struct sockaddr_in server_addr = {0};socklen_t addr_len = sizeof(struct sockaddr);server_addr.sin_family = AF_INET;   // 指定协议为IPV4地址协议server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);  // 端口号// server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP); // IP地址ret = bind(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, addr_len);if(ret == -1){perror("bind fail");close(sockfd);return -1;}// 4、多路复用的准备工作fd_set client_set, active_set;// (1)、清空活跃的文件描述符集合FD_ZERO(&active_set);// (2)、把服务器的套接字文件描述符加入到活跃的文件描述符集合中FD_SET(sockfd, &active_set);// (3)、初始化活跃集合中最大的文件描述符int maxfd = MAX_LISTEN;// (4)、初始化能接受的活跃客户端套接字数组int client[MAX_LISTEN];for(int i = 0; i < MAX_LISTEN; i++){client[i] = -1;     // 空的置为-1，活跃的置为对应的文件描述符}uint16_t port = 0;  // 新的客户端端口号char ip[20] = {0};  // 新的客户端IPstruct sockaddr_in client_addr; // 新的客户端地址char recv_msg[128] = {0};   // 用来接收客户端的数据printf("wait client...\n");while(1){client_set = active_set;    // 先备份活跃的集合// 5、多路复用，同时监听多个文件描述符状态，阻塞等待int num = select(maxfd+1, &client_set, NULL, NULL, NULL);if(num == -1){perror("select fail");close(sockfd);return -1;}else{// 接收数据memset(recv_msg, 0, sizeof(recv_msg));ret = recvfrom(sockfd, recv_msg, sizeof(recv_msg), 0, (struct sockaddr*)&client_addr, &addr_len);memset(ip, 0, sizeof(ip));strcpy(ip, inet_ntoa(client_addr.sin_addr));port = ntohs(client_addr.sin_port);printf("[%s:%d] send data: %s\n", ip, port, recv_msg);}}close(sockfd);return 0;
}

        注：TCP和UDP的代码有所不同，多路复用监听方式有所不同。

七、总结

        多路复用适用于处理连接的客户端的数量小于1024的场景，当然你可以改，让其超过1024限制，这里不做讨论。多路复用模型TCP服务器跟简单的TCP服务器通信流程很像，就是在接收客户端时要采用select要进行操作。一般情况下，不采用多路复用select结合UDP协议使用，但是不代表不行，案例给出了演示。