1. I/O复用

我们学习了I/o复用的基本知识,了解到目前支持I/O复用的系统调用有select、pselect、poll、epoll。而epoll技术以其独特的优势被越来越多的应用到各大企业服务器。(后面将有poll & epoll单独学习笔记)

基本概念

IO多路复用是指内核一旦发现进程指定的一个或者多个IO条件准备读取,它就通知该进程。IO多路复用适用如下场合:

(1)当客户处理多个描述字时(一般是交互式输入和网络套接口),必须使用I/O复用。

(2)当一个客户同时处理多个套接口时,而这种情况是可能的,但很少出现。
(3)如果一个TCP服务器既要处理监听套接口,又要处理已连接套接口,一般也要用到I/O复用。
(4)如果一个服务器即要处理TCP,又要处理UDP,一般要使用I/O复用。

(5)如果一个服务器要处理多个服务或多个协议,一般要使用I/O复用。



与多进程和多线程技术相比,I/O多路复用技术的最大优势是系统开销小,系统不必创建进程/线程,也不必维护这些进程/线程,从而大大减小了系统的开销。

2. select技术

select()函数确定一个或多个套接口的状态,本函数用于确定一个或多个套接口的状态,对每一个套接口,调用者可查询它的可读性、可写性及错误状态信息,用fd_set结构来表示一组等待检查的套接口,在调用返回时,这个结构存有满足一定条件的套接口组的子集,并且select()返回满足条件的套接口的数目。

2.1函数原型

该函数准许进程指示内核等待多个事件中的任何一个发送,并只在有一个或多个事件发生或经历一段指定的时间后才唤醒。函数原型如下:
#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>

int select(int maxfdp1,fd_set *readset,fd_set *writeset,fd_set *exceptset,const struct timeval *timeout)
返回值:就绪描述符的数目,超时返回0,出错返回-1

函数参数介绍如下:

(1)第一个参数maxfdp1指定待测试的描述字个数,它的值是待测试的最大描述字加1(因此把该参数命名为maxfdp1),描述字0、1、2...maxfdp1-1均将被测试。因为文件描述符是从0开始的。

(2)中间的三个参数readset、writeset和exceptset指定我们要让内核测试读、写和异常条件的描述字。如果对某一个的条件不感兴趣,就可以把它设为空指针。struct fd_set可以理解为一个集合,这个集合中存放的是文件描述符,可通过以下四个宏进行设置:

          void FD_ZERO(fd_set *fdset);           //清空集合

          void FD_SET(int fd, fd_set *fdset);   //将一个给定的文件描述符加入集合之中

          void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset);   //将一个给定的文件描述符从集合中删除

          int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset);   // 检查集合中指定的文件描述符是否可以读写 

(3)timeout告知内核等待所指定描述字中的任何一个就绪可花多少时间。其timeval结构用于指定这段时间的秒数和微秒数。

         struct timeval{

                   long tv_sec;   //seconds

                   long tv_usec;  //microseconds

          };

这个参数有三种可能:

(1)永远等待下去:仅在有一个描述字准备好I/O时才返回。为此,把该参数设置为空指针NULL。

(2)等待一段固定时间:在有一个描述字准备好I/O时返回,但是不超过由该参数所指向的timeval结构中指定的秒数和微秒数。

(3)根本不等待:检查描述字后立即返回,这称为轮询。为此,该参数必须指向一个timeval结构,而且其中的定时器值必须为0。

有关select更加详细的讲解请参考《Unix网络编程 -- 卷一》第六章 Page127 ~ 142;

2.2 select原理流程图




3. TCP回射程序实例

本例是基本套接字编程(1) -- tcp篇中回射程序的改写,其中server端采用select技术,实现I/O复用,可同时为多个客户程序服务!

3.1 server.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
#include <time.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/select.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netdb.h>
#include <fcntl.h>

#define PORT 8888
#define MAX_LINE 2048
#define LISTENQ 20

int main(int argc , char **argv)
{
	int i, maxi, maxfd, listenfd, connfd, sockfd;

	int nready , client[FD_SETSIZE];

	ssize_t n, ret;

	fd_set rset , allset;

	char buf[MAX_LINE];

	socklen_t clilen;

	struct sockaddr_in servaddr , cliaddr;

	/*(1) 得到监听描述符*/
	listenfd = socket(AF_INET , SOCK_STREAM , 0);

	/*(2) 绑定套接字*/
	bzero(&servaddr , sizeof(servaddr));
	servaddr.sin_family = AF_INET;
	servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
	servaddr.sin_port = htons(PORT);

	bind(listenfd , (struct sockaddr *)&servaddr , sizeof(servaddr));

	/*(3) 监听*/
	listen(listenfd , LISTENQ);

	/*(4) 设置select*/
	maxfd = listenfd;
	maxi = -1;
	for(i=0 ; i<FD_SETSIZE ; ++i)
	{
		client[i] = -1;
	}//for
	FD_ZERO(&allset);
	FD_SET(listenfd , &allset);

	/*(5) 进入服务器接收请求死循环*/
	while(1)
	{
		rset = allset;
		nready = select(maxfd+1 , &rset , NULL , NULL , NULL);

		if(FD_ISSET(listenfd , &rset))
		{
			/*接收客户端的请求*/
			clilen = sizeof(cliaddr);

			printf("\naccpet connection~\n");

			if((connfd = accept(listenfd , (struct sockaddr *)&cliaddr , &clilen)) < 0)
			{
				perror("accept error.\n");
				exit(1);
			}//if		

			printf("accpet a new client: %s:%d\n", inet_ntoa(cliaddr.sin_addr) , cliaddr.sin_port);

			/*将客户链接套接字描述符添加到数组*/
			for(i=0 ; i<FD_SETSIZE ; ++i)
			{
				if(client[i] < 0)
				{
					client[i] = connfd;
					break;
				}//if
			}//for

			if(FD_SETSIZE == i)
			{
				perror("too many connection.\n");
				exit(1);
			}//if

			FD_SET(connfd , &allset);
			if(connfd > maxfd)
				maxfd = connfd;
			if(i > maxi)
				maxi = i;

			if(--nready < 0)
				continue;
		}//if

		for(i=0; i<=maxi ; ++i)
		{
			if((sockfd = client[i]) < 0)
				continue;
			if(FD_ISSET(sockfd , &rset))
			{
				/*处理客户请求*/
				printf("\nreading the socket~~~ \n");

				bzero(buf , MAX_LINE);
				if((n = read(sockfd , buf , MAX_LINE)) <= 0)
				{
					close(sockfd);
					FD_CLR(sockfd , &allset);
					client[i] = -1;
				}//if
				else{
					printf("clint[%d] send message: %s\n", i , buf);
					if((ret = write(sockfd , buf , n)) != n)
					{
						printf("error writing to the sockfd!\n");
						break;
					}//if
				}//else
				if(--nready <= 0)
					break;
			}//if
		}//for
	}//while
}

3.2 client.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
#include <time.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/select.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netdb.h>
#include <fcntl.h>

#define PORT 8888
#define MAX_LINE 2048

int max(int a , int b)
{
	return a > b ? a : b;
}

/*readline函数实现*/
ssize_t readline(int fd, char *vptr, size_t maxlen)
{
	ssize_t	n, rc;
	char	c, *ptr;

	ptr = vptr;
	for (n = 1; n < maxlen; n++) {
		if ( (rc = read(fd, &c,1)) == 1) {
			*ptr++ = c;
			if (c == '\n')
				break;	/* newline is stored, like fgets() */
		} else if (rc == 0) {
			*ptr = 0;
			return(n - 1);	/* EOF, n - 1 bytes were read */
		} else
			return(-1);		/* error, errno set by read() */
	}

	*ptr = 0;	/* null terminate like fgets() */
	return(n);
}

/*普通客户端消息处理函数*/
void str_cli(int sockfd)
{
	/*发送和接收缓冲区*/
	char sendline[MAX_LINE] , recvline[MAX_LINE];
	while(fgets(sendline , MAX_LINE , stdin) != NULL)
	{
		write(sockfd , sendline , strlen(sendline));

		bzero(recvline , MAX_LINE);
		if(readline(sockfd , recvline , MAX_LINE) == 0)
		{
			perror("server terminated prematurely");
			exit(1);
		}//if

		if(fputs(recvline , stdout) == EOF)
		{
			perror("fputs error");
			exit(1);
		}//if

		bzero(sendline , MAX_LINE);
	}//while
}

/*采用select的客户端消息处理函数*/
void str_cli2(FILE* fp , int sockfd)
{
	int maxfd;
	fd_set rset;
	/*发送和接收缓冲区*/
	char sendline[MAX_LINE] , recvline[MAX_LINE];

	FD_ZERO(&rset);
	while(1)
	{
		/*将文件描述符和套接字描述符添加到rset描述符集*/
		FD_SET(fileno(fp) , &rset);
		FD_SET(sockfd , &rset);
		maxfd = max(fileno(fp) , sockfd) + 1;
		select(maxfd , &rset , NULL , NULL , NULL);

		if(FD_ISSET(fileno(fp) , &rset))
		{
			if(fgets(sendline , MAX_LINE , fp) == NULL)
			{
				printf("read nothing~\n");
				close(sockfd); /*all done*/
				return ;
			}//if
			sendline[strlen(sendline) - 1] = '\0';
			write(sockfd , sendline , strlen(sendline));
		}//if

		if(FD_ISSET(sockfd , &rset))
		{
			if(readline(sockfd , recvline , MAX_LINE) == 0)
			{

				perror("handleMsg: server terminated prematurely.\n");
				exit(1);
			}//if

			if(fputs(recvline , stdout) == EOF)
			{
				perror("fputs error");
				exit(1);
			}//if
		}//if
	}//while
}

int main(int argc , char **argv)
{
	/*声明套接字和链接服务器地址*/
    int sockfd;
    struct sockaddr_in servaddr;

    /*判断是否为合法输入*/
    if(argc != 2)
    {
        perror("usage:tcpcli <IPaddress>");
        exit(1);
    }//if

    /*(1) 创建套接字*/
    if((sockfd = socket(AF_INET , SOCK_STREAM , 0)) == -1)
    {
        perror("socket error");
        exit(1);
    }//if

    /*(2) 设置链接服务器地址结构*/
    bzero(&servaddr , sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_port = htons(PORT);
    if(inet_pton(AF_INET , argv[1] , &servaddr.sin_addr) < 0)
    {
        printf("inet_pton error for %s\n",argv[1]);
        exit(1);
    }//if

    /*(3) 发送链接服务器请求*/
    if(connect(sockfd , (struct sockaddr *)&servaddr , sizeof(servaddr)) < 0)
    {
        perror("connect error");
        exit(1);
    }//if

	/*调用普通消息处理函数*/
	str_cli(sockfd);
	/*调用采用select技术的消息处理函数*/
	//str_cli2(stdin , sockfd);
	exit(0);
}

3.3 运行结果

服务器监听终端:



两个客户链接服务器:






注:以上部分理论内容来自参考博客,多谢原博主!

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