Echo服务器学习__01(基础)

ASIO是一个跨平台，主要用于实现异步网络和其他一些底层I/O操作的C++库

可以基于ASIO实现Echo服务端，在这之前，学习一些基础的知识和概念

​

1：IO多路复用

简单的来说，一个线程同时监听多个I/O事件就是I/O多路复用。任何一个I/O流操作不需要阻塞等待每个I/O流的完成，即非阻塞

2：并发、并行、串行

并发(Concurrency)，并发偏重于多个任务交替执行，并发的"同时"是经过上下文快速切换，使得看上去多个进程同时都在运行的现象，是一种OS欺骗用户的现象

并行（Parallelism），并行指的是多个任务同时在多个处理单元上同时执行的能力，并行的"同时"是同一时刻可以多个进程在运行(处于running)

串行（Sequential），当任务按照固定的顺序依次执行，每个任务的开始都要等待上一个任务的完成，这就是串行执行

3：文件描述符（file descriptor，简称FD）

Linux 系统中，把一切都看做是文件（一切皆文件），当进程打开现有文件或创建新文件时，内核向进程返回一个文件描述符，文件描述符就是内核为了高效管理已被打开的文件所创建的索引，用来指向被打开的文件，所有执行I/O操作的系统调用都会通过文件描述符。

FD也可以被称为文件句柄(file handle)、文件指针(file pointer)或文件引用(file reference)。简单来说，它是操作系统为了管理 I/O 操作而维护的一个表中的索引，代表着系统中打开的文件的一个“门牌号”。

image.png

4：服务器套接字（Socket）

是在网络编程中用于实现网络通信的一种抽象接口，它提供了一种统一的编程接口，使得应用程序可以在网络上进行数据传输和通信。套接字的实现通常涉及到操作系统内核、网络协议栈和网络硬件设备等多个层面

Socket的过程形容为打电话，流程就如下：

  1. 创建Socket：就像拿起一部电话，准备开始通话。

  2. 绑定地址和端口：类似于确定你要打电话的号码。

  3. 监听连接请求（对于服务器端）：准备接听来自其他人的电话。

  4. 接受连接（对于服务器端）：接听来自其他人的电话。

  5. 连接到远程主机（对于客户端）：拨打某个号码开始通话。

  6. 发送和接收数据：你可以通过电话传递信息了。

  7. 关闭连接：挂断电话，结束通话。

4：select(80年代)，epoll(多用)，poll

①Select的实现：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
#include <cstring>
#include <cstdio>
#include <cstdlib>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>

int main() {
    // 创建 TCP 服务器套接字
    int server_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); //AF_INET: 是一个宏，表示使用 IPv4 地址族（Address Family）,套接字将使用 IPv4 地址来标识主机和端口，也可以使用AF_INET6表示IPv6
                                                         //SOCK_STREAM: 是一个宏，表示创建一个基于流的套接字，用于 TCP 协议，如果是SOCK_DGRAM，就是使用UDP协议
                                                         //0: 是套接字的类型标志，通常为 0
    if (server_socket == -1) {      //-1表示没有成功创建socket
        perror("socket failed");    
        exit(EXIT_FAILURE);        //exit() 函数用于终止程序的执行，并返回一个整数参数作为程序的退出状态码。
                                    //EXIT_FAILURE 是一个宏，表示程序执行失败的状态码，通常定义为非零值。
    }

    // 设置服务器地址和端口
    struct sockaddr_in server_address;    //用于存储服务器地址信息的数据结构
    memset(&server_address, 0, sizeof(server_address));    //将 server_address 结构体中的所有字节都设置为零的操作，初始化结构体
    server_address.sin_family = AF_INET;                   //这行代码设置了地址族为 AF_INET，表示使用 IPv4 地址族。AF_INET 是一个常量，代表 IPv4 地址族。
    server_address.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);    //这行代码设置了 IP 地址为 INADDR_ANY，表示服务器将接受来自任意网络接口的连接请求
    server_address.sin_port = htons(8080);                 //这行代码设置了端口号为 8080，并将其从主机字节序转换为网络字节序

    // 绑定地址和端口
    if (bind(server_socket, (struct sockaddr*)&server_address, sizeof(server_address)) == -1) {    //bind() 函数的第二个参数是一个指向 struct sockaddr 类型的指针
                                                                                                   //&server_address 返回的是指向server_address 结构体变量的指针，也就是指向该变量在内存中的地址
                                                                                                   //server_address 的地址转换为一个指向通用地址结构体的指针，以便能够传递给网络编程函数
        perror("bind failed");
        close(server_socket);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 监听连接请求
    if (listen(server_socket, 5) == -1) {
        perror("listen failed");
        close(server_socket);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    std::cout << "Server started, waiting for connections..." << std::endl;

    // 创建要监视的文件描述符集合，并将服务器套接字加入集合中
    std::vector<int> client_sockets;
    fd_set read_fds;
    FD_ZERO(&read_fds);
    FD_SET(server_socket, &read_fds);
    int max_fd = server_socket;

    while (true) {
        // 使用 select 函数等待文件描述符就绪
        fd_set tmp_fds = read_fds;    //fd_set 是一个位图（bitmap），它将每个文件描述符映射到一个位（bit）。在 fd_set 中，每个位代表一个文件描述符
                                      //当位被设置为 1 时，表示相应的文件描述符是待监听的；当位被设置为 0 时，表示相应的文件描述符不需要监听
        if (select(max_fd + 1, &tmp_fds, NULL, NULL, NULL) == -1) {    //max_fd 表示监视的文件描述符集合中的最大文件描述符
                                                                       //fd_set 结构的指针,select() 函数将检查 tmp_fds 集合中的文件描述符，判断是否有文件描述符处于就绪状态    
                                                                       //第三个参数用于指定要监视的写和异常事件的文件描述符集合
                                                                       //第四个参数用于指定 select() 函数的超时时间。在这里传入 NULL 表示 select() 函数将一直阻塞，直到有文件描述符就绪或者出错为止
                                                                       //第五个参数用于指定 select() 函数的超时时间精度
            perror("select failed");
            close(server_socket);
            exit(EXIT_FAILURE);
        }

        // 遍历就绪的文件描述符
        for (int fd = 0; fd <= max_fd; ++fd) {
            if (FD_ISSET(fd, &tmp_fds)) {    //FD_ISSET() 是一个宏，用于检查指定的文件描述符是否在给定的 fd_set 集合中被设置
                if (fd == server_socket) {     如果是服务器套接字，表示有新的连接请求
                    int client_socket = accept(server_socket, NULL, NULL);     //调用 accept() 函数来接受客户端的连接请求，并创建一个新的套接字用于与客户端进行通信。
                                                                               //第二个参数表示指向 struct sockaddr 类型的指针，用于获取客户端的地址信息。在这里传入 NULL 表示不获取客户端的地址信息。
                                                                               //第三个参数指向 socklen_t 类型的指针，用于获取客户端地址结构体的大小。在这里传入 NULL 表示不获取客户端地址结构体的大小
                    if (client_socket == -1) {
                        perror("accept failed");
                        close(server_socket);
                        exit(EXIT_FAILURE);
                    }
                    std::cout << "New connection" << std::endl;
                    client_sockets.push_back(client_socket);
                    FD_SET(client_socket, &read_fds);    //将 client_socket 添加到 read_fds 集合中，以便在调用 select() 函数时监视它的就绪状态。
                    max_fd = std::max(max_fd, client_socket);
                } else {
                    // 如果是客户端套接字，表示有数据可读
                    char buffer[1024];
                    ssize_t bytes_received = recv(fd, buffer, sizeof(buffer), 0);
                    if (bytes_received <= 0) {
                        // 客户端关闭连接
                        std::cout << "Connection closed" << std::endl;
                        close(fd);
                        FD_CLR(fd, &read_fds);
                        client_sockets.erase(std::remove(client_sockets.begin(), client_sockets.end(), fd), client_sockets.end());
                    } else {
                        buffer[bytes_received] = '\0';
                        std::cout << "Received from client: " << buffer << std::endl;
                    }
                }
            }
        }
    }

    return 0;
}

所以我们能看出select的缺点：

    bitmap缺点，只能是1024

    FDset不可重用，每次都需要新声明

    用户态到内核太切换要开销

    select()函数每次都要重新遍历文件描述符

②poll

struct pollfd{
    int fd;
    short events;
    short revents;
};    //fd 表示文件描述符，events 表示要监视的事件，revents 表示实际发生的事件
for(i = 0; i<5,i++)
    {
        memset(client,0,sizeof(client));    //memset 是 C/C++ 标准库中的一个函数，用于将一块内存区域的内容设置为指定的值。
        addrlen = sizeof(client);
        pllfds[i] = accept(sockfd,(struct sockaddr*)&client,&addelen);
        pooldfs[i].events = POLLIN;    //设置 poolfds[i].events 为 POLLIN，表示要监视该文件描述符的可读事件。
     }
     sleep(1);
     while(1){
     puts("round again");
     poll(poolfds,5,50000); //阻塞函数，等待文件描述符有数据
     for(i = 0;i<5;i++)    //遍历 poolfds 数组，检查每个文件描述符的事件。如果 revents 中包含 POLLIN 事件，表示该文件描述符有数据可读。
     {
         if(poolfds[i].revents & POOLIN){
             poolfds[i].revents = 0;    //清空 revents，就是置位
             memset(buffer,0,MAXBUF);
             read(poolfds[i].fd,buffer,MAXBUF); //读取数据
             puts(buffer);
             }
        }
  }

③epoll

struct epoll_event events[5];    
int epfd = epoll_create(10);    //参数 10 表示 epoll 实例的大小，但是在实际中这个参数并不会限制 epoll 实例的大小，内核会根据需要调整大小。
..
..
for(i = 0;i<5;i++)
{
    static struct epoll_event ev;
    memset(&client,0,sizeof(client));
    addlen = sizeof(client);
    ev.data.fd = accept(sockfd,(struct sockaddr*(&client, &addrlen);    //向 epoll 实例中添加了 5 个文件描述符，这些文件描述符是通过 accept() 函数接受客户端连接而得到的
    ev.events = EPOLLIN;    //每个事件的类型都设置为 EPOLLIN，表示监听可读事件
    epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,ev.data.fd,&ev);    //epoll_ctl() 函数将其添加到 epoll 实例中
}
while(true){
    puts("round again");
    nfds = epoll_wait(epfd,events,5,10000);
    for(i == 0;i<nfds;i++){
        memset(buffer,0,MAXBUF);
        read(events[i].data.fd,buffer,MAXBUF);
        puts(buffer);
        }
}

epoll中最重要的函数就是epoll_wait()函数

他的原型是

int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);

epfd：是 epoll 实例的文件描述符，即通过 epoll_create() 创建的 epoll 实例。

events：是一个结构体数组，用于存储发生的事件信息

maxevents：是 events 数组的大小，即最多能够存储多少个事件。timeout：是超时时间，以毫秒为单位。如果设置为 -1，表示永远等待，直到有事件发生；如果设置为 0，表示立即返回，不阻塞；如果大于 0，表示等待指定时间后返回

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