Linux网络编程---多路I/O转接服务器(一)

多路I/O转接服务器

多路IO转接服务器也叫做多任务IO服务器。该类服务器实现的主旨思想是,不再由应用程序自己监视客户端连接,取而代之由内核替应用程序监视文件。

主要使用的方法有三种:select、poll、epoll 

一、select多路IO转接

让内核去监听客户端连接(lfd),当有客户端进行连接时 它会让server去调用accetp(当有连接时才去立即调用,而不是一直阻塞等待)得到一个用于通信的cfd,最后让内核监管着lfd和所有cfd

即(原理):借助内核, select 来监听, 客户端连接、数据通信事件。

函数解析

1. 底层原理: 

文件描述符表:前三个默认被系统占用

fd_set集合:传入的是文件描述符,传出所有监听集合(读、写、异常)中满足对应事件的总数

fd_set集合的本质:位图(二进制位存放文件描述符的状态),默认都为0,若发生变化就置1

2. 语法: 

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeva l *timeout);

参数

  • nfds:监听的所有文件描述符中,最大文件描述符+1;
  • readfds:读 文件描述符监听集合。传入传出参数
  • writefds:写 文件描述符监听集合。传入传出参数,通常传NULL
  • exceptfds:异常 文件描述符监听集合。传入传出参数,通常传NULL
  • timeout:大于0表示设置监听时长,NULL表示阻塞监听,0表示非阻塞监听 while轮询

返回值

  • 大于0:所有监听集合(读、写、异常)中满足对应事件的总数
  • 0:没有满足监听条件的文件描述符
  • -1:error

3. 监听集合对应函数:

1.void FD_ZERO(fd_set *set); ---清空一个文件描述符集合             

fd_set rset; FD_ZERO(&rset); //将rset集合清空

2.void FD_SET(int fd, fd_set *set); ---将待监听的文件描述符添加到监听集合中

FD_SET(3,&rset);FD_SET(5,&rset); //将文件描述符3和5加到rset集合中

3.void FD_CLR(int fd, fd_set *set); ---将一个文件描述符从监听集合中移除

4.int FD_ISSET(int fd, fd_set *set); ---判断一个文件描述符是否在该集合中

4. 思路分析: 

代码实现:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <ctype.h>

#include "wrap.h"

#define SERV_PORT 6666

int main(int argc, char *argv[])
{
    int listenfd, connfd;               // connect fd
    char buf[BUFSIZ];         /* #define INET_ADDRSTRLEN 16 */

    struct sockaddr_in clie_addr, serv_addr;
    socklen_t clie_addr_len;

    listenfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);  

    int opt = 1;
    setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));
    bzero(&serv_addr, sizeof(serv_addr));

    serv_addr.sin_family= AF_INET;
    serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    serv_addr.sin_port= htons(SERV_PORT);

    Bind(listenfd, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr));

    Listen(listenfd, 128);

    fd_set rset,allset;//定义读集合,备份集合allset
    int ret,maxfd = 0,n;
    maxfd = listenfd;//最大文件描述符

    FD_ZERO(&allset);//清空监听集合
    FD_SET(listenfd,&allset);//将监听fd添加到监听集合中

    while(1)
    {
        rset = allset;//备份
        select(maxfd+1,&rset,NULL,NULL,NULL);//使用select监听
        if (ret < 0)
        {
            perr_exit("select error");
        }

        if (FD_ISSET(listenfd,&rset))//listenfd满足监听的读事件
        {
            clie_addr_len = sizeof(clie_addr);
            connfd = Accept(listenfd,(struct sockaddr *)&clie_addr,&clie_addr_len);//建立连接---不会阻塞
                        
            FD_SET(connfd,&allset);//将新产生的fd添加到监听集合中监听数据读事件
            if (maxfd < connfd)//修改maxfd
            maxfd = connfd;
                        
            if (ret = 1)//说明select只返回一个,并且是listenfd,后续执行无需执行
                continue;    
        }

        for (int i = listenfd+1;i <= maxfd;i++)//处理 满足读事件的fd
        {
            if (FD_ISSET(i,&rset))//找到满足读事件的fd
            {
                n = read(i,buf,sizeof(buf));
                if (n == 0)//检测到客户端已经关闭连接
                {
                    Close(i);
                    FD_CLR(i,&allset);//将关闭的fd移除出监听集合
                }
                else if (n == -1)
                {
                    perr_exit("read error");
                }

                for (int j = 0;j<n;j++)
                {
                    buf[j] = toupper(buf[j]);
                }
                write(i,buf,n);
                write(STDOUT_FILENO,buf,n);
            }
        }
    }

        Close(listenfd);
        return 0;
}

 select优缺点:

优点:跨平台。win、linux、macOS、Unix、类Unix、mips

缺点:监听上限受文件描述符限制。 最大 1024.

           检测满足条件的fd, 自己添加业务逻辑提高小。 提高了编码难度。

*二、poll多路IO转接(半成品):在实际开发过程中用处不大,了解即可,重点是epoll

函数解析:

int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);

参数:

        fds:监听的文件描述符【数组】

        struct pollfd

        {                
                int fd:待监听的文件描述符     
                short events:待监听的文件描述符对应的监听事件

                            取值:POLLIN、POLLOUT、POLLERR

                short revnets:传入时, 给0。如果满足对应事件的话, 返回 非0 --> POLLIN、POLLOUT、POLLERR
            }

        nfds: 监听数组的,实际有效监听个数。

        timeout:  > 0:  超时时长。单位:毫秒。

                      -1:    阻塞等待

                      0:  不阻塞

返回值:

        返回满足对应监听事件的文件描述符 总个数。

思路分析:

代码实现:

/* server.c */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <poll.h>
#include <errno.h>
#include "wrap.h"

#define MAXLINE 80
#define SERV_PORT 6666
#define OPEN_MAX 1024

int main(int argc, char *argv[])
{
	int i, j, maxi, listenfd, connfd, sockfd;
	int nready;
	ssize_t n;
	char buf[MAXLINE], str[INET_ADDRSTRLEN];
	socklen_t clilen;
	struct pollfd client[OPEN_MAX];
	struct sockaddr_in cliaddr, servaddr;

	listenfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

	bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
	servaddr.sin_family = AF_INET;
	servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
	servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);

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

	Listen(listenfd, 20);

	client[0].fd = listenfd;
	client[0].events = POLLIN; 					/* listenfd监听普通读事件 */
    for (i = 1; i < OPEN_MAX; i++)
		client[i].fd = -1; 							/* 用-1初始化client[]里剩下元素 */
	maxi = 0; 										/* client[]数组有效元素中最大元素下标 */

	for ( ; ; ) {
		nready = poll(client, maxi+1, -1); 			/* 阻塞 */
		if (client[0].revents & POLLIN) { 		/* 有客户端链接请求 */
			clilen = sizeof(cliaddr);
			connfd = Accept(listenfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &clilen);
			printf("received from %s at PORT %d\n",
					inet_ntop(AF_INET, &cliaddr.sin_addr, str, sizeof(str)),
					ntohs(cliaddr.sin_port));
			for (i = 1; i < OPEN_MAX; i++) {
				if (client[i].fd < 0) {
					client[i].fd = connfd; 	/* 找到client[]中空闲的位置,存放accept返回的connfd */
					break;
				}
			}

			if (i == OPEN_MAX)
				perr_exit("too many clients");

			client[i].events = POLLIN; 		/* 设置刚刚返回的connfd,监控读事件 */
			if (i > maxi)
				maxi = i; 						/* 更新client[]中最大元素下标 */
			if (--nready <= 0)
				continue; 						/* 没有更多就绪事件时,继续回到poll阻塞 */
		}
		for (i = 1; i <= maxi; i++) { 			/* 检测client[] */
			if ((sockfd = client[i].fd) < 0)
				continue;
			if (client[i].revents & POLLIN) {
				if ((n = Read(sockfd, buf, MAXLINE)) < 0) {
					if (errno == ECONNRESET) { /* 当收到 RST标志时 */
						/* connection reset by client */
						printf("client[%d] aborted connection\n", i);
						Close(sockfd);
						client[i].fd = -1;
					} else {
						perr_exit("read error");
					}
				} else if (n == 0) {
					/* connection closed by client */
					printf("client[%d] closed connection\n", i);
					Close(sockfd);
					client[i].fd = -1;
				} else {
		                for (j = 0; j < n; j++)
						    buf[j] = toupper(buf[j]);
						    Writen(sockfd, buf, n);
				       }
				if (--nready <= 0)
					break; 				/* no more readable descriptors */
			}
		}
	}
	return 0;
}

read 函数返回值:      
    > 0:实际读到的字节数

    =0: socket中,表示对端关闭。close()

    -1: 如果 errno == EINTR   被异常终端。 需要重启。

            如果 errno == EAGIN 或 EWOULDBLOCK 以非阻塞方式读数据,但是没有数据。 需要,再次读。

           如果 errno == ECONNRESET  说明连接被 重置。 需要 close(),移除监听队列。

           错误。 

poll优缺点: 

优点:
        自带数组结构。 可以将 监听事件集合 和 返回事件集合 分离。

        拓展 监听上限。 超出 1024限制。

缺点:
        不能跨平台。 Linux

        无法直接定位满足监听事件的文件描述符, 编码难度较大。

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