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万丈高楼平地起,勿在浮沙筑高台

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[What]linux IO 复用

之前粗略的学习了 IO 复用,现在再来加深理解。

I/O 复用虽然能同时监听多个文件描述符, 但它本身是阻塞的 。 并且当多个文件描述符同时就绪时,如果不采取额外的措施,程序就只能按顺序依次处理其中的每个文件描述符, 这使得服务器程序看起来像是串行工作的。要实现并发,只能使用多进程或多线程等编程手段。

select

监听文件描述符上的可读、可写和异常事件。

API

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/* According to POSIX.1-2001, POSIX.1-2008 */
#include <sys/select.h>

/* According to earlier standards */
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

struct timeval {
long tv_sec; /* seconds */
long tv_usec; /* microseconds */
};

/**
* @par nfds : 被监听文件描述符数值最大值加 1(因为文件描述符从 0 开始),这个参数用于向内核传递范围,提高 select 性能
* @par readfds,writefds,exceptfds : 指向可读、可写、异常事件对应的文件描述符集合
* @par timeout : 超时时间,当设置为 NULL 时,表示一直阻塞
* @ret 成功时返回就绪文件描述符总数,失败返回 -1 并设置 errno
*/

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

fd_set 是一个整型数组,每一位代表文件描述符,linux 提供了对应的宏来操作这些位:

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//清除 set 上的某一位
void FD_CLR(int fd, fd_set *set);
//检查 set 上某一位是否被设置
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set);
//设置 set 上的某一位
void FD_SET(int fd, fd_set *set);
//清除 set 上的所有位
void FD_ZERO(fd_set *set);

就绪条件

在网络编程中,下列情况下 socket 可读:

  • socket 对应的内核接收缓存区中的字节数大于或等于低水位标记 SO_RCVLOWAT
  • socket 通信的对方关闭连接,此时读操作返回 0
  • 监听 socket 上有新的连接请求
  • socket 上有未处理的错误,此时通过 getsockopt() 来读取和清除该错误

在网络编程中,下列情况下 socket 可写:

  • socket 对应的内核发送缓冲区中可用字节数大于或等于低水位标记 SO_SNDLOWAT
  • socket 的写操作被关闭。对写操作被关闭的 socket 执行写操作将触发一个 SIGPIPE 信号
  • socket 使用非阻塞 connect 连接成功或者失败后
  • socket 上有未处理的错误,此时通过 getsockopt() 来读取和清除该错误

在网络编程中,select能处理的异常情况只有一种:socket 上接收到带外数据

处理带外数据

socket 上接收到普通数据和带外数据都将使 select 返回,但 socket 处于不同的就绪状态:前者处于可读状态,后者处于异常状态。

下面的代码是客户端发送普通和异常数据:

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  #include <sys/types.h>                                                                         
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <netdb.h>
#include <assert.h>
#include <stdint.h>

int main(int argc, char *argv[])
{

if(argc != 3)
{
printf("usage: %s <hostname> <port>\n", argv[0]);

return -1;
}
int port = atoi(argv[2]);

//addr
struct sockaddr_in socket_addr;

memset(&socket_addr, 0, sizeof(socket_addr));
socket_addr.sin_family = AF_INET;
socket_addr.sin_port = htons(port);

struct hostent *host_info = gethostbyname(argv[1]);
assert(host_info);

printf("I have found the ip address of host %s is:\n", host_info->h_name);

int i = 0;
do
{
printf("%s: %s\n", host_info->h_addrtype == AF_INET ? "ipv4" : "ipv6",
inet_ntoa(*(struct in_addr *)host_info->h_addr_list[i]));

i++;
}while(host_info->h_addr_list[i]);

// inet_aton(host_info->h_addr_list[0], &socket_addr.sin_addr);
socket_addr.sin_addr.s_addr = *(uint32_t *)host_info->h_addr_list[0];

//socket
int socket_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if(socket_fd < 0)
{
perror("can't create socket!\n");

return -1;
}

//connect
if(connect(socket_fd, (const struct sockaddr *)&socket_addr, sizeof(socket_addr)) < 0)
{
perror("connect to server failed!\n");

return -1;
}

const char *oob_data = "abc";
const char *normal_data = "123";

send(socket_fd, normal_data, strlen(normal_data), 0);
send(socket_fd, oob_data, strlen(oob_data), MSG_OOB);
send(socket_fd, normal_data, strlen(normal_data), 0);


close(socket_fd);

return 0;
}

下面代码是服务端通过 select 来接收普通和异常数据:

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

int main(int argc, char *argv[])
{

int ret = 0;
if(argc != 2)
{
printf("usage: %s <port>\n", argv[0]);

ret = -1;
goto error1;
}

int port = atoi(argv[1]);

struct sockaddr_in addr;

addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
addr.sin_port = htons(port);

int socket_fd = socket(addr.sin_family, SOCK_STREAM, 0);
if(socket_fd <= 0)
{
perror("can't create socket!");
ret = -1;
goto error1;
}
if(bind(socket_fd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr)) < 0)
{
perror("bind socket failed!");
ret = -1;
goto error1;
}

if(listen(socket_fd, 5) < 0)
{
perror("listen socket failed!");
ret = -1;
goto error1;
}

struct sockaddr_in client_addr;
socklen_t addr_len = sizeof(client_addr);

int client_fd = accept(socket_fd, (struct sockaddr *)&client_addr, &addr_len);
if(client_fd < 0)
{
perror("accept failed!");

ret = -1;
goto error2;
}
printf("client: ip -> %s, port -> %d\n", inet_ntoa(client_addr.sin_addr), ntohs(client_addr.sin_port));

char buf[1024];

fd_set read_fds;
fd_set exception_fds;
FD_ZERO(&read_fds);
FD_ZERO(&exception_fds);

while(1)
{
memset(buf, 0, sizeof(buf));

FD_SET(client_fd, &read_fds);
FD_SET(client_fd, &exception_fds);

if(select(client_fd + 1, &read_fds, NULL, &exception_fds, NULL) < 0)
{
perror("select failed:");
ret = -1;
goto error3;
}

int ret = 0;


if(FD_ISSET(client_fd, &read_fds))
{
if(( ret = recv(client_fd, buf, sizeof(buf) - 1, 0)) < 0)
{
perror("recv failed:");

ret = -1;
goto error3;
}
else if(ret == 0)
{
printf("socket has been closed.\n");
goto error2;
}
else
{
printf("I have got normal data: %s\n", buf);
}
}

memset(buf, 0, sizeof(buf));
if(FD_ISSET(client_fd, &exception_fds))
{
if((ret = recv(client_fd, buf, sizeof(buf) - 1, MSG_OOB)) < 0)
{
perror("read oob data failed:");

ret = -1;
goto error3;
}
else if(ret == 0)
{
printf("socket has been closed.\n");
goto error2;
}
else
{
printf("I have got oob data: %s\n", buf);
}
}
}
error3:
close(client_fd);
error2:
close(socket_fd);
error1:
return ret;
}

接下来运行:

#在树莓派上运行服务端
./oob_server_select 54321
#在 PC 上运行客户端
cec@virtual:~/learn/c/net/oob$ ./oob_client raspberrypi.local 54321
I have found the ip address of host raspberrypi.local is:
ipv4: 192.168.11.188

#最终树莓派接收
client: ip -> 192.168.11.32, port -> 33204
I have got normal data: 123ab
I have got oob data: c
I have got normal data: 123
socket has been closed.

poll

poll 与 select 在使用上类似。

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#include <poll.h>

struct pollfd {
int fd; /* file descriptor */
short events; /* requested events */
short revents; /* returned events */
};
int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);

event 类型有:

事件 描述
POLLIN 数据(包括普通数据和优先数据)可读
POLLRDNORM 普通数据可读
POLLRDBAND 优先级带数据可读
POLLPRI 高优先级数据可读,比如 TCP 带外数据
POLLOUT 数据(包括普通数据和优先数据)可写
POLLWRNORM 普通数据可写
POLLWRBAND 优先级带数据可写
POLLRDHUP TCP 连接被对方关闭或对方关闭了写操作
POLLERR 错误
POLLHUP 挂起
POLLNVAL 文件描述符没有打开

epoll

epoll 则与 select、poll 有以下差异:

  • epoll 使用一组函数来完成任务
  • epoll 把用户关心的文件描述符上的事件放在内核里的一个事件表中,而无须像 select 和 poll 每次调用都需要重复传入参数

内核事件表

epoll 需要使用一个额外的文件描述符来唯一标识内核中的事件表:

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#include <sys/epoll.h>

//size 提示内核事件表需要多大
int epoll_create(int size);

该函数返回的文件描述符将用作其他所有 epoll 系统调用的第一个参数,以指定要访问的内核事件表。

操作内核事件表,使用下面这个函数:

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#include <sys/epoll.h>

typedef union epoll_data {
void *ptr;
int fd;
uint32_t u32;
uint64_t u64;
} epoll_data_t;

struct epoll_event {
uint32_t events; /* Epoll events */
epoll_data_t data; /* User data variable */
};

int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

op 参数指定对 fd 的操作类型:

  • EPOLL_CTL_ADD : 往事件表中注册 fd 上的事件
  • EPOLL_CTL_MOD : 修改 fd 上的注册事件
  • EPOLL_CTL_DEL : 删除 fd 上的注册事件

event 结构中的 events 成员描述事件类型,与 poll 事件类型基本相同,只是宏名称前需要加 'E' 。 除此之外,epoll 还有两个额外的事件类型 EPOLLETEPOLLONESHOT

epoll_wait

epoll_wait 函数在一段超时时间内等待一组文件描述符上的事件:

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#include <sys/epoll.h>

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

当 epoll_wait 检测到事件,就将所有就绪事件从内核事件表中复制到参数 events 指向的数组中。 也就是说, events 指向的数组中全部都是就绪事件,而不需要像 selectpoll 再来二次判断了。

它们的差异如下:

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//poll 查询谁就绪了
int ret = poll(fds, MAX_EVENT_NUMBER, -1);
for(int i = 0; i < MAX_EVENT_NUMBER; ++i)
{
if(fds[i].revents & POLLIN)
{
int sockfd = fds[i].fd;
//...
}
}

//epoll 返回后直接处理
int ret = epoll_wait(epollfd, events, MAX_EVENT_NUMBER, -1);
for(int i = 0; i < ret; i++)
{
int sockfd = events[i].data.fd;
//...
}

LT 和 ET 模式

epoll 对文件描述符操作有两种模式:

  • LT(Level Trigger, 电平触发):默认此工作模式,相当于效率比较高的 poll
    • 事件发生时,如果应用程序不处理,这些事件会被保持
  • ET(Edge Trigger,边沿触发):此模式是 epoll 的高效工作模式
    • 事件发生时,应用程序应立即处理,否则下次调用 epoll_wait 后此事件将被清空

以上模式和中断的电平触发和边沿触发的概念类似。

需要注意的是: 当使用 ET 模式时,对应的文件描述符需要设置为非阻塞的方式。 因为 ET 模式下,当事件触发后,需要一次性读出所有数据。所以需要非阻塞的返回来判断是否已经读空了。

下面是服务端以两种模式工作的代码:

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#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <assert.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdbool.h>

#define MAX_EVENT_NUMBER (1024)
#define BUFFER_SIZE (10)

static void setnonblocking(int fd)
{

int old_opt = fcntl(fd, F_GETFL);
int new_opt = old_opt | O_NONBLOCK;
fcntl(fd, F_SETFL, new_opt);
}
static void addfd(int epollfd, int fd, bool enable_et)
{

struct epoll_event event;

event.data.fd = fd;
event.events = EPOLLIN;
if(enable_et)
{
event.events |= EPOLLET;
}

epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &event);

setnonblocking(fd);
}

void lt(struct epoll_event *events, int number, int epollfd, int listenfd)
{

char buf[BUFFER_SIZE];

for(int i = 0; i < number; i++)
{
int sockfd = events[i].data.fd;
if(sockfd == listenfd)
{
struct sockaddr_in client_addr;
socklen_t addr_len = sizeof(client_addr);
int connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&client_addr, &addr_len);

printf("client: %s -> %d\n", inet_ntoa(client_addr.sin_addr), ntohs(client_addr.sin_port));

addfd(epollfd, connfd, false);
}
else if(events[i].events & EPOLLIN)
{
printf("event trigger once!\n");
memset(buf, 0, BUFFER_SIZE);
int ret = recv(sockfd, buf, BUFFER_SIZE - 1, 0);
if(ret <= 0)
{
close(sockfd);
continue;
}
printf("got %d bytes, the contents are: %s\n", ret, buf);
}
else
{
printf("something is wrong.\n");
}
}
}

void et(struct epoll_event *events, int number, int epollfd, int listenfd)
{

char buf[BUFFER_SIZE];
for(int i = 0; i < number; i++)
{
int sockfd = events[i].data.fd;
if(sockfd == listenfd)
{
struct sockaddr_in client_addr;
socklen_t addr_len = sizeof(client_addr);
int connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&client_addr, &addr_len);

printf("client: %s -> %d\n", inet_ntoa(client_addr.sin_addr), ntohs(client_addr.sin_port));

addfd(epollfd, connfd, true);
}
else if(events[i].events & EPOLLIN)
{
printf("event trigger once!\n");
while(1)
{
memset(buf, 0, BUFFER_SIZE);
int ret = recv(sockfd, buf, BUFFER_SIZE - 1, 0);
if(ret < 0)
{
if((errno == EAGAIN) || (errno == EWOULDBLOCK))
{
printf("read later\n");
break;
}
close(sockfd);
break;
}
else if(ret == 0)
{
close(sockfd);
}
else
{
printf("got %d bytes, the contents are: %s\n", ret, buf);
}
}
}
else
{
printf("something is wrong.\n");
}
}
}

int main(int argc, char *argv[])
{

int ret = 0;
if(argc != 2)
{
printf("usage: %s <port>\n", argv[0]);

ret = -1;
goto error;
}

int port = atoi(argv[1]);

struct sockaddr_in server_addr;

server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
server_addr.sin_port = htons(port);

int server_fd = socket(server_addr.sin_family, SOCK_STREAM, 0);
assert(server_fd > 0);

ret = bind(server_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));
assert(ret >= 0);

ret = listen(server_fd, 5);
assert(ret >= 0);

struct epoll_event events[MAX_EVENT_NUMBER];

int epoll_fd = epoll_create(MAX_EVENT_NUMBER);
assert(epoll_fd >= 0);

addfd(epoll_fd, server_fd, true);

while(1)
{
int ret = epoll_wait(epoll_fd, events, MAX_EVENT_NUMBER, -1);
if(ret < 0)
{
ret = -1;
perror("epoll failed:");
goto error1;
}
// lt(events, ret, epoll_fd, server_fd);
et(events, ret, epoll_fd, server_fd);
}
error1:
close(server_fd);
error:
return ret;
}

可以看出:

  • 在电平触发模式下,如果数据没有读完,电平触发会一直保持,所以服务端可以每次触发发生时只读一次
  • 在边沿触发模式下,触发只会出现一次,所以服务端在触发发生后,需要确保一次性读完 socket 中的内容才行,这样子也是效率最高的做法。

EPOLLONESHOT 事件

在 ET 模式下,如果一个线程在读取完某个 socket 上的数据后开始处理,而在处理过程中此 socket 上又有新数据可读,但此时由另外一个线程来读取这些新数据。

这就出现了两个线程同时操作同一个 socket 的问题,为了一个 socket 在连接任一时刻都只被一个线程处理,可以使用 EPOLLONESHOT 事件实现。

EPOLLONESHOT 使得操作系统最多触发一次其上注册的一个可读、可写或异常事件。

这样就可以将一个 socket 与一个单独的线程绑定, 当线程处理完此事件后,需要重置其 EPOLLONESHOT 事件。

  • 这样才能确保 socket 可以再次发出事件并被其他的线程处理。

下面是使用例子:

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#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <assert.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdbool.h>

#define MAX_EVENT_NUMBER (5)
#define BUFFER_SIZE (10)

struct fds
{
int epollfd;
int sockfd;
};

void setnonblocking(int fd)
{

int old_opt = fcntl(fd, F_GETFL);
int new_opt = old_opt | O_NONBLOCK;

fcntl(fd, F_SETFL, new_opt);
}

void addfd(int epollfd, int fd, bool oneshot)
{

struct epoll_event event;

event.data.fd = fd;
event.events = EPOLLIN | EPOLLET;
if(oneshot)
{
event.events |= EPOLLONESHOT;
}

epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &event);

setnonblocking(fd);
}

void reset_oneshot(int epollfd, int fd)
{

struct epoll_event event;

event.data.fd = fd;
event.events = EPOLLIN | EPOLLET | EPOLLONESHOT;
epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_MOD, fd, &event);
}

void *worker(void *arg)
{

int sockfd = ((struct fds *)arg)->sockfd;
int epollfd = ((struct fds *)arg)->epollfd;

char buf[BUFFER_SIZE];
memset(buf, 0, BUFFER_SIZE);

while(1)
{
int ret = recv(sockfd, buf, BUFFER_SIZE - 1, 0);
if(ret == 0)
{
close(sockfd);
printf("client closed the connection!\n");
break;
}
else if(ret < 0)
{
if(errno == EAGAIN)
{
reset_oneshot(epollfd, sockfd);
printf("read laster\n");
break;
}
}
else
{
printf("thread: %lu, get contents: %s\n", pthread_self(), buf);
sleep(5);
}
}
printf("thread: %lu done.\n", pthread_self());

return (void *)0;
}

int main(int argc, char *argv[])
{

int ret = 0;

if(argc != 2)
{
printf("usage: %s <port>\n", argv[0]);

return -1;
}

int port = atoi(argv[1]);

struct sockaddr_in server_addr;

server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
server_addr.sin_port = htons(port);

int server_fd = socket(server_addr.sin_family, SOCK_STREAM, 0);
assert(server_fd > 0);

ret = bind(server_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));
assert(ret == 0);

ret = listen(server_fd, MAX_EVENT_NUMBER);
assert(ret == 0);

struct epoll_event events[MAX_EVENT_NUMBER];

int epoll_fd = epoll_create(MAX_EVENT_NUMBER);
assert(epoll_fd >= 0);

addfd(epoll_fd, server_fd, false);

while(1)
{
ret = epoll_wait(epoll_fd, events, MAX_EVENT_NUMBER, -1);
if(ret < 0)
{
perror("epoll failed:");
break;
}

for(int i = 0; i < ret; i++)
{
int sockfd = events[i].data.fd;

if(sockfd == server_fd)
{
struct sockaddr_in client_addr;
socklen_t addr_len = sizeof(client_addr);
int connfd = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&client_addr, &addr_len);

printf("client: %s -> %d\n", inet_ntoa(client_addr.sin_addr), ntohs(client_addr.sin_port));

addfd(epoll_fd, connfd, true);
}
else if(events[i].events & EPOLLIN)
{
pthread_t thread;

struct fds new_fds;

new_fds.epollfd = epoll_fd;
new_fds.sockfd = sockfd;

pthread_create(&thread, NULL, worker, (void *)&new_fds);
}
else
{
printf("something is wrong\n");
}
}
}

close(server_fd);

return ret;
}

上面代码的 sleep 是为了模拟该线程正在对此事件进行处理,可以通过多个 telnet 客户端来给服务端发送数据。

可以看到:每个 telent 都有对应的唯一一个处理线程,在处理时间内发送新数据,原来的线程会继续处理。

三组 I/O 复用函数的比较

系统调用 select poll epoll
事件集合 用户通过 3 个参数分别传入可读、可写及异常等事件,内核通过对这些参数的在线修改来反馈就绪事件。导致用户每次调用都要重置这 3 个参数 统一处理所有事件类型,因此只需一个事件集参数。用户通过 events 传入事件,内核通过修改 revents 反馈就绪事件 内核通过事件表管理事件。所以每次调用 epoll_wait 时不用反复传入用户感兴趣的事件。 epoll_wait 参数 events 仅用来反馈就绪事件
应用程序索引就绪文件描述符的事件复杂度 O(n) O(n) O(1)
最大支持文件描述符数 一般有最大值限制 65535 65535
工作模式 LT LT LT,ET
内核实现和工作效率 采用轮询方式来检测就绪事件,事件复杂度为 O(n) 采用轮询方式检测就绪事件,事件复杂度为 O(n) 采用回调方式检测就绪事件,算法事件复杂度为 O(1)

非阻塞 connect

客户端为了能够同时发起多个连接并一起等待,可以以非阻塞的方式调用 connect

  • socket 设置为非阻塞状态,然后调用 connect
  • 使用 select , poll 等来监听这些 socket 上的可写事件
  • select , poll 返回时,调用 getsockopt 来读取错误码判断连接是否成功(选项为 SO_ERROR,层级为 SOL_SOCKET)
    • 当错误码为 0 时代表连接成功

目前这种方式并不适用于所有系统

如下示例代码,使用 poll 来并发检查 connect 状态:

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  #include <sys/types.h>                                                                         
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <netdb.h>
#include <assert.h>
#include <stdint.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <poll.h>

#define CONNECT_NUM (3)

int set_nonblocking(int fd)
{

int old_opt = fcntl(fd, F_GETFL);
int new_opt = old_opt | O_NONBLOCK;

fcntl(fd, F_SETFL, new_opt);

return old_opt;
}

int main(int argc, char *argv[])
{

int ret = 0;
if(argc != 3)
{
printf("usage: %s <hostname> <port>\n", argv[0]);

return -1;
}
int port = atoi(argv[2]);

//addr
struct sockaddr_in socket_addr;

memset(&socket_addr, 0, sizeof(socket_addr));
socket_addr.sin_family = AF_INET;
socket_addr.sin_port = htons(port);

struct hostent *host_info = gethostbyname(argv[1]);
assert(host_info);

printf("I have found the ip address of host %s is:\n", host_info->h_name);

int i = 0;
do
{
printf("%s: %s\n", host_info->h_addrtype == AF_INET ? "ipv4" : "ipv6",
inet_ntoa(*(struct in_addr *)host_info->h_addr_list[i]));

i++;
}while(host_info->h_addr_list[i]);

// inet_aton(host_info->h_addr_list[0], &socket_addr.sin_addr);
socket_addr.sin_addr.s_addr = *(uint32_t *)host_info->h_addr_list[0];

int socket_fd[CONNECT_NUM];
struct pollfd fdset[CONNECT_NUM];
int socket_opt;
int error = 0;
socklen_t length = sizeof(error);

for(int i = 0; i < CONNECT_NUM; i++)
{
socket_fd[i] = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
socket_opt = set_nonblocking(socket_fd[i]);

ret = connect(socket_fd[i], (const struct sockaddr *)&socket_addr, sizeof(socket_addr));
if(ret == 0)
{
printf("connect with server immediately!\n");
fcntl(socket_fd[i], F_SETFL, socket_opt);
}
else if((ret != EINPROGRESS) && (errno != EINPROGRESS))
{
perror("connect failed!\n");
close(socket_fd[i]);
ret = -1;
goto error;
}
}

sleep(1);

for(int i = 0; i < CONNECT_NUM; i++)
{
fdset[i].fd = socket_fd[i];
fdset[i].events = POLLOUT;
}

if(poll(fdset, CONNECT_NUM, -1) < 0)
{
perror("poll failed:");
ret = -1;
goto error1;
}

for(int i = 0; i < CONNECT_NUM; i++)
{
if(fdset[i].revents & POLLOUT)
{
if(getsockopt(fdset[i].fd, SOL_SOCKET, SO_ERROR, &error, &length) < 0)
{
perror("gesockopt failed:");
close(fdset[i].fd);
ret = -1;
goto error;
}
if(error != 0)
{
printf("connection failed: %d\n", error);
close(fdset[i].fd);
ret = -1;
goto error;
}

printf("socket %d connection succedded!\n", i);

fcntl(fdset[i].fd, F_SETFL, socket_opt);
}
}
error1:
for(int i = 0; i < CONNECT_NUM; i++)
{
close(socket_fd[i]);
}
error:
return ret;
}

聊天室

使用 I/O 复用实现服务器同时处理网络连接和用户输入。

客户端

客户端实现两个功能:

  1. 从标准输入读入用户数据,并发送至服务器
  2. 接收服务器的数据并打印至终端

对于客户端来说,有用户输入和 socket 输入,并有 socket 输出和终端输出,所以可以用 I/O 复用函数来监听两个输入,然后对应输出。

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  #include <sys/types.h>                                                                         
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <netdb.h>
#include <assert.h>
#include <stdint.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <poll.h>

#define RECV_BUF_SIZE (250)
int main(int argc, char *argv[])
{

int ret = 0;
if(argc != 3)
{
printf("usage: %s <hostname> <port>\n", argv[0]);

return -1;
}
int port = atoi(argv[2]);

//addr
struct sockaddr_in socket_addr;

memset(&socket_addr, 0, sizeof(socket_addr));
socket_addr.sin_family = AF_INET;
socket_addr.sin_port = htons(port);

struct hostent *host_info = gethostbyname(argv[1]);
assert(host_info);

printf("I have found the ip address of host %s is:\n", host_info->h_name);

int i = 0;
do
{
printf("%s: %s\n", host_info->h_addrtype == AF_INET ? "ipv4" : "ipv6",
inet_ntoa(*(struct in_addr *)host_info->h_addr_list[i]));

i++;
}while(host_info->h_addr_list[i]);

socket_addr.sin_addr.s_addr = *(uint32_t *)host_info->h_addr_list[0];

int socket_fd = socket(socket_addr.sin_family, SOCK_STREAM, 0);
assert(socket_fd > 0);

ret = connect(socket_fd, (const struct sockaddr *)&socket_addr, sizeof(socket_addr));
assert(ret == 0);

struct pollfd poll_fd[2];
char recv_buf[RECV_BUF_SIZE];

while(1)
{
poll_fd[0].fd = socket_fd;
poll_fd[0].events = POLLIN;

poll_fd[1].fd = STDIN_FILENO;
poll_fd[1].events = POLLIN;

poll(poll_fd, 2, -1);

if(poll_fd[0].revents & POLLIN)
{
memset(recv_buf, 0, RECV_BUF_SIZE);
recv(socket_fd, recv_buf, RECV_BUF_SIZE, MSG_DONTWAIT);
printf("%s", recv_buf);
}
else if(poll_fd[1].revents & POLLIN)
{
int *buf = fgets(recv_buf, RECV_BUF_SIZE, stdin);
if(buf)
{
send(socket_fd, recv_buf, strlen(recv_buf), 0);
}
}
else
{
perror("something is wrong:");
break;
}
}

close(socket_fd);

return ret;
}

服务端

服务端主要功能是接收数据,并将数据发送给每个登录到该服务器上的除数据发送者的客户端,可以使用 I/O 复用函数来监听连接和数据。

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#include <sys/types.h>                                                                         
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <stdbool.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/sendfile.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>
#include <assert.h>
#include <poll.h>

#define MAXIMUM_CLIENT_NUM (5)
#define MAXIMUM_RECV_BUF (250)

static int client_cnt = -1;
static int client_fds[MAXIMUM_CLIENT_NUM];
static char buf[MAXIMUM_RECV_BUF];
static struct pollfd poll_fd[MAXIMUM_CLIENT_NUM + 1];

bool client_add(int fd)
{

bool ret = true;
if(client_cnt < MAXIMUM_CLIENT_NUM - 1)
{
client_fds[++client_cnt] = fd;
}
else
{
ret = false;
}

return ret;
}
bool client_del(int fd)
{

bool ret = true;
if(client_cnt >= 0)
{
for(int i = 0; i < client_cnt + 1;i++)
{
if(client_fds[i] == fd)
{
client_fds[i] = client_fds[client_cnt];
client_fds[client_cnt] = -1;
client_cnt -= 1;
break;
}
}
ret = false;
}
else
{
ret = false;
}

return ret;
}

int main(int argc, char *argv[])
{

int ret = 0;
if(argc != 2)
{
printf("usage: %s <port>\n", argv[0]);

return -1;
}
int port = atoi(argv[1]);

for(int i = 0; i < MAXIMUM_CLIENT_NUM; i++)
{
client_fds[i] = -1;
}

//addr
struct sockaddr_in socket_addr;

memset(&socket_addr, 0, sizeof(socket_addr));
socket_addr.sin_family = AF_INET;
socket_addr.sin_port = htons(port);
socket_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

//socket
int socket_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
assert(socket_fd > 0);

//bind
ret = bind(socket_fd, (const struct sockaddr *)&socket_addr, sizeof(socket_addr));
assert(ret == 0);

//listen
if(listen(socket_fd, 5) < 0)
{
perror("listen failed!\n");

return -1;
}

printf("I'm waiting for client.\n");

while(1)
{
poll_fd[0].fd = socket_fd;
poll_fd[0].events = POLLIN;
for(int i = 1; i < client_cnt + 2;i++)
{
poll_fd[i].fd = client_fds[i - 1];
poll_fd[i].events = POLLIN;
}

poll(poll_fd, client_cnt + 2, -1);

for(int i = 0; i < client_cnt + 2; i++)
{
if(poll_fd[i].revents & POLLIN)
{
if(poll_fd[i].fd == socket_fd)
{
//accept
int client_fd = 0;

struct sockaddr_in client_addr;
socklen_t addr_len = sizeof(client_addr);
if((client_fd = accept(socket_fd, (struct sockaddr *)&client_addr, &addr_len)) < 0)
{
perror("accept failed!\n");

return -1;
}
printf("client: %s -> %d\n", inet_ntoa(client_addr.sin_addr), ntohs(client_addr.sin_port));

if(client_add(client_fd) == false)
{
printf("client fd buffer is full!\n");
close(client_fd);
}
}
else
{
int recv_size = recv(poll_fd[i].fd, buf, MAXIMUM_RECV_BUF, 0);
if(recv_size == 0)
{
printf("close one client!\n");
client_del(poll_fd[i].fd);
}
else
{
for(int j = 1; j < client_cnt + 2; j++)
{
if(poll_fd[i].fd != client_fds[j - 1])
{
send(client_fds[j - 1], buf, recv_size, 0);
}
}
}
}
}

}
}


close(socket_fd);

return 0;
}

同时处理 TCP 和 UDP 服务

由于一个 socket 只能绑定一个地址(IP 地址和端口号),对于同一个服务器来说如果要同时监听多个端口(提供不同的服务类型), 那么就必须创建多个 socket 对应绑定不同的端口号,然后使用 I/O 复用技术监听这多个端口号。

即使是同一个端口,如果服务器要同时处理该端口上的 TCP 和 UDP 请求,也需要创建两个不同的 socket。 一个用于流式,一个用于数据报式,并且将它们绑定到同一个端口上。

如下示例则是服务器同时处理同一端口上的 TCP 和 UDP 请求:

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#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <assert.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <pthread.h>

#define MAX_EVENT_NUMBER (1024)
#define TCP_BUFFER_SIZE (512)
#define UDP_BUFFER_SIZE (1024)

int setnonblocking(int fd)
{

int old_opt = fcntl(fd, F_GETFL);
int new_opt = old_opt | O_NONBLOCK;
fcntl(fd, F_SETFL, new_opt);

return old_opt;
}
void addfd(int epollfd, int fd)
{

struct epoll_event event;

event.data.fd = fd;
event.events = EPOLLIN | EPOLLET;
epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &event);

setnonblocking(fd);
}

int main(int argc, char*argv[])
{

if(argc != 2)
{
printf("usage: %s <port>\n", argv[0]);

return -1;
}
int ret = 0;

int port = atoi(argv[1]);

struct sockaddr_in addr;

addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
addr.sin_port = htons(port);

int socket_tcp = socket(addr.sin_family, SOCK_STREAM, 0);
assert(socket_tcp > 0);

ret = bind(socket_tcp, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));
assert(ret == 0);

ret = listen(socket_tcp, 5);
assert(ret == 0);

int socket_udp = socket(addr.sin_family, SOCK_DGRAM, 0);
assert(socket_udp > 0);

ret = bind(socket_udp, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));
assert(ret == 0);

struct epoll_event events[MAX_EVENT_NUMBER];
int epollfd = epoll_create(5);
assert(epollfd > 0);

addfd(epollfd, socket_tcp);
addfd(epollfd, socket_udp);

while(1)
{
int number = epoll_wait(epollfd, events, MAX_EVENT_NUMBER, -1);
if(number < 0)
{
perror("epoll wait failed:");
break;
}

for( int i = 0; i < number; i++)
{
int sockfd = events[i].data.fd;
if(sockfd == socket_tcp)
{
struct sockaddr_in client_addr;
socklen_t addr_len = sizeof(client_addr);
int client_fd = accept(socket_tcp, (struct sockaddr *)&client_addr, &addr_len);
assert(client_fd > 0);

printf("tcp client: %s -> %d\n", inet_ntoa(client_addr.sin_addr), ntohs(client_addr.sin_port));

addfd(epollfd, client_fd);
}
else if(sockfd == socket_udp)
{
char buf[UDP_BUFFER_SIZE];

memset(buf, 0, UDP_BUFFER_SIZE);
struct sockaddr_in client_addr;
socklen_t addr_len = sizeof(client_addr);

ret = recvfrom(socket_udp, buf, UDP_BUFFER_SIZE - 1, 0,
(struct sockaddr *)&client_addr, &addr_len);

printf("udp client: %s -> %d\n", inet_ntoa(client_addr.sin_addr), ntohs(client_addr.sin_port));
if(ret > 0)
{
sendto(socket_udp, buf, ret, 0, (struct sockaddr *)&client_addr, addr_len);
}

}
else if(events[i].events & EPOLLIN)
{
char buf[TCP_BUFFER_SIZE];
while(1)
{
memset(buf, 0, UDP_BUFFER_SIZE);
ret = recv(sockfd, buf, TCP_BUFFER_SIZE - 1, 0);
if(ret < 0)
{
if(errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK)
{
break;
}
close(sockfd);
break;
}
else if(ret == 0)
{
close(sockfd);
}
else
{
send(sockfd, buf, ret, 0);
}
}
}
else
{
printf("something is wrong\n");
}
}
}

close(socket_tcp);

return 0;
}

客户端使用 telnet 测试 TCP 连接, nc 测试 UDP 连接。

Last Updated 2020-06-28 Sun 11:59.
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