异步socket

参考：
http://blog.sina.com.cn/s/blog_a42fa3a801012je9.html

https://www.cnblogs.com/sunziying/p/6501045.html

https://www.cnblogs.com/clschao/articles/9588313.html

https://www.jianshu.com/p/504a53c30c17

SOCKET非阻塞的方式：

(1)阻塞block
   所谓阻塞方式block，顾名思义，就是进程或是线程执行到这些函数时必须等待某个事件的发生，如果事件没有发生，进程或线程就被阻塞，函数不能立即返回。
   例如socket编程中connect、accept、recv、recvfrom这样的阻塞程序。
   再如绝大多数的函数调用、语句执行，严格来说，他们都是以阻塞方式执行的。
(2)非阻塞non-block
   所谓非阻塞方式non-block，就是进程或线程执行此函数时不必非要等待事件的发生，一旦执行肯定返回，以返回值的不同来反映函数的执行情况，如果事件发生则与阻塞方式相同，若事件没有发生则返回一个代码来告知事件未发生，而进程或线程继续执行，所以效率较高。
    比如程序语句：int len=read(fd,buffer,BUFSIZE);函数read只读一次，不管读到数据或是没有读到数据，它都返回结果。又如while(1){len=read(fd,buffer,BUFSIZE);if(...)break;}，虽然可以循环读取想要的数据，但它是非阻塞的，会大大地浪费系统资源。
   备注：在socket编程中使用：fcntl(sockfd,F_SETFL,O_NONBLOCK)；会把sockfd设定为非阻塞模式，则之后的connect、accept、recv、recvfrom等函数便失去了阻塞功能，变成了非阻塞函数。

linux将所有模块抽象成文件格式

文件描述符（linux下fd叫做文件描述符，在window下fd叫做句柄）

我们平时说的命令如./test.sh>res2.log 2>&1就是将标准和错误的输出流重定向到log文件里面，通常情况下系统启动后会自动启动文件描述符号0,1,2，当然，你也可以关闭这几个文件描述符，比如关掉1,然后打开一个文件，那么到时候你使用代码中的printf就不会输出到终端，而是会输入到你打开的文件里面

select()

Select在Socket编程中还是比较重要的，可是对于初学Socket的人来说都不太爱用Select写程序，他们只是习惯写诸如 connect、accept、recv或recvfrom这样的阻塞程序（所谓阻塞方式block，顾名思义，就是进程或是线程执行到这些函数时必须等 待某个事件的发生，如果事件没有发生，进程或线程就被阻塞，函数不能立即返回）。可是使用Select就可以完成非阻塞（所谓非阻塞方式non- block，就是进程或线程执行此函数时不必非要等待事件的发生，一旦执行肯定返回，以返回值的不同来反映函数的执行情况，如果事件发生则与阻塞方式相 同，若事件没有发生则返回一个代码来告知事件未发生，而进程或线程继续执行，所以效率较高）方式工作的程序，它能够监视我们需要监视的文件描述符的变化情 况读写或是异常。下面详细介绍一下！
Select的函数格式(我所说的是Unix系统下的伯克利socket编程，和windows下的有区别，一会儿说明)：
int select(int maxfdp,fd_set *readfds,fd_set *writefds,fd_set *errorfds,struct timeval *timeout);
先说明两个结构体：
第一，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(file descriptor)，即文件句柄，这可以是我们所说的普通意义的文件，当然Unix下任何设备、管道、FIFO等都是文件形式，全部包括在内，所以毫 无疑问一个socket就是一个文件，socket句柄就是一个文件描述符。fd_set集合可以通过一些宏由人为来操作，比如清空集合 FD_ZERO(fd_set *)，将一个给定的文件描述符加入集合之中FD_SET(int ,fd_set *)，将一个给定的文件描述符从集合中删除FD_CLR(int ,fd_set*)，检查集合中指定的文件描述符是否可以读写FD_ISSET(int ,fd_set* )。一会儿举例说明。
第二，struct timeval是一个大家常用的结构，用来代表时间值，有两个成员，一个是秒数，另一个是毫秒数。
具体解释select的参数：
int maxfdp是一个整数值，是指集合中所有文件描述符的范围，即所有文件描述符的最大值加1，
readfds：select监视的可读文件句柄集合。
writefds: select监视的可写文件句柄集合。
exceptfds：select监视的异常文件句柄集合。
timeout：本次select()的超时结束时间。 
使用注意 readfds 和 timeout 在每次执行select前都要重新初始化. 对于readfds，每次循环都要清空集合，否则不能检测描述符变化；而对于timeout，每次都要初始化其值，否则timeout被默认初始化为0.
当readfds或writefds中映象的文件可读或可写或超时，本次select()
就结束返回。程序员利用一组系统提供的宏在select()结束时便可判
断哪一文件可读或可写。对Socket编程特别有用的就是readfds。
几只相关的宏解释如下：
FD_ZERO(fd_set *fdset)：清空fdset中所有文件描述符。
FD_SET(int fd, fd_set *fdset)：将文件描述符fd加入集合fdse中。
FD_CLR(int fd, fd_set *fdset)：清除fdset中的文件描述符fd。
FD_ISSET(int fd, fdset *fdset)：检查文件描述符fd是否在集合fdset中。
返回值：
负值：select错误
正值：某些文件可读写或出错
0：等待超时，没有可读写或错误的文件

fcntl()

调用其他封装函数open的文件符，原函数open时未设置或设置状态非需求状态通过fcntl控制、修改、补设
可以用fcntl 函数改变一个已打开的文件的属性,可以重新设置读、写、追加、非阻塞等标志(这些标志称为File StatusFlag),而不必重新open 文件。
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
int fcntl(int fd, int cmd);
int fcntl(int fd, int cmd, long arg);
int fcntl(int fd, int cmd, struct flock *lock);
这个函数和open 一样,也是用可变参数实现的,可变参数的类型和个数取决于前面的cmd 参数
fd：文件描述词。 
cmd：操作命令。 
arg：供命令使用的参数。 
lock：同上
针对第2个参数，int cmd fcntl函数有五种功能:
• 复制一个现存的描述符(cmd=F_DUPFD)   。
• 获得/设置文件描述符标记(cmd=F_GETFD或F_SETFD)  。
• 获得/设置文件状态标志(cmd=F_GETFL或F_SETFL) 。
• 获得/设置异步I/O有权(cmd=F_GETOWN或F_SETOWN) 。
• 获得/设置记录锁(cmd=F_GETLK,F_SETLK或F_SETLKW)。
功能描述：根据文件描述词来操作文件的特性。
fcntl系统调用可以用来对已打开的文件描述符进行各种控制操作以改变已打开文件的的各种属性。
描述：
fcntl()针对(文件)描述符提供控制。参数fd是被参数cmd操作(如下面的描述)的描述符。针对cmd的值，fcntl能够接受第三个参数arg。
返回值： 与命令有关。如果出错，所有命令都返回－1，如果成功则返回某个其他值。
下列三个命令有特定返回值：F_DUPFD,F_GETFD,F_GETFL以及F_GETOWN。
F_DUPFD 返回新的文件描述符
F_GETFD 返回相应标志
F_GETFL , F_GETOWN 返回一个正的进程ID或负的进程组ID
fcntl函数有5种功能：
复制一个现有的描述符(cmd=F_DUPFD).
获得／设置文件描述符标记(cmd=F_GETFD或F_SETFD).
获得／设置文件状态标记(cmd=F_GETFL或F_SETFL).
获得／设置异步I/O所有权(cmd=F_GETOWN或F_SETOWN).
获得／设置记录锁(cmd=F_GETLK , F_SETLK或F_SETLKW).
cmd 选项：
F_DUPFD：返回一个如下描述的(文件)描述符:
　　　　（1）最小的大于或等于arg的一个可用的描述符
　　　　（2）与原始操作符一样的某对象的引用
　　　　（3）如果对象是文件(file)的话,返回一个新的描述符,这个描述符与arg共享相同的偏移量(offset)
　　　　（4）相同的访问模式(读,写或读/写)
　　　　（5）相同的文件状态标志(如:两个文件描述符共享相同的状态标志)
　　　　（6）与新的文件描述符结合在一起的close-on-exec标志被设置成交叉式访问execve(2)的系统调用
F_GETFD：取得与文件描述符fd联合close-on-exec标志,类似FD_CLOEXEC.如果返回值和FD_CLOEXEC进行与运算结果是0的话,文件保持交叉式访问exec(),否则如果通过exec运行的话,文件将被关闭(arg被忽略)
F_SETFD：设置close-on-exec旗标。该旗标以参数arg的FD_CLOEXEC位决定。
F_GETFL：取得fd的文件状态标志,如同下面的描述一样(arg被忽略)
F_SETFL：设置给arg描述符状态标志,可以更改的几个标志是：O_APPEND， O_NONBLOCK，O_SYNC和O_ASYNC。
F_GETOWN：取得当前正在接收SIGIO或者SIGURG信号的进程id或进程组id,进程组id返回成负值(arg被忽略)
F_SETOWN：设置将接收SIGIO和SIGURG信号的进程id或进程组id,进程组id通过提供负值的arg来说明,否则,arg将被认为是进程id
F_GETFL和F_SETFL的标志如下面的描述:
O_NONBLOCK：非阻塞I/O;如果read(2)调用没有可读取的数据,或者如果write(2)操作将阻塞,read或write调用返回-1和EAGAIN错误 　　　　 
O_APPEND ：强制每次写(write)操作都添加在文件大的末尾,相当于open(2)的O_APPEND标志
O_DIRECT ：最小化或去掉reading和writing的缓存影响.系统将企图避免缓存你的读或写的数据.如果不能够避免缓存,那么它将最小化已经被缓存了的数 据造成的影响.如果这个标志用的不够好,将大大的降低性能
O_ASYNC ：当I/O可用的时候,允许SIGIO信号发送到进程组,例如:当有数据可以读的时候
注意： 在修改文件描述符标志或文件状态标志时必须谨慎，先要取得现在的标志值，然后按照希望修改它，最后设置新标志值。不能只是执行F_SETFD或F_SETFL命令，这样会关闭以前设置的标志位。

setsockopt()

获取或者设置与某个套接字关联的选 项。选项可能存在于多层协议中，它们总会出现在最上面的套接字层。当操作套接字选项时，选项位于的层和选项的名称必须给出。为了操作套接字层的选项，应该 将层的值指定为SOL_SOCKET。为了操作其它层的选项，控制选项的合适协议号必须给出。例如，为了表示一个选项由TCP协议解析，层应该设定为协议 号TCP。
int getsockopt(int sock, int level, int optname, void *optval, socklen_t *optlen);
int setsockopt(int sock, int level, int optname, const void *optval, socklen_t optlen);
参数及参数详细说明
sock：将要被设置或者获取选项的套接字。
level：选项所在的协议层。
optname：需要访问的选项名。
optval：对于getsockopt()，指向返回选项值的缓冲。对于setsockopt()，指向包含新选项值的缓冲。
optlen：对于getsockopt()，作为入口参数时，选项值的最大长度。作为出口参数时，选项值的实际长度。对于setsockopt()，现选项的长度。
参数详细说明：
SOL_SOCKET:通用套接字选项.
IPPROTO_IP:IP选项.
IPPROTO_TCP:TCP选项.
optname指定控制的方式(选项的名称),我们下面详细解释
optval获得或者是设置套接字选项.根据选项名称的数据类型进行转换
返回说明：
成功执行时，返回0。失败返回-1，errno被设为以下的某个值
EBADF：sock不是有效的文件描述词
EFAULT：optval指向的内存并非有效的进程空间
EINVAL：在调用setsockopt()时，optlen无效
ENOPROTOOPT：指定的协议层不能识别选项
ENOTSOCK：sock描述的不是套接字
用法
1.closesocket（一般不会立即关闭而经历TIME_WAIT的过程）后想继续重用该socket：
BOOL bReuseaddr=TRUE;
setsockopt(s,SOL_SOCKET ,SO_REUSEADDR,(const char*)&bReuseaddr,sizeof(BOOL));
2. 如果要已经处于连接状态的soket在调用closesocket后强制关闭，不经历TIME_WAIT的过程：
BOOL bDontLinger = FALSE;
setsockopt(s,SOL_SOCKET,SO_DONTLINGER,(const char*)&bDontLinger,sizeof(BOOL));
3.在send(),recv()过程中有时由于网络状况等原因，发收不能预期进行,而设置收发时限：
　　int nNetTimeout=1000;//1秒
　　//发送时限
　　setsockopt(socket，SOL_S0CKET,SO_SNDTIMEO，(char *)&nNetTimeout,sizeof(int));
　　//接收时限
　　setsockopt(socket，SOL_S0CKET,SO_RCVTIMEO，(char *)&nNetTimeout,sizeof(int));
4.在send()的时候，返回的是实际发送出去的字节(同步)或发送到socket缓冲区的字节
(异步);系统默认的状态发送和接收一次为8688字节(约为8.5K)；在实际的过程中发送数据
和接收数据量比较大，可以设置socket缓冲区，而避免了send(),recv()不断的循环收发：
　　// 接收缓冲区
　　int nRecvBuf=32*1024;//设置为32K
　　setsockopt(s,SOL_SOCKET,SO_RCVBUF,(const char*)&nRecvBuf,sizeof(int));
　　//发送缓冲区
　　int nSendBuf=32*1024;//设置为32K
　　setsockopt(s,SOL_SOCKET,SO_SNDBUF,(const char*)&nSendBuf,sizeof(int));
5. 如果在发送数据的时，希望不经历由系统缓冲区到socket缓冲区的拷贝而影响
程序的性能：
　　int nZero=0;
　　setsockopt(socket，SOL_S0CKET,SO_SNDBUF，(char *)&nZero,sizeof(nZero));
6.同上在recv()完成上述功能(默认情况是将socket缓冲区的内容拷贝到系统缓冲区)：
　　int nZero=0;
　　setsockopt(socket，SOL_S0CKET,SO_RCVBUF，(char *)&nZero,sizeof(int));
7.一般在发送UDP数据报的时候，希望该socket发送的数据具有广播特性：
　　BOOL bBroadcast=TRUE;
　　setsockopt(s,SOL_SOCKET,SO_BROADCAST,(const char*)&bBroadcast,sizeof(BOOL));
8.在client连接服务器过程中，如果处于非阻塞模式下的socket在connect()的过程中可以设置connect()延时,直到accpet()被呼叫(本函数设置只有在非阻塞的过程中有显著的作用，在阻塞的函数调用中作用不大)
　　BOOL bConditionalAccept=TRUE;
　　setsockopt(s,SOL_SOCKET,SO_CONDITIONAL_ACCEPT,(const char*)&bConditionalAccept,sizeof(BOOL));
9.如果在发送数据的过程中(send()没有完成，还有数据没发送)而调用了closesocket(),以前我们一般采取的措施是"从容关 闭"shutdown(s,SD_BOTH),但是数据是肯定丢失了，如何设置让程序满足具体应用的要求(即让没发完的数据发送出去后在关闭 socket)？
　　struct linger {
　　　　u_short l_onoff;
　　　　u_short l_linger;
　　};
　　linger m_sLinger;
　　m_sLinger.l_onoff=1;//(在closesocket()调用,但是还有数据没发送完毕的时候容许逗留)
　　// 如果m_sLinger.l_onoff=0;则功能和2.)作用相同;
　　m_sLinger.l_linger=5;//(容许逗留的时间为5秒)
　　setsockopt(s,SOL_SOCKET,SO_LINGER,(const char*)&m_sLinger,sizeof(linger));

int create_socket(unsigned int ip, uint16_t port, int timeout_us)
{
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sockfd < 0)
        return -1;

    do
    {
        struct sockaddr_in servaddr;
        memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
        servaddr.sin_family = AF_INET;
        servaddr.sin_port = htons(port);
        servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(ip);
//         if (inet_pton(AF_INET, ip, &servaddr.sin_addr) <= 0)
//             break;

        int flags = fcntl(sockfd, F_GETFL, 0);
        fcntl(sockfd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);
        int ret = -1;
        if (connect(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(struct sockaddr_in)) == 0)
            ret = 1;
        else if (ret < 0 && errno == EINPROGRESS) {
            struct timeval tm;
            tm.tv_sec = timeout_us / 1000000;
            tm.tv_usec = timeout_us % 1000000;
            fd_set set;
            FD_ZERO(&set);
            FD_SET(sockfd, &set);
            ret = select(sockfd + 1, NULL, &set, NULL, &tm);
            if (ret > 0) {
                if (FD_ISSET(sockfd, &set)) {
                    int err = 0;
                    socklen_t len = sizeof(err);
                    if (getsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_ERROR, &err, &len) < 0)
                        ret = -1;
                    if (err != 0)
                        ret = -1;
                }
            }
        }

        fcntl(sockfd, F_SETFL, flags & ~O_NONBLOCK);

        if (ret <= 0)
            break;

        struct timeval tm = { timeout_us / 1000000, timeout_us % 1000000 };
        setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_SNDTIMEO, (char *)&tm, sizeof(struct timeval));
        setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_RCVTIMEO, (char *)&tm, sizeof(struct timeval));
        return sockfd;
    } while (0);

    close(sockfd);
    return -1;
}