TCP/IP网络编程学习笔记（九）I/O复用

一、select函数

#include<sys/select.h>
#include<sys/time.h>

// 功能：将多个文件描述符集中到一起同一监视：是否存在套接字传接收数据？无需阻塞传输数据的套接字？哪些套接字发生了异常？
// 参数：
//    maxfd--监视对象文件描述符数量
//    readset--将所有关注“是否存在读取数据”的文件描述符注册到 fd_set 型变量，并传递其地址值
//    writeset--将所有关注“是否可传输无阻塞数据”的文件描述符注册到 fd_set 型变量，并传递其地址值
//    exceptset--将所有关注“是否发生异常”的文件描述符注册到 fd_set 型变量，并传递其地址值
//    timeout--调用 select 函数后，为防止陷入无线阻塞状态，传递超时信息
// 返回值：发生错误时返回 -1，超时返回 0，因发生关注的事件返回时，返回发生事件的文件描述符
int select(int maxfd,fd_set* readset,fd_set* writeset,fd_set* exceptset,const struct timeval* timeout);

struct timeval{
    long tv_sec;
    long tv_usec;
}

• 设置文件描述符：fd_set 数组是存有 0 和 1 的位数组，最左端的位监视的是文件描述符 0，该位为 1 表示监视，为 0 表示不监视。在 fd_set 变量中注册或更改监视情况的操作由以下宏完成

FD_ZERO(fd_set* fdset)  将fd_set变量的所有位置零

FD_SET(int fd,fd_set* fdset)  在参数fdset指向的变量中注册文件描述符fd的信息

FD_CLR(int fd,fd_set* fdset)  从参数fdset指向的变量中清除文件描述符fd的信息

FD_ISSET(int fd,fd_set* fdset)  若参数fdset指向的变量中包含文件描述符fd的信息，则返回

• 设置监视范围：只需将最大的文件描述符值加 1 再传递给 select 函数的第一个参数即可
• 设置超时：将秒数填入 tv_sec 成员，将微秒数传入 tv_usec 成员，然后将结构体的地址值传给 select 函数的最后一个参数
• 调用 select 函数后查看结果：fd_set 变量中位置上仍为 1 时，表示对应的文件描述符发生了变化

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/time.h>
#include<sys/select.h>
#define BUF_SIZE 30

int main(int argc, char* argv[]) {
    fd_set reads, temps;
    char buf[BUF_SIZE];
    struct timeval timeout;
    FD_ZERO(&reads);
    FD_SET(0, &reads);	// 监视标准输入

    while (1) {
        temps = reads;
        // 调用select函数后tv_sec和tv_usec都会被替换成超时前剩余时间，所有每次调用select函数之前都需要初始化timeval
        timeout.tv_sec = 5;
        timeout.tv_usec = 0;
        int result = select(1, &temps, 0, 0, &timeout);
        if (result == -1) {
            puts("select() error");
            break;
        }
        else if (result == 0) {
            puts("time out");
        }
        else {
            // 验证发生变化的文件描述符是否为标准输入
            if (FD_ISSET(0, &temps)) {
                int str_len = read(0, buf, BUF_SIZE);
                buf[str_len] = 0;
                printf("Message from console: %s", buf);
            }
        }
    }

    return 0;
}

运行结果：

二、实现 I/O 复用服务器端

• 服务器端使用复用技术可以减少所需的进程数，无论连接多少客户端，提供服务的进程只有一个

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<sys/socket.h>
#include<sys/time.h>
#include<sys/select.h>

#define BUF_SIZE 100

void error_handling(char* message) {
    fputs(message, stderr);
    fputc('\n', stderr);
    exit(1);
}

int main(int argc, char* argv[]) {
    int serv_sock, clnt_sock;
    struct sockaddr_in serv_addr, clnt_addr;
    char buf[BUF_SIZE];
    struct timeval timeout;
    fd_set reads, cpy_reads;

    if (argc != 2) {
        printf("Usage : %s <port> \n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (serv_sock == -1)
        error_handling("socket() error");

    memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));
    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    serv_addr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));

    if (bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) == -1)
        error_handling("bind() error");

    if (listen(serv_sock, 5) == -1)
        error_handling("listen() error");

    FD_ZERO(&reads);
    FD_SET(serv_sock, &reads);
    int fd_max = serv_sock;

    while (1) {
        cpy_reads = reads;
        timeout.tv_sec = 5;
        timeout.tv_usec = 5000;

        int fd_num;
        if ((fd_num = select(fd_max + 1, &cpy_reads, 0, 0, &timeout)) == -1)
            break;
        if (fd_num == 0)
            continue;

        for (int i = 0; i < fd_max + 1; i++) {
            if (FD_ISSET(i, &cpy_reads)) {
                if (i == serv_sock)	// connection request
                {
                    socklen_t clnt_addr_size = sizeof(clnt_addr);
                    clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr*)&clnt_addr, &clnt_addr_size);
                    FD_SET(clnt_sock, &reads);
                    if (fd_max < clnt_sock) {
                        fd_max = clnt_sock;
                    }
                    printf("Connected client: %d \n", clnt_sock);
                }
                else {
                    int str_len = read(i, buf, BUF_SIZE);
                    if (str_len == 0) {
                        FD_CLR(i, &reads);
                        close(i);
                        printf("closed client: %d \n", i);
                    }
                    else {
                        write(i, buf, str_len);
                    }
                }
            }
        }
    }

    close(serv_sock);
    return 0;
}

客户端代码见文章：https://blog.youkuaiyun.com/Lee_01/article/details/87870121

运行结果：

参考书籍：《TCP/IP网络编程》尹圣雨 著，金果哲 译