《TCP/IP网络编程》学习笔记 | Chapter 15：套接字与标准 I/O

于 2024-11-23 17:03:07 发布
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分类专栏： 计算机网络 文章标签： C++ TCP IP 计算机网络
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《TCP/IP网络编程》学习笔记 | Chapter 15：套接字与标准 I/O

《TCP/IP网络编程》学习笔记 | Chapter 15：套接字与标准 I/O

标准 I/O 函数

标准 I/O 函数的两个优点

除了使用 read 和 write 函数收发数据外，还能使用标准 I/O 函数收发数据。下面是标准 I/O 函数的两个优点：

  • 标准 I/O 函数具有良好的移植性
  • 标准 I/O 函数可以利用缓冲提高性能

不仅是I/O函数，所有的标准函数都具有很好的移植性，为了支持所有的操作系统和编译器，这些函数都是按照ANSI C标准定义的。

创建套接字时，操作系统会准备 I/O 缓冲。此缓冲在执行 TCP 协议时发挥着非常重要的作用。此时若使用标准 I/O 函数，将得到额外的缓冲支持。如下图：

在这里插入图片描述

套接字中的缓冲区主要是为了实现TCP协议而设立的，TCP在传输数据的过程中，如果丢失了数据，将会再次进行传输，而再次发送数据，意味着数据保存在了某个地方，并没有丢失，保存的地方就是套接字的输出缓冲区。与之相反，使用标准IO函数缓冲的主要目的是为了提高性能。

实际上，缓冲区并非在所有情况下都能带来卓越的性能，但是如果传输的数据量越大，有无缓冲带来的性能差异就越大。

标准 I/O 函数和系统函数之间的性能对比

下面是利用系统函数的示例：

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <cstdlib>
#include <ctime>
#include <unistd.h>

#define BUF_SIZE 3

// 采用未提供缓冲区技术的read，write方法进行拷贝文件

int main(int argc, char *argv[])
{
    int fd1, fd2; // 文件描述符
    int len;
    char buffer[BUF_SIZE];

    fd1 = open("news.txt", O_RDONLY);
    fd2 = open("cpy.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC);

    clock_t start = clock();

    while ((len = read(fd1, buffer, BUF_SIZE)) > 0)
        write(fd2, buffer, len);

    close(fd1);
    close(fd2);

    clock_t end = clock();

    double timespan = ((double)(end - start)) / CLOCKS_PER_SEC;

    printf("Total time consume is %f ms.\n", timespan * 1000);

    return 0;
}

输出：

在这里插入图片描述

如果是采用上述代码，数据传输的时间需要很长。

下面采用标准I/O函数复制文件：

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <cstdlib>
#include <ctime>

#define BUF_SIZE 3

int main(int argc, char *argv[])
{
    FILE *fp1, *fp2;

    char buffer[BUF_SIZE];

    fp1 = fopen("news.txt", "r");
    fp2 = fopen("cpy.txt", "w");

    if (fp1 == NULL || fp2 == NULL)
    {
        printf("Failed to open file.\n");
        return -1;
    }

    // 程序计数
    clock_t start = clock();
    while (fgets(buffer, BUF_SIZE, fp1) != NULL)
        fputs(buffer, fp2);

    fclose(fp1);
    fclose(fp2);

    clock_t end = clock();

    // 计算消耗时间
    double timespan = ((double)(end - start)) / CLOCKS_PER_SEC;
    printf("The total time consume is %f ms.\n", timespan * 1000);

    return 0;
}

输出：

在这里插入图片描述

该示例用标准IO函数fputs和fgets函数复制文件，是一种基于缓冲的复制，就很快。

标准 I/O 函数的几个缺点

标准 I/O 函数存在以下几个缺点：

  • 不容易进行双向通信。
  • 有时可能频繁调用 fflush 函数。
  • 需要以 FILE 结构体指针的形式返回文件描述符。

打开文件时，如果希望同时进行读操作，则应以 r+、w+、a+ 模式打开。但因为缓冲的缘故，每次切换读写工作状态时应调用fIush为数。这也会影响基于缓冲的性能提高。而且，为了使用标准IO函数，需要FILE结构体指针。而创建套接字时默认返回文件描述符，需要将文件描述符转化为FILE指针。

使用标准 I/O 函数

利用 fdopen 函数转换为 FILE 结构体指针

函数原型如下：

#include <stdio.h>

FILE *fdopen(int fildes, const char *mode);

成功时返回转换的 FILE 结构体指针，失败时返回 NULL。

参数：

  • fildes：需要转换的文件描述符
  • mode：将要创建的 FILE 结构体指针的模式信息

示例程序：

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>

int main()
{
    FILE *fp;
    int fd = open("data.dat", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC); // 创建文件并返回文件描述符
    if (fd == -1)
    {
        fputs("file open error", stdout);
        return -1;
    }
    fp = fdopen(fd, "w"); // 返回写模式的 FILE 指针
    fputs("NetWork C programming \n", fp);
    fclose(fp);
    return 0;
}

编译，运行结果：

C:\Users\81228\Documents\Program\TCP IP Project\Chapter 15>gcc desto.c -o desto

C:\Users\81228\Documents\Program\TCP IP Project\Chapter 15>desto

C:\Users\81228\Documents\Program\TCP IP Project\Chapter 15>cat data.dat
'cat' 不是内部或外部命令，也不是可运行的程序
或批处理文件。

C:\Users\81228\Documents\Program\TCP IP Project\Chapter 15>type data.dat
NetWork C programming

可以看出，fdopen 函数将文件描述符转换为 FILE 指针，并可以通过该指针调用标准 I/O 函数。

利用 fileno 函数转换为文件描述符

函数原型如下：

#include <stdio.h>

int fileno(FILE *stream);

成功时返回文件描述符，失败时返回 -1。

示例程序：

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>

int main()
{
    FILE *fp;
    int fd = open("data.dat", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC);
    if (fd == -1)
    {
        fputs("file open error", stdout);
        return -1;
    }

    printf("First file descriptor : %d \n", fd);
    fp = fdopen(fd, "w"); // 转成 file 指针
    fputs("TCP/IP SOCKET PROGRAMMING \n", fp);
    printf("Second file descriptor: %d \n", fileno(fp)); // 转回文件描述符
    fclose(fp);
    return 0;
}

编译，运行结果：

C:\Users\81228\Documents\Program\TCP IP Project\Chapter 15>gcc todes.c -o todes

C:\Users\81228\Documents\Program\TCP IP Project\Chapter 15>todes
First file descriptor : 3
Second file descriptor: 3

输出的文件描述符值相同，证明 fileno 函数争取转换了文件描述符。

基于套接字的标准 I/O 函数使用

把第四章的回声客户端和回声服务端的内容改为基于标准 I/O 函数的数据交换形式。

echo_stdserv.c：

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

#define BUF_SIZE 1024

void error_handling(char *message);

int main(int argc, char *argv[])
{
    int serv_sock, clnt_sock;
    char message[BUF_SIZE];
    int str_len, i;

    struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;
    socklen_t clnt_adr_sz;
    FILE *readfp;
    FILE *writefp;

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

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

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

    clnt_adr_sz = sizeof(clnt_adr);
    // 调用 5 次 accept 函数，共为 5 个客户端提供服务
    for (i = 0; i < 5; i++)
    {
        clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr *)&clnt_adr, &clnt_adr_sz);
        if (clnt_sock == -1)
            error_handling("accept() error");
        else
            printf("Connect client %d \n", i + 1);

        readfp = fdopen(clnt_sock, "r");
        writefp = fdopen(clnt_sock, "w");
        while (!feof(readfp))
        {
            fgets(message, BUF_SIZE, readfp);
            fputs(message, writefp);
            // 刷新文件流中的缓冲区，将缓冲区中的数据强制写入文件
            fflush(writefp);
        }

        fclose(readfp);
        fclose(writefp);
    }
    close(serv_sock);
    return 0;
}

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

echo_client.c：

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

#define BUF_SIZE 1024

void error_handling(char *message);

int main(int argc, char *argv[])
{
    int sock;
    char message[BUF_SIZE];
    int str_len;
    struct sockaddr_in serv_adr;
    FILE *readfp;
    FILE *writefp;
    if (argc != 3)
    {
        printf("Usage : %s <IP> <port>\n", argv[0]);
        exit(1);
    }

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

    memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
    serv_adr.sin_family = AF_INET;
    serv_adr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));

    if (connect(sock, (struct sockaddr *)&serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1)
        error_handling("connect() error!");
    else
        puts("Connected...........");
    readfp = fdopen(sock, "r");
    writefp = fdopen(sock, "w");
    while (1)
    {
        fputs("Input message(Q to quit): ", stdout);
        fgets(message, BUF_SIZE, stdin);

        if (!strcmp(message, "q\n") || !strcmp(message, "Q\n"))
            break;

        fputs(message, writefp);
        fflush(writefp);
        fgets(message, BUF_SIZE, readfp);
        printf("Message from server: %s", message);
    }
    fclose(writefp);
    fclose(readfp);
    return 0;
}

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

此处接收数据的缓冲区没有在结尾增加0，与第四章的不同，原因：使用标准I/O函数后可以按字符串单位进行数据交换。

printf 函数以参数" % s"输出字符串时过程为：

  1. 从首地址开始逐字节寻址，把存储单元（一个字节）内的数据转换为ASCII字符格式输出。
  2. 直到某一个字节内存的元素为字符’\0’时，输出此字符并且寻址结束。

习题

（1）请说明标准I/O函数的2个优点。它为何拥有这2个优点?

  • 标准 I/O 函数具有良好的移植性。因为这些函数都是按照ANSI C标准定义的，支持所有的操作系统和编译器。
  • 标准 I/O 函数可以利用缓冲提高性能。因为使用标准 I/O 函数，将得到额外的缓冲支持。可以降低传输的数据量，减少数据向输出缓冲移动的次数，这两种都能提升性能。

（2）利用标准I/O函数传输数据时，下面的想法是错误的：“调用fputs函数传输数据时，调用后应立即开始发送！”为何上述想法是错误的？为了达到这种效果应添加哪些处理过程？

通过标准输出函数的传输的数据不直接通过套接字的输出缓冲区发送，而是保存在标准输出函数的缓冲中，然后再用fflush函数进行输出。因此，即使调用fputs函数，也不能立即发送数据。如果想保障数据传输的时效性，必须经过fflush函数的调用过程。

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