《TCP/IP网络编程》学习笔记 | Chapter 16：关于 I/O 流分离的其他内容
《TCP/IP网络编程》学习笔记 | Chapter 16：关于 I/O 流分离的其他内容
分离 I/O 流
「分离 I/O 流」是一种常用表达。有 I/O 工具可区分二者，无论采用哪种方法，都可以认为是分离了 I/O 流。
2 次 I/O 流分离
之前有两种分离方法：
第一种是第 10 章的「TCP I/O 过程」分离。通过调用 fork 函数复制出一个文件描述符，以区分输入和输出中使用的文件描述符。虽然文件描述符本身不会根据输入和输出进行区分，但我们分开了 2 个文件描述符的用途，因此，这也属于「流」的分离。
第二种分离是在第 15 章。通过 2 次 fdopen 函数的调用，创建读模式 FILE 指针（FILE 结构体指针）和写模式 FILE 指针。换言之，我们分离了输入工具和输出工具，因此也可视为「流」的分离。
分离「流」的好处
首先是第 10 章「流」的分离目的：
- 通过分开输入过程（代码）和输出过程降低实现难度
- 与输入无关的输出操作可以提高速度
下面是第 15 章「流」分离的目的：
- 为了将 FILE 指针按读模式和写模式加以区分
- 可以通过区分读写模式降低实现难度
- 通过区分 I/O 缓冲提高缓冲性能
「流」分离带来的 EOF 问题
第 7 章介绍过 EOF 的传递方法和半关闭的必要性。有一个语句：
shutdown(sock,SHUT_WR);
当时说过调用 shutdown 函数的基于半关闭的 EOF 传递方法。第十章的 echo_mpclient.c 添加了上述代码，实现了半关闭。
但是还没有讲采用 fdopen 函数怎么半关闭。那么是否 可以针对输出模式的 FILE 指针调用 fclose 函数呢？我们先试试。
服务器端：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#define BUF_SIZE 1024
int main(int argc, char *argv[])
{
int serv_sock, clnt_sock;
FILE *readfp;
FILE *writefp;
struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;
socklen_t clnt_adr_sz;
char buf[BUF_SIZE];
serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
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]));
bind(serv_sock, (struct sockaddr *)&serv_adr, sizeof(serv_adr));
listen(serv_sock, 5);
clnt_adr_sz = sizeof(clnt_adr);
clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr *)&clnt_adr, &clnt_adr_sz);
readfp = fdopen(clnt_sock, "r");
writefp = fdopen(clnt_sock, "w");
fputs("FROM SERVER: Hi~ client? \n", writefp);
fputs("I love all of the world \n", writefp);
fputs("You are awesome! \n", writefp);
fflush(writefp);
fclose(writefp);
fgets(buf, sizeof(buf), readfp);
fputs(buf, stdout);
fclose(readfp);
return 0;
}
客户端：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#define BUF_SIZE 1024
int main(int argc, char *argv[])
{
int sock;
char buf[BUF_SIZE];
struct sockaddr_in serv_addr;
FILE *readfp;
FILE *writefp;
sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));
serv_addr.sin_family = AF_INET;
serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
serv_addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
connect(sock, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr));
readfp = fdopen(sock, "r");
writefp = fdopen(sock, "w");
while (1)
{
if (fgets(buf, sizeof(buf), readfp) == NULL)
break;
fputs(buf, stdout);
fflush(stdout);
}
fputs("FROM CLIENT: Thank you \n", writefp);
fflush(writefp);
fclose(writefp);
fclose(readfp);
return 0;
}
运行结果：
从运行结果可以看出，服务端最终没有收到客户端发送的信息。那么这是什么原因呢？
原因是：服务端代码的 fclose(writefp); 这一句，完全关闭了套接字而不是半关闭。这才是这一章需要解决的问题。
文件描述符的的复制和半关闭
终止「流」时无法半关闭原因
上述服务器端程序2个FILE指针、文件描述符及套接字之间的关系：
读模式FILE指针和写模式FILE指针都是基于同一个文件描述符创建的。任意一个FILE指针调用fclose函数时都会关闭文件描述符，也就是终止套接字。
解决办法：创建FILE指针前先复制文件描述符即可。
销毁所有文件描述符后才能销毁套接字。
针对写模式FILE指针调用fclose函数时，只能销毁与该FILE指针相关的文件描述符，无法销毁套接字。
如上图所示，调用 fclose 函数候还剩下 1 个文件描述符，因此没有销毁套接字。那此时的状态是否为半关闭状态？不是！只是准备好了进入半关闭状态，而不是已经进入了半关闭状态。仔细观察，还剩下一个文件描述符。而该文件描述符可以同时进行 I/O 。因此，不但没有发送 EOF ，而且仍然可以利用文件描述符进行输出。
复制文件描述符
与调用 fork 函数不同，调用 fork 函数将复制整个进程，此处讨论的是同一进程内完成对完成描述符的复制。当然，文件描述符的值不能重复，因此各使用一个整数值。此处的复制的含义：“为了访问同一文件或套接字，创建另一个文件描述符”。
下面给出两个文件描述符的复制方法：
#include <unistd.h>
int dup(int fildes);
int dup2(int fildes, int fildes2);
成功时返回复制的文件描述符，失败时返回 -1。
参数：
- fildes : 需要复制的文件描述符。
- fildes2 : 明确指定的文件描述符的整数值。向其传递大于 0 且小于进程能生成的最大文件描述符值时，该值将成为复制出的文件描述符值。
示例程序：
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
int cfd1, cfd2;
char str1[] = "Hi~ \n";
char str2[] = "It's nice day~ \n";
cfd1 = dup(1); // 复制文件描述符 1
cfd2 = dup2(cfd1, 7); // 再次复制文件描述符，定为数值 7
printf("fd1=%d, fd2=%d \n", cfd1, cfd2);
write(cfd1, str1, sizeof(str1));
write(cfd2, str2, sizeof(str2));
close(cfd1);
close(cfd2); // 终止复制的文件描述符，但是仍有一个文件描述符
write(1, str1, sizeof(str1));
close(1);
write(1, str2, sizeof(str2)); // 无法完成输出
return 0;
}
运行结果：
C:\Users\81228\Documents\Program\TCP IP Project\Chapter 16>gcc dup.c -o dup
C:\Users\81228\Documents\Program\TCP IP Project\Chapter 16>dup
fd1=3 , fd2=7
Hi~
It's nice day~
Hi~
复制文件描述符后「流」的分离
下面更改 sep_serv.c 可以使得让它正常工作，正常工作是指通过服务器的半关闭状态接收客户端最后发送的字符串。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#define BUF_SIZE 1024
int main(int argc, char *argv[])
{
int serv_sock, clnt_sock;
FILE *readfp;
FILE *writefp;
struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;
socklen_t clnt_adr_sz;
char buf[BUF_SIZE];
serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
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]));
bind(serv_sock, (struct sockaddr *)&serv_adr, sizeof(serv_adr));
listen(serv_sock, 5);
clnt_adr_sz = sizeof(clnt_adr);
clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr *)&clnt_adr, &clnt_adr_sz);
readfp = fdopen(clnt_sock, "r");
writefp = fdopen(dup(clnt_sock), "w");
fputs("FROM SERVER: Hi~ client? \n", writefp);
fputs("I love all of the world \n", writefp);
fputs("You are awesome! \n", writefp);
fflush(writefp);
shutdown(fileno(writefp), SHUT_WR);
fclose(writefp);
fgets(buf, sizeof(buf), readfp);
fputs(buf, stdout);
fclose(readfp);
return 0;
}
注意，无论复制出多少文件描述符，均应调用shutdown函数发送EOF并进入半关闭状态。
调用shutdown函数时，无论复制出多少文件描述符都进入半关闭状态，并发送EOF。
习题
（1）下列关于FILE结构体指针和文件描述符的说法错误的是？
a. 与FILE结构体指针相同，文件描述符也分输入描述符和输出描述符。
b. 复制文件描述符时将生成相同值的描述符，可以通过这2个描述符进行I/O。
c. 可以利用创建套接字时返回的文件描述符进行I/O ，也可以不通过文件描述符，直接通过FILE结构体指针完成。
d. 可以从文件描述符生成FILE结构体指针，而且可以利用这种FILE结构体指针进行套接字I/O。
e. 若文件描述符为读模式，则基于该描述符生成的FILE结构体指针同样是读模式；若文件描述符为写模式，则基于该描述符生成的FILE结构体指针同样是写模式。
答：a、b、e。
（2）EOF的发送相关描述中错误的是？
a. 终止文件描述符时发送EOF。
b. 即使未完全终止文件描述符，关闭输出流时也会发送EOF。
c. 如果复制文件描述符，则包括复制的文件描述符在内，所有文件描述符都终止时才会发送EOF。
d. 即使复制文件描述符，也可以通过调用shutdown函数进入半关闭状态并发送EOF。
答：a。
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