Linux下的异步TCP socket及实例

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本文介绍了Linux下基于socket的三种异步通讯方法：select、epoll和异步通知方式。通过具体示例代码展示了如何实现这些方法，帮助读者更好地理解和使用Linux下的异步socket编程。

Linux下的异步TCP socket及实例

  • 同步socket通讯时，程序会阻塞在诸如(connect、accept、recv、recvfrom)等操作上，直到有事件发生时才会继续。
  • 而在异步通讯交互中，两方可以任意发送消息，当有数据要接收时，会收到系统消息提示来接收数据，而不会阻塞。
  • 在Linux下基于socket的异步通讯可以有多种方式，比较常用的有select方式、epoll方式和异步消息的方式。

 

一、 select方式：

  1. 设置放置socket句柄的集合变量
  2. 把要判断的socket句柄放到集合
  3. 设置超时时间
  4. 执行select操作
  5. 根据select操作返回值做相应处理（连接、读、写等）

例子：

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

#define MYPORT i        1234        // the port users will be connecting to
#define BACKLOG         5           // how many pending connections queue will hold
#define BUF_SIZE        200

int fd_A[BACKLOG];                  // accepted connection fd
int conn_amount;                    // current connection amount

void showclient()
{
    int i;
    printf("client amount: %d\n", conn_amount);
    for (i = 0; i < BACKLOG; i++) {
        printf("[%d]:%d  ", i, fd_A[i]);
    }
    printf("\n\n");
}

int main(void)
{
    int sock_fd, new_fd;    // listen on sock_fd, new connection on new_fd
    struct sockaddr_in server_addr;     // server address information
    struct sockaddr_in client_addr;     // connector's address information
    socklen_t sin_size;
    int yes = 1;
    char buf[BUF_SIZE];
    int ret;
    int i;

    if ((sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1) {
        perror("socket");
        exit(1);
    }

    if (setsockopt(sock_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &yes, sizeof(int)) == -1) {
        perror("setsockopt");
        exit(1);
    }

    server_addr.sin_family = AF_INET;         // host byte order
    server_addr.sin_port = htons(MYPORT);     // short, network byte order
    server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // automatically fill with my IP
    memset(server_addr.sin_zero, '', sizeof(server_addr.sin_zero));
    if (bind(sock_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {
        perror("bind");
        exit(1);
    }

    if (listen(sock_fd, BACKLOG) == -1) {
        perror("listen");
        exit(1);
    }

    printf("listen port %d\n", MYPORT);
    fd_set fdsr;
    int maxsock;
    struct timeval tv;
    conn_amount = 0;
    sin_size = sizeof(client_addr);
    maxsock = sock_fd;
    while (1) {
        // initialize file descriptor set
        FD_ZERO(&fdsr);
        FD_SET(sock_fd, &fdsr);
        // timeout setting
        tv.tv_sec = 30;
        tv.tv_usec = 0;
        // add active connection to fd set
        for (i = 0; i < BACKLOG; i++) {
            if (fd_A[i] != 0) {
                FD_SET(fd_A[i], &fdsr);
            }
        }

        ret = select(maxsock + 1, &fdsr, NULL, NULL, &tv);
        if (ret < 0) {
            perror("select");
            break;
        } else if (ret == 0) {
            printf("timeout\n");
            continue;
        }

        // check every fd in the set
        for (i = 0; i < conn_amount; i++) {
            if (FD_ISSET(fd_A[i], &fdsr)) {
                ret = recv(fd_A[i], buf, sizeof(buf), 0);
                if (ret <= 0) {        // client close
                    printf("client[%d] close\n", i);
                    close(fd_A[i]);
                    FD_CLR(fd_A[i], &fdsr);
                    fd_A[i] = 0;
                }
                else {        // receive data
                    if (ret < BUF_SIZE)
                        memset(&buf[ret], '', 1);
                    printf("client[%d] send:%s\n", i, buf);
                }
            }
        }

        // check whether a new connection comes
        if (FD_ISSET(sock_fd, &fdsr)) {
            new_fd = accept(sock_fd, (struct sockaddr *)&client_addr, &sin_size);
            if (new_fd <= 0) {
                perror("accept");
                continue;
            }

            // add to fd queue
            if (conn_amount < BACKLOG) {
                fd_A[conn_amount++] = new_fd;
                printf("new connection client[%d] %s:%d\n", conn_amount,inet_ntoa(client_addr.sin_addr), ntohs(client_addr.sin_port));
                if (new_fd > maxsock)
                    maxsock = new_fd;
            }

            else {
                printf("max connections arrive, exit\n");
                send(new_fd, "bye", 4, 0);
                close(new_fd);
                break;
            }
        }
        showclient();
    }

    // close other connections
    for (i = 0; i < BACKLOG; i++) {
        if (fd_A[i] != 0) {
            close(fd_A[i]);
        }
    }
    return 0;
}

 

二、 epool方式

  1. 用epoll_create建立epool句柄
  2. 控制socket行为epoll_ctl
  3. 等待socket状态处理epoll_wait

例子：

#include <sys/socket.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <iostream>

using namespace std;

#define MAX_EVENTS 500

struct myevent_s
{
    int fd;
    void (*call_back)(int fd, int events, void *arg);
    int events;
    void *arg;
    int status; // 1: in epoll wait list, 0 not in
    char buff[128]; // recv data buffer
    int len;
    long last_active; // last active time
};

// set event
void EventSet(myevent_s *ev, int fd, void (*call_back)(int, int, void*), void *arg)
{
    ev->fd = fd;
    ev->call_back = call_back;
    ev->events = 0;
    ev->arg = arg;
    ev->status = 0;
    ev->last_active = time(NULL);
}

// add/mod an event to epoll
void EventAdd(int epollFd, int events, myevent_s *ev)
{
    struct epoll_event epv = {0, {0}};
    int op;
    epv.data.ptr = ev;
    epv.events = ev->events = events;
    if(ev->status == 1){
        op = EPOLL_CTL_MOD;
    }
    else{
        op = EPOLL_CTL_ADD;
        ev->status = 1;
    }
    if(epoll_ctl(epollFd, op, ev->fd, &epv) < 0)
        printf("Event Add failed[fd=%d]\n", ev->fd);
    else
        printf("Event Add OK[fd=%d]\n", ev->fd);
}

// delete an event from epoll
void EventDel(int epollFd, myevent_s *ev)
{
    struct epoll_event epv = {0, {0}};
    if(ev->status != 1) return;
    epv.data.ptr = ev;
    ev->status = 0;
    epoll_ctl(epollFd, EPOLL_CTL_DEL, ev->fd, &epv);
}

int g_epollFd;
myevent_s g_Events[MAX_EVENTS+1]; // g_Events[MAX_EVENTS] is used by listen fd
void RecvData(int fd, int events, void *arg);
void SendData(int fd, int events, void *arg);

// accept new connections from clients
void AcceptConn(int fd, int events, void *arg)
{
    struct sockaddr_in sin;
    socklen_t len = sizeof(struct sockaddr_in);
    int nfd, i;
    // accept
    if((nfd = accept(fd, (struct sockaddr*)&sin, &len)) == -1)
    {
        if(errno != EAGAIN && errno != EINTR)
        {
            printf("%s: bad accept", __func__);
        }
        return;
    }
    do
    {
        for(i = 0; i < MAX_EVENTS; i++)
        {
            if(g_Events[i].status == 0)
            {
                break;
            }
        }
        if(i == MAX_EVENTS)
        {
            printf("%s:max connection limit[%d].", __func__, MAX_EVENTS);
            break;
        }
        // set nonblocking
        if(fcntl(nfd, F_SETFL, O_NONBLOCK) < 0) break;
        // add a read event for receive data
        EventSet(&g_Events[i], nfd, RecvData, &g_Events[i]);
        EventAdd(g_epollFd, EPOLLIN|EPOLLET, &g_Events[i]);
        printf("new conn[%s:%d][time:%d]\n", inet_ntoa(sin.sin_addr), ntohs(sin.sin_port), g_Events[i].last_active);
    }while(0);
}

// receive data
void RecvData(int fd, int events, void *arg)
{
    struct myevent_s *ev = (struct myevent_s*)arg;
    int len;
    // receive data
    len = recv(fd, ev->buff, sizeof(ev->buff)-1, 0);
    EventDel(g_epollFd, ev);
    if(len > 0)
    {
        ev->len = len;
        ev->buff[len] = '';
        printf("C[%d]:%s\n", fd, ev->buff);
        // change to send event
        EventSet(ev, fd, SendData, ev);
        EventAdd(g_epollFd, EPOLLOUT|EPOLLET, ev);
    }
    else if(len == 0)
    {
        close(ev->fd);
        printf("[fd=%d] closed gracefully.\n", fd);
    }
    else
    {
        close(ev->fd);
        printf("recv[fd=%d] error[%d]:%s\n", fd, errno, strerror(errno));
    }
}

// send data
void SendData(int fd, int events, void *arg)
{
    struct myevent_s *ev = (struct myevent_s*)arg;
    int len;
    // send data
    len = send(fd, ev->buff, ev->len, 0);
    ev->len = 0;
    EventDel(g_epollFd, ev);
    if(len > 0)
    {
        // change to receive event
        EventSet(ev, fd, RecvData, ev);
        EventAdd(g_epollFd, EPOLLIN|EPOLLET, ev);
    }
    else
    {
        close(ev->fd);
        printf("recv[fd=%d] error[%d]\n", fd, errno);
    }
}

void InitListenSocket(int epollFd, short port)
{
    int listenFd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    fcntl(listenFd, F_SETFL, O_NONBLOCK); // set non-blocking
    printf("server listen fd=%d\n", listenFd);
    EventSet(&g_Events[MAX_EVENTS], listenFd, AcceptConn, &g_Events[MAX_EVENTS]);
    // add listen socket
    EventAdd(epollFd, EPOLLIN|EPOLLET, &g_Events[MAX_EVENTS]);
    // bind & listen
    sockaddr_in sin;
    bzero(&sin, sizeof(sin));
    sin.sin_family = AF_INET;
    sin.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    sin.sin_port = htons(port);
    bind(listenFd, (const sockaddr*)&sin, sizeof(sin));
    listen(listenFd, 5);
}

int main(int argc, char **argv)
{
    short port = 12345; // default port
    if(argc == 2){
        port = atoi(argv[1]);
    }
    // create epoll
    g_epollFd = epoll_create(MAX_EVENTS);
    if(g_epollFd <= 0) printf("create epoll failed.%d\n", g_epollFd);
    // create & bind listen socket, and add to epoll, set non-blocking
    InitListenSocket(g_epollFd, port);
    // event loop
    struct epoll_event events[MAX_EVENTS];
    printf("server running:port[%d]\n", port);
    int checkPos = 0;
    while(1){
        // a simple timeout check here, every time 100, better to use a mini-heap, and add timer event
        long now = time(NULL);
        for(int i = 0; i < 100; i++, checkPos++) // doesn't check listen fd
        {
            if(checkPos == MAX_EVENTS) checkPos = 0; // recycle
            if(g_Events[checkPos].status != 1) continue;
            long duration = now - g_Events[checkPos].last_active;
            if(duration >= 60) // 60s timeout
            {
                close(g_Events[checkPos].fd);
                printf("[fd=%d] timeout[%d--%d].\n", g_Events[checkPos].fd, g_Events[checkPos].last_active, now);
                EventDel(g_epollFd, &g_Events[checkPos]);
            }
        }
        // wait for events to happen
        int fds = epoll_wait(g_epollFd, events, MAX_EVENTS, 1000);
        if(fds < 0){
            printf("epoll_wait error, exit\n");
            break;
        }
        for(int i = 0; i < fds; i++){
            myevent_s *ev = (struct myevent_s*)events[i].data.ptr;
            if((events[i].events&EPOLLIN)&&(ev->events&EPOLLIN)) // read event
            {
                ev->call_back(ev->fd, events[i].events, ev->arg);
            }
            if((events[i].events&EPOLLOUT)&&(ev->events&EPOLLOUT)) // write event
            {
                ev->call_back(ev->fd, events[i].events, ev->arg);
            }
        }
    }
    // free resource
    return 0;
}

 

三、 异步通知

  1. 定义信号处理函数
  2. 设置socket的消息进程id
  3. 设置socket消息
  4. 信号等待和处理

例子：

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

#define MAX_LENTH 1500

#define SIG_FIFO_IO SIGRTMIN+1

static char recv_buf[MAX_LENTH] = {0};

int main(int argc, char *argv[])
{
    int sockfd, on = 1;
    struct sigaction action;
    sigset_t newmask, oldmask;
    struct sockaddr_in addr;

    memset(&addr, 0, sizeof(addr));
    addr.sin_family =  AF_INET;
    addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    addr.sin_port = htons(50001);
    if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) == -1) {
        perror("Create socket failed");
        exit(-1);
    }
    if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr)) == -1) {
        perror("Bind socket failed");
        exit(-1);
    }

    if (fcntl(sockfd, F_SETOWN, getpid()) == -1) {
        perror("Fcntl F_SETOWN failed");
        exit(-1);
    }
    if (fcntl(sockfd, F_SETSIG, SIG_FIFO_IO) == -1) {
        perror("Fcntl F_SETSIG failed");
        exit(-1);
    }
    if (ioctl(sockfd, FIOASYNC, &on) == -1) {
        perror("Ioctl FIOASYNC failed");
        exit(-1);
    }

    int rcvd_sig, len;
    siginfo_t info;
    sigemptyset(&newmask);
    sigaddset(&newmask, SIG_FIFO_IO);
    sigprocmask(SIG_BLOCK, &newmask, &oldmask);

    while (1) {
        rcvd_sig = sigwaitinfo(&newmask, &info);//siginfo中的_sigpool{si_band, si_fd},其中si_fd为socket的文件描述符值

        if (rcvd_sig == -1) {
            perror("sigio: sigwaitinfo");
            exit(-1);
        }
        else {
            printf("Signal %d, socket fd %d  received from socket\n",
                    rcvd_sig, info.si_fd);
            len = recv(sockfd, recv_buf, MAX_LENTH, MSG_DONTWAIT);
            if( len>0)
                puts( recv_buf);
            exit(-1);
        }
    }
    exit(0);
}
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Linux下socket异步通讯聊天程序（转） original from: http://yangqi.org/linux-socket-asynchronous-im-system/ Posted by yangqi @ 2010年02月17日 [Wed] 22:37 网络课的project 1能用到的资料，程序结构比较清晰，转来学习一下 什么是异步通讯？ 就是通讯任意一方可
Linux Socket编程 -- 同步 与 异步 请求
wxfx_OT的博客
11-21 811
协程引入
Linux网络编程一步一步学-异步通讯聊天程序select
09-01 407
<br />什么是异步通讯？<br /> 就是通讯任意一方可以任意发送消息，有消息来到时会收到系统提示去接收消息。<br /><br /> 这里要用到select函数。使用步骤如下：<br /> 1、设置一个集合变量，用来存放所有要判断的句柄（file descriptors：即我们建立的每个socket、用open打开的每个文件等）<br /> 2、把需要判断的句柄加入到集合里<br /> 3、设置判断时间<br /> 4、开始等待，即select<br /> 5、如果在设定的时间内有任何句
【Linux】Socket阻塞和非阻塞、同步与异步
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努力让自己的能力配得上梦想.
06-24 1311
阻塞 阻塞模式下，send函数返回时，只代表需要发送的数据已经被拷贝到内核的发送缓冲区中 并且如果发送缓冲区有足够的空间，数据可能已经开始从发送缓冲区发送到网络上。但是并不代表数据已经成功地被接收方接收 当发送缓冲区空间不够大的时候，等到发送缓冲区空间足够大再发送 调用recv函数并且套接字没有数据可读时，recv函数会阻塞当前线程，直到有数据可读或者出现错误。 如果 recv 函数返回，返回值代表内核的接收缓冲区中的数据已经被拷贝到用户空间。 /* Windows下UDP阻塞socket*/
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