day39——IO模型

已于 2024-08-22 14:30:21 修改
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文章标签： java 开发语言
于 2024-08-21 22:14:38 首次发布
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版权

1 非阻塞型IO

让我们的read函数不再阻塞，无论是否读取到消息，立刻返回

1.1 fcntl函数

原型：int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );
调用：int flag = fcntl(描述符,F_GETFL)
     fcntl(描述符，F_SETFL，flag)
功能描述：设置或者获取文件的各项属性，到底如何操作由cmd决定，一般我们都会用来设置阻塞或者非阻塞IO
参数解析：
    参数 fd：准备设置属性的文件的描述符
    参数 cmd：文件到底设置什么属性又cmd决定
    参数 ...:
        F_SETFL:设置文件的flag属性
        F_GETFL:获取当前文件的flag属性
#include <myhead.h>
int main(int argc, char const *argv[])
{
    // ①获取scanf使用的标准输入流的原本的属性，以返回值的形式返回
    int flag = fcntl(STDIN_FILENO, F_GETFL);
    // ②为flag叠加O_NONBLOCK属性
    flag |= O_NONBLOCK;
    // ③将追加完非阻塞属性的flag设置回标准输入流里面
    fcntl(STDIN_FILENO, F_SETFL, flag);

    char buf[32] = {0};
    while (1)
    {
        bzero(buf, 32);
        scanf("%s", buf);
        printf("buf = %s\n", buf);
        sleep(1);
    }
}

2 多路文件IO

能够实现效果：先发生输入事件，再去调用阻塞型的读取函数

例如：

正常情况下，都是先调用scanf函数，阻塞并等待键盘输入事件

如果使用了多路文件IO的话，就能实现：先发生键盘输入事件，事件发生之后，立刻调用scanf函数，直线了高效率且非阻塞

2.1 多路文件IO的工作原理

内核会监视目标套接字的缓存区变化:如果

① 缓存区发生了改变

② 缓存区存在数据

内核就会通知监视者，有描述符是可读的

已下3个模型，都是上述工作方式

2.2 select 模型

原型：int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,
fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
 
调用：select(描述符集合最大值,描述符集合,0,0,0)
 
功能描述：以阻塞的形式监视 readfds,writefds,exceptfds 这3个描述符集合中，所有描述符，如果有任何描述符激活，则select解除阻塞
 
参数解析：
    参数 nfds：readfds，writefds，exceptfds 这3个集合中的最大值
    参数 readfds：监视描述符集合中任意的描述符是否可读，一般我们只用这个
    参数 writefds：监视描述符集合中任意的描述符是否可写，一般写NULL
    参数 exceptfds：监视描述符集合中任意的描述符是否发生意外，一般写NULL
    参数 timeout：是一个结构体，结构如下
        struct timeval {
            long    tv_sec;         /* seconds */
            long    tv_usec;        /* microseconds */
        };
        表示select函数只阻塞传入的时间长度的秒数，超过这个时间自动解除阻塞
        传NULL表示：一直阻塞，不受时间影响
返回值：返回激活的描述符的数量

如何操作描述符集合

void FD_CLR(int fd, fd_set *set);
    功能描述： 从 set 中删除描述符 fd
int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set);
    功能描述：判断 set 中是否存在描述符 fd
    返回值：如果存在返回1，不存在返回0
void FD_SET(int fd, fd_set *set);
    功能描述：将描述符 fd 添加到 set 里面去
void FD_ZERO(fd_set *set);
    功能描述：清空 set 所有描述符，相当于初始化的功能
#include <myhead.h>

int main(int argc, const char *argv[])
{
    //监视标准输入流和一个有名管道的读端，谁激活了就调用对应的读取函数读取数据
    if (access("./myfifo", F_OK) == -1)
    {
        mkfifo("./myfifo", 0666);
    }
    int rp = open("./myfifo", O_RDONLY);
    fd_set readfds;
    FD_ZERO(&readfds);    // 初始化描述符集合
    FD_SET(rp, &readfds); // 将管道读端描述符添加进入描述符集合
    FD_SET(0, &readfds);  // 将标准输入流添加进入描述符集合
                          //readfds[n] ={rp,0}
    while (1)
    {
        fd_set temp = readfds;                       // 复制描述符集合
        select(FD_SETSIZE, &temp, NULL, NULL, NULL); // 监视readfds
        if (FD_ISSET(rp, &temp) == 1)
        { // 如果是管道激活
            printf("管道读端激活\n");
            char buf[32] = {0};
            read(rp, buf, sizeof(buf));
            printf("管道读取到的数据为：%s\n", buf);
        }
        if (FD_ISSET(0, &temp) == 1)
        { // 如果是标准输入流激活
            printf("标准输入流激活\n");
            char buf[32] = {0};
            scanf("%s", buf);
            while (getchar() != 10);
            printf("终端读取到的数据为：%s\n", buf);
        }
    }
    close(rp);
    return 0;
}

select多并发服务器

#include <myhead.h>

void insert_client(int *client_arr, int *len, int client) {
    client_arr[*len] = client;
    (*len)++;
}

int find_client(int *client_arr, int len, int client) {
    for (int i = 0; i < len; i++) {
        if (client_arr[i] == client) {
            return i;
        }
    }
    return -1;
}

void remove_client(int *client_arr, int *len, int client) {
    int tar = find_client(client_arr, *len, client);
    if (tar == -1) {
        return;
    }
    int i = -1;
    for (i = tar; i < *len - 1; i++) {
        client_arr[i] = client_arr[i + 1];
    }
    (*len)--;
}

int main(int argc, const char *argv[]) {
    if (argc != 2) {
        printf("请输入正确的端口号\n");
        return 1;
    }
    int port = atoi(argv[1]);
    fd_set readfds;
    
    FD_ZERO(&readfds);
    int client_arr[100] = {0}; //存放客户端套接字的数组
    int client_count = 0; //用来表示客户端套接字数组中有多少个客户端
    int server = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    struct sockaddr_in addr;
    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_port = htons(port);
    addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.2.100");
    if (bind(server, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr)) == -1) {
        perror("bind");
        return 1;
    }
    listen(server, 100);
    FD_SET(server, &readfds);
    while (1) {
        fd_set temp = readfds;
        select(FD_SETSIZE,&temp,0,0,0);
        if (FD_ISSET(server, &temp)) {
            int client = accept(server, NULL, NULL);
            printf("有新客户端连接\n");
            FD_SET(client, &readfds); //将新连接的客户端加入监视列表，下一次循环时碰到select就能监视到了
            insert_client(client_arr, &client_count, client); //将新连接的客户端，存入客户端数组中进行统一管理
        } else {
            for (int i = 0; i < client_count; i++) {
                int client = client_arr[i];
                if (FD_ISSET(client_arr[i], &temp)) {
                    
                    char buf[128] = {0};
                    int res = read(client, buf, 128);
                    if (res == 0) { //客户端断开连接或出错
                        printf("有客户端断开连接\n");
                        FD_CLR(client, &readfds); //从监视列表readfds里面删除
                        remove_client(client_arr, &client_count, client); //从客户端数组client_arr中删除
                        close(client); //关闭套接字
                        break;
                    }
                    printf("客户端发来消息：%s\n", buf);
                }
            }
        }
    }
    return 0;
}

select代码模型

fd_set readfds;
FD_ZERO(readfds)
FD_SET(想要监视的描述符,readfds)
while(1){
    select()
    判断/循环判断哪个描述符激活了{
        调用对用的阻塞函数
        例如:accept 或者 read    
    }
}

2.3 poll模型

工作方式和select是一样的，都是用来监视描述符是否激活，只不过操作过程不一样

因为select的不足，才会有poll模型的

① select中 fd_set 类型大小固定，1024个，如果要监视的描述符数量超过1024个，就会有问题

② select监视到激活的描述符成功后，会将激活的把readfds覆盖

poll 解决了上述2个问题

原型：int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
调用：poll(准备监视的struct pollfd 数组，数组的容量/实际长度，-1)
功能描述：监视 fds所指向的描述符数组中所有描述符的情况，最多监视nfds个，一般就是数组的容量
参数解析：
    参数 fds：结构体数组，数组中的每一个结构体元素都是一个描述符搭配一些其他数据，结构如下
        struct pollfd {
            int   fd;         /* file descriptor */要监视的描述符
            short events;     /* requested events */可读、可写、意外
                因为可读的原因激活：POLLIN，一般我们都写这个
                因为可写的原因激活：POLLOUT
            short revents;    /* returned events */
                fd描述符，一旦激活，用来表示具体因为什么原因激活的                                   
        };
    参数 nfds：想要监视的描述符的数量，一般就是fds这个数组的实际长度
    参数 timeout：poll函数阻塞时长，单位为毫秒
        传 0 表示不阻塞
        传 -1 表示一直阻塞，直到有描述符激活
        
返回值：成功返回激活的描述符的数量                        
注意：poll函数监视的直接是一个结构体数组，这个数组我们是可以直接操作的，不需要额外的函数去操作
注意：poll的激活方式为水平触发
    水平触发：只要监视的所有套接字中，有任何套接字缓存区存在数据，则poll就会激活 
#include <myhead.h>
int main(int argc, const char *argv[])
{
    if (argc != 2)
    {
        printf("请输入正确的端口号\n");
        return 1;
    }
    int port = atoi(argv[1]);
    struct pollfd fds[50] = {0};
    int server = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    
    struct sockaddr_in addr;
    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_port = htons(port);
    addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.0.103");

    if (bind(server, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr)) == -1)
    {
        perror("bind");
        return 1;
    }
    listen(server, 100);
    fds[0].fd = server;
    fds[0].events = POLLIN;
    int fd_count = 1;

    while (1)
    {
        poll(fds, fd_count, -1);
        for (int i = 0; i < fd_count; i++)
        {
            int fd = fds[i].fd;
            short revents = fds[i].revents;
            if (fd == server && revents == POLLIN)
            {
                printf("有新客户端连接\n");
                int client = accept(server, NULL, NULL);
                fds[fd_count].fd = client;
                fds[fd_count].events = POLLIN;
                fd_count++;
            }
            if (fd != server && revents == POLLIN)
            {
                char buf[128] = {0};
                int res = read(fd, buf, 128);
                if (res == 0)
                {
                    printf("有客户端断开连接\n");
                    int j = -1;
                    for (int j = i; j < fd_count - 1; j++)
                    {
                        fds[j] = fds[j + 1];
                    }
                    memset(fds + j, 0, sizeof(fds[j]));
                    fd_count--;
                    i--;
                    close(fd);
                    break;
                }
                printf("客户端发来消息：%s\n", buf);
            }
        }
    }
    return 0;
}

poll的代码模型

struct pollfd fds[n] = {0};
fds[0].fd = 想要监视的第一个描述符
fds[0].events = POLLIN
 
while(1){
    poll(fds,n,-1)
    for(遍历 fds){
        // 判断 fds中哪个描述符激活了
        if(fds[i].revents == POLLIN){
            调用对应的阻塞函数
            例如 accept 或者 read 或者 scanf等        
        }                        
    }
}

作业：

运行1个服务器和2个客户端
实现效果：
    服务器和2个客户端互相聊天，服务器和客户端都需要使用select模型去实现
    服务器要监视2个客户端是否连接，2个客户端是否发来消息以及服务器自己的标准输入流
    客户端要监视服务器是否发来消息以及客户端自己的标准输入流
    在不开线程的情况下，实现互相聊天

ser.c

#include<myhead.h>

void insert_client(int *client_arr, int *len, int client)
{
    client_arr[*len] = client;
    (*len)++;
}

int find_client(int *client_arr, int len, int client)
{
    for (int i = 0; i < len; i++)
    {
        if (client_arr[i] == client)
        {
            return i;
        }
    }
    return -1;
}

void remove_client(int *client_arr, int *len, int client)
{
    int tar = find_client(client_arr, *len, client);
    if (tar == -1)
    {
        return;
    }
    int i = -1;
    for (i = tar; i < *len - 1; i++)
    {
        client_arr[i] = client_arr[i + 1];
    }
    (*len)--;
}

int main(int argc, const char *argv[])
{
    if (argc != 2)
    {
        printf("请输入正确的端口号\n");
        return 1;
    }
    int port = atoi(argv[1]);
    fd_set readfds;
    FD_ZERO(&readfds);
    int client_arr[100] = {0}; //存放客户端套接字的数组
    int client_count = 0;      //用来表示客户端套接字数组中有多少个客户端
    int server = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    struct sockaddr_in addr;
    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_port = htons(port);
    addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.0.119");
    if (bind(server, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr)) == -1)
    {
        perror("bind");
        return 1;
    }
    FD_SET(server, &readfds);
    FD_SET(0, &readfds);
    listen(server, 5);
    while (1)
    {
        fd_set temp = readfds;
        select(FD_SETSIZE, &temp, 0, 0, 0);
        if (FD_ISSET(0, &temp))
        {
            char buf[128] = {0};
            printf("请输入：");
            scanf("%127s", buf);
            while (getchar() != 10)
                ;
            for (int i = 0; i < client_count; i++)
            {
                int client = client_arr[i];
                write(client, buf, strlen(buf));
            }
        }
        if (FD_ISSET(server, &temp))
        {
            printf("有客户端连接\n");
            int client = accept(server, NULL, NULL);
            FD_SET(client, &readfds);
            insert_client(client_arr, &client_count, client);
        }
        for (int i = 0; i < client_count; i++)
        {
            int client = client_arr[i];
            if (FD_ISSET(client, &temp))
            {
                char buf[128] = {0};
                int res = read(client, buf, 128);
                if (res == 0)
                {
                    printf("有客户端断开连接\n");
                    FD_CLR(client, &readfds);
                    remove_client(client_arr, &client_count, client);
                    close(client);
                    i--;
                    break;
                }
                printf("客户端发来消息：%s\n", buf);
                for (int j = 0; j < client_count; j++)
                {
                    if (client_arr[j] != client)
                    {
                        write(client_arr[j], buf, strlen(buf));
                    }
                }
            }
        }
    }
    return 0;
}

cli.c

#include <myhead.h>

#define SER_PORT 7777          //与服务器保持一致
#define SER_IP "192.168.0.119" //服务器ip地址
#define CLI_PORT 8086      //客户端端口号
#define CLI_IP "192.168.0.119" //客户端ip地址

int main(int argc, const char *argv[])
{
    //1、创建用于通信的套接字文件描述符
    int cfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (cfd == -1)
    {
        perror("socket error");
        return -1;
    }
    printf("cfd = %d\n", cfd); //3

    //2.1 填充地址信息结构体
    struct sockaddr_in cin;
    cin.sin_family = AF_INET;                //通信域
    cin.sin_port = htons(CLI_PORT);          //端口号
    cin.sin_addr.s_addr = inet_addr(CLI_IP); //ip地址

    //2.2 绑定工作
    if (bind(cfd, (struct sockaddr *)&cin, sizeof(cin)) == -1)
    {
        perror("bind error");
        return -1;
    }
    //3、连接到服务器
    //3.1 填充服务器地址信息结构体
    struct sockaddr_in sin;
    sin.sin_family = AF_INET;                //通信域
    sin.sin_port = htons(SER_PORT);          //服务器端口号
    sin.sin_addr.s_addr = inet_addr(SER_IP); //服务器ip地址

    //3.2 连接服务器
    if (connect(cfd, (struct sockaddr *)&sin, sizeof(sin)) == -1)
    {
        perror("connect error");
        return -1;
    }
    printf("连接服务器成功\n");

    fd_set readfds;
    FD_ZERO(&readfds);
    FD_SET(cfd, &readfds);
    FD_SET(STDIN_FILENO, &readfds);
    //4、数据收发
    char buf[128] = "";
    while (1)
    {
        fd_set temp = readfds;
        if (FD_ISSET(0, &temp))
        {
            // 使用 select 监控客户端套接字和标准输入流
            int activity = select(cfd + 1, &temp, 0, 0, 0);
            if (activity < 0)
            {
                perror("select error");
                break;
            }

            // 检查标准输入流是否有数据
            if (FD_ISSET(STDIN_FILENO, &temp))
            {
                fgets(buf, sizeof(buf), stdin); // 从终端获取一个字符串
                buf[strlen(buf) - 1] = 0;       // 去掉换行符

                // 将数据发送给服务器
                send(cfd, buf, strlen(buf), 0);
            }

            // 检查客户端套接字是否有数据
            if (FD_ISSET(cfd, &temp))
            {
                bzero(buf, sizeof(buf)); // 清空容器
                int bytes_received = recv(cfd, buf, sizeof(buf), 0);
                if (bytes_received <= 0)
                {
                    printf("连接已断开\n");
                    break;
                }
                printf("%s\n", buf);
            }
        }
    }
    //5、关闭套接字
    close(cfd);

    return 0;
}

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