linux socke编程实例：一个简单的echo服务器程序

Posted 2021-05-18 海枫

    在文章 ＜＜linux socke编程实例：一个简单的echo服务器程序＞＞简单地介绍了如何在linix使用socket进行网络编程，并且在文中给出相应的程序和说明，以使大家对socket编程有初步的了解。现在我们解决文中出现的问题：不能同时与多个客户进行通信，只能第一个客户通信结束事才能与第二个客户进行通信，依次...直到有的客户连接超时，或者没有客户进行连接。通常一个服务器程序应能同时与多个客户端进行通信，能及时对它的请求作出回复。
   其实这个问题有很多解方案，最明显的一种就是采用多线程或者采用多进程。显然多进程是不可取的，因此有多线程的存。采用多线程技术时，每当有客户请求连接，服务器都是新建一个线程与之通信，通信完成后将终止该线程。这样的情况适合于大量IO操作的服务器程程，或者服务器的是多核的。否则，这样未免太浪费了，系统的开销也会很大。因此我们致力于采用单进程单线的解决方案。
   其实，我们对C/S通信方式中的服务器端会有这样的直觉：服务器等待客户的到来，如果在一定的时间内（10ms），如果没有收到请求，那就不等了，马上回来处量已连接上的客户端，并与之通信。与已连接上的客户端进行通信，也采用这样的方式，对于任一客户端，看它有没有数据到来，有则处理，没则轮到下一个客户，采用相同的处理方式。依次进行下去，就不需要使用多进程或多线程技术，可以如何实现呢？

    其实IO可以分为阻塞IO和非阻塞IO，当读阻塞IO的数据时，直到有数据时才返回，否则一直阻塞；非阻塞IO却不同，读非阻塞IO的数据时，不管有没有数据到来，它都会及时返回，有 没 有数据到来依据返回值进行判断。无论我们在代码中使用open还是socket函数返回的文件描述符，它都是阻塞的，要使它变为非阻塞，则必须使用fcntl函数对它的属性进行更改。fcntl函数说明如下：

int fcntl(int fd int cmd,.../* int arg * / ) ;

fd为文件描述符，cmd表示命令，可变参数的个数和类型根据cmd值的不同而不同。

f c n t l函数有五种功能：
复制一个现存的描述符（cmd＝F_DUPFD）。
获得/设置文件描述符标记（cmd = F_GETFD或F_SETFD）。
获得/设置文件状态标志（cmd = F_GETFL或F_SETFL）。
获得/设置异步I / O有权（cmd = F_GETOWN或F_SETOWN）。
获得/设置记录锁（cmd = F_GETLK , F_SETLK或F_SETLKW）。
要设置文件的非阻塞属生，先要用cmd=F_GETFD获得属性值，然后把属性值为非阻塞的即可。

为了方便设置文件的属生，我们定义了如下的函数：

void set_fl(int fd, int flags)
...{
    int val;
    //获取属性
    if((val = fcntl(fd, F_GETFL, 0)) < 0)
    ...{
        printf("get socket property error ");
        exit(0);
    }
    //更改属性
    val = val |flags;
    //更改属性后再设置，以使它使效
    if(fcntl(fd, F_SETFL, val) < 0)
    ...{
        printf("set socket property error ");
        exit(1);
    }
}

在函数set_fl中，可以对文件fd设置属性flags，如果我们要把描述符socketfd设置为非阻塞，只需如下语句即可：

set_fl(socketfd, O_NONBLOCK);

下面是采用非阻塞IO机制来实现的代码，与原来的相比，结构和原理上没有改变，只是把所有的IO都设置为非阻塞的。

#include <netdb.h>
#include <sys/socket.h>
#include <errno.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>

#define EHCO_PORT    8080
#define MAX_CLIENT_NUM        100

void set_fl(int fd, int flags)
{
    int val;
    if((val = fcntl(fd, F_GETFL, 0)) < 0)
    {
        printf("get socket property error ");
        exit(0);
    }
    val = val |flags;
    if(fcntl(fd, F_SETFL, val) < 0)
    {
        printf("set socket property error ");
        exit(1);
    }
}

int main()
{
    int socketfd;
    socketfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
       
    if(socketfd == -1)
    {
        printf("errno=%d ", errno);
        exit(1);
    }
    else
    {
        printf("socket create successfully ");
    }

    struct sockaddr_in sa;
    bzero(&sa, sizeof(sa));
    sa.sin_family = AF_INET;
    sa.sin_port = htons(EHCO_PORT);
    sa.sin_addr.s_addr = htons(INADDR_ANY);
    bzero(&(sa.sin_zero), 8);

    if(bind(socketfd, (struct sockaddr *)&sa, sizeof(sa))!= 0)
    {
        printf("bind failed ");
        printf("errno=%d ", errno);
        exit(1);
    }
    else
    {
        printf("bind successfully ");
    }

    //listen
    if(listen(socketfd ,MAX_CLIENT_NUM) != 0)
    {
        printf("listen error ");
        exit(1);
    }
    else
    {
        printf("listen successfully ");
    }

    int clientfd;
    struct sockaddr_in clientAdd;
    socklen_t len = sizeof(clientAdd);

    char buff[100];
    int closing =0;
    int clientArray[MAX_CLIENT_NUM];
    int i;
    for(i = 0; i < MAX_CLIENT_NUM; ++i)
    {
        clientArray[i] = -1;    // -1 indicates no using
    }
   
    // set no blocking for server, and the accept function will not block.
    set_fl(socketfd, O_NONBLOCK);

    while( closing == 0  )
    {
        clientfd = accept(socketfd, (struct sockaddr *)&clientAdd, &len);
        
        if(clientfd > 0)
        {
            printf("receive connection ");
            //set no blocking for client, in that the read function will no block.
            set_fl(clientfd, O_NONBLOCK);
            for(i = 0; i < MAX_CLIENT_NUM; ++i)
            {
                if(clientArray[i] == -1)
                {
                    clientArray[i] = clientfd;
                    break;
                }
            }
            if(i == MAX_CLIENT_NUM)
            {
                //there is not enough sockets for client, so close it
                close(clientfd);
            }
        }
        
        int n;

        for(i = 0; i < MAX_CLIENT_NUM; ++i)
        {
            if(clientArray[i] == -1) continue;
            if( (n = recv(clientArray[i], buff, 100, 0)) > 0)
            {
                printf("number of receive bytes = %d ", n);
                write(STDOUT_FILENO, buff, n);
                send(clientArray[i],buff, n, 0);
                buff[n] = 0;
                if(strcmp(buff, "quit/r/n") == 0)
                {
                    close(clientArray[i]);
                    clientArray[i] = -1;
                    break;
                }
                else if(strcmp(buff, "close/r/n") == 0)
                {
                    //server closing
                    closing = 1;
                    printf("server is closing ");
                    break;
                }
            }
        }
        //printf("receive finsihed ");
        
    }

    for(i = 0; i < MAX_CLIENT_NUM; ++i)
    {
        if(clientArray[i] != -1)
        {
            close(clientArray[i]);    
        }
    }
    close(socketfd);

    return 0;
}

    值得一提的是，当文件为非阻塞时，accept会回返回它接受连接的客户端描述符，如没有客户请求连接，则返回-1；同理,recv会返回该客户端发送过来的数据的字节数，如没有数据到来，则返回-1。因此我们可以根据这两个函数的返回值进行相应的操作。accept返回非负数的情况，说明有新的客户请求连接，因此要把它记录下来，以下次能收到它发送过来的信息。对于recv也一样，如果返回值为正数，则说明有数所到来，对数据作相应的处理返回复。
    经此一役，使用单进程的通信方式仍然可以实现服务器程序。可以使用上文中介绍的方法（telnet）对它进行测试。

    在测试的过程中，我们依然可以发现：服务器采用了非阻塞的方式进行读，当没有数据准备好的时候，它不停地循环，这样浪费了大量的CPU时间。因此，本文的方案仍不是一个最好的方案。
   如果客户端的通信量很少，那么服务器会不停地循环，这样就会占用很多CPU时间，使得其它进程使用的时间很少。
   如果解决这个问题呢？在下一篇章和大家一起探讨一下解决的方法。