第15章 高并发服务器编程_I/O多路复用

Posted 2020-09-09 浅墨浓香

3. I/O多路复用：select函数

3.1 I/O多路复用简介

（1）通信领域的时分多路复用

 

（2）I/O多路复用（I/O multiplexing）

　　①同一线程，通过“拨开关”方式，来同时处理多个I/O流，哪个IO准备就绪就把开关拨向它。（I/O多路复用类似于通信领域中的“时分复用”）

　　②通过select/poll函数可以实现IO多路复用，他们采用轮询的方式来监视I/O。而epoll是对select/poll的加强，它是基于事件驱动，epoll_ctl注册事件并注册callback回调函数，epoll_wait只返回发生的事件避免了像select/poll对事件的整个轮询操作。

　　③I/O多路复用避免阻塞在I/O上，使原本为多进程或多线程来接收多个连接的消息变为单进程或单线程保存多个socket的状态后轮询处理。

（3）I/O复用模型

 

　　①进程阻塞于select调用，等待数据报socket可读。当select返回socket可读条件时，可以再调用recvfrom将数据报拷贝到应用缓冲区中。

　　②使用了系统调用select，要求两次系统调用（另一次为recvfrom），好象使得比单纯使用recvfrom效率更得更差。但实际上使用select给我们带来的好处却是让我们可以同时等待多个socket准备好。

3.2 select函数

（1）select函数

头文件	#include <sys/types.h> #include <sys/time.h> #include <unistd.h>
函数	int select(int maxfdp1, fd_set* readfds, fd_set* writefds, fd_set* exceptfds, struct timeval* timeout);
参数	（1）maxfdp1：最大fd加1(max fd plus 1)，在三个描述符集中找出最高描述符编号值，然后加1，这就是第一个参数值。 （2）readfds、writefds和exceptfds：是指向描述符集的指针。这三个描述符集说明了我们关心的可读、可写或处理异常条件的各个描述符。每个描述符集存放在一个fd_set数据类型中。 （3）timeval结构体：指定愿意等待的时间。NULL：表示永远等待，直到列表中的某个套接字就绪才返回。如果timeout中的时间设置为0，表示不等待，测试所有指定的描述符并立即返回。其他具体值表示等待的时间。 struct timeval{ long tv_set; //秒 long tv_usec; //微秒 };
返回值	准备就绪的描述符数，若超时则为0，若出错则为-1
功能	确定一个或多个套接口的状态，如果有必要，则会等待。

（2）select的作用

	备注
传给select的参数告诉内核	①我们所关心的socket ②对于每个socket，我们所关心的条件（是否可读一个socket，是否可写一个socket，是否关心一个socket的异常） ③希望等待多长时间（可以永远等待或等待一个固定量时间，或完全不等待）
从select返时时内核告诉我们	①己准好的socket的数量 ②哪一个socket己准备好读、写或异常条件 ③使用这种返回值，就可调用相应的I/O函数（一般是read/write），并且确知该函数不会阻塞，因为socket返回就说明要等待的条件己经满足，就可以直接处理而不必阻塞等待了。

（3）处理文件描述符集（socket集）的四个宏

宏	作用
FD_ZERO(fd_set* set)	清除一个文件描述符集
FD_SET(int fd, fd_set* set)	将一个文件描述符加入到fd_set中
FD_CLR(int fd, fd_set* set)	将一个fd从fd_set中清除
FD_ISSET(int fd, fd_set* set)	测试fd_set中的一个给定fd是否有变化
备注： （1）在使用select函数之前，首先使用FD_ZERO和FD_SET来初始化fd_set，并在使用select函数时，可循环使用FD_ISSET测试fd_set。

【编程实验】echo服务器（利用I/O多路复用方式实现）

 

//vector_fd.h(与上一例相同)

#ifndef __VECTOR_H__
#define __VECTOR_H__

#include <pthread.h>

//用于存放sock的动态数组(线程安全!)
typedef struct{
    int     *fd;
    int     counter;    //元素个数
    int     max_counter;//最多存数个数，会动态增长
    pthread_mutex_t mutex; 
}VectorFD, *PVectorFD;

//动态数组相关的操作函数
extern  VectorFD*  create_vector_fd(void);
extern  void       destroy_vector_fd(VectorFD* vfd);
extern  int        get_fd(VectorFD* vfd, int index);
extern  void       remove_fd(VectorFD* vfd, int fd);
extern  void       add_fd(VectorFD* vfd, int fd);

#endif

//vector_fd.c  //动态数组操作函数(与上一例相同)

#include "vector_fd.h"
#include <memory.h>
#include <malloc.h>
#include <assert.h>

//查找指定fd在数组中的索引值
static int indexof(VectorFD* vfd, int fd)
{
    int ret = -1;

    int i=0;
    for(; i<vfd->counter; i++){
        if(vfd->fd[i] == fd){
            ret = i;
            break;
        }
    }

    return ret;
}

//数组空间的动态增长
static void encapacity(VectorFD* vfd)
{
    if(vfd->counter >=vfd->max_counter){
        int* fds = (int*)calloc(vfd->counter + 5, sizeof(int));
        assert(fds != NULL);
        memcpy(fds, vfd->fd, sizeof(int) * vfd->counter);
        
        free(vfd->fd);
        vfd->fd = fds;
        vfd->max_counter += 5;
    }
}

//动态数组相关的操作
VectorFD*  create_vector_fd(void)
{
    VectorFD* vfd = (VectorFD*)calloc(1, sizeof(VectorFD));
    assert(vfd != NULL);
    
    //分配存放fd的数组空间
    vfd->fd = (int*)calloc(5, sizeof(int));
    assert(vfd->fd != NULL);

    vfd->counter = 0;
    vfd->max_counter = 0;

    //对互斥锁进行初始化
    pthread_mutex_init(&vfd->mutex, NULL);

    return vfd;
}

void  destroy_vector_fd(VectorFD* vfd)
{
    assert(vfd != NULL);
    //销毁互斥锁
    pthread_mutex_destroy(&vfd->mutex);
    
    free(vfd->fd);
    free(vfd);
}

int  get_fd(VectorFD* vfd, int index)
{
    int ret = 0;
    assert(vfd != NULL);
    
    pthread_mutex_lock(&vfd->mutex);

    if((0 <= index) && (index < vfd->counter)){
        ret = vfd->fd[index];
    }

    pthread_mutex_unlock(&vfd->mutex);

    return ret;
}

void  remove_fd(VectorFD* vfd, int fd)
{
    assert(vfd != NULL);
    
    pthread_mutex_lock(&vfd->mutex);

    int index = indexof(vfd, fd);

    if(index >= 0){
        int i = index;
        for(; i<vfd->counter-1; i++){
             vfd->fd[i] = vfd->fd[i+1];   
        }
        
        vfd->counter--;
    }
   
    pthread_mutex_unlock(&vfd->mutex);
}

void  add_fd(VectorFD* vfd, int fd)
{
    assert(vfd != NULL);
    
    encapacity(vfd);
    vfd->fd[vfd->counter++] = fd;
}

//echo_tcp_server_select.c(与上一例相同)

#include <netdb.h>
#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <memory.h>
#include <time.h>
#include <pthread.h>
#include <signal.h>
#include <errno.h>
#include "vector_fd.h"
#include <fcntl.h>

/*基于I/O多路复用的高并发服务器编程
测试：telnet 127.0.0.1 xxxx 
      http://xxx.xxx.xxx.xxx:端口号
注意：演示时可关闭服务器的防火墙，防火墙口被过滤
      #service iptables status     查看防火墙
      #service iptables stop       关闭防火墙
*/

VectorFD* vfd;
int sockfd;
int bStop = 0;

void sig_handler(int signo)
{
    if(signo == SIGINT){
        bStop = 1;
        printf("server close\\n");
        
        close(sockfd);
        destroy_vector_fd(vfd);
        
        exit(1);
    }
}

void out_addr(struct sockaddr_in* clientAddr)
{
    char ip[16];
    memset(ip, 0, sizeof(ip));
    int port = ntohs(clientAddr->sin_port);
    inet_ntop(AF_INET, &clientAddr->sin_addr.s_addr, ip, sizeof(ip));

    printf("%s(%d) connnected!\\n", ip, port);
}

/*服务程序
 *  fd对应于某个连接的客户端，和某一个连接的客户端进行双向通信
 */
void do_service(int fd)
{
    /*服务端和客户端进行读写操作（双向通信）*/
    char buff[512];
    
    memset(buff, 0, sizeof(buff));
    size_t size = read(fd, buff, sizeof(buff));

    //读取客户端发送过来的消息
    //若读不到数据直接返回了，直接服务于下一个客户端
    //因此不需要判断size小于0的情况。
    if(size == 0){  //客户端己关闭连接
        char info[] = "client close\\n";
        write(STDOUT_FILENO, info, sizeof(info));

        //将fd从动态数组中删除
        remove_fd(vfd, fd);
        close(fd);
    }else if(size > 0){
        write(STDOUT_FILENO, buff, sizeof(buff));//显示客户端发送的消息
        //写回客户端（回显功能）
        if(write(fd, buff, sizeof(buff)) != size){
            if(errno == EPIPE){
                //如果客户端己被关闭（相当于管道的读端关闭），会产生SIGPIPE信号
                //并将errno设置为EPIPE
                perror("write error");
                remove_fd(vfd, fd);
                close(fd);   
            }
        }
    }
}

//遍历动态数组中所有的socket描述符，并将之加入到fd_set中。
//同时此函数返回动态数组中最大的那个描述符
static int add_set(fd_set* set)
{
    FD_ZERO(set);  //清空描述符集
    int max_fd = vfd->fd[0];
    
    int i=0;
    for(; i<vfd->counter; i++){
        int fd = get_fd(vfd, i);
        if(fd > max_fd)  
            max_fd = fd;
        FD_SET(fd, set); //将fd加入到fd_set中
    }

    return max_fd;
}

//线程函数
void* th_fn(void* arg)
{
    struct timeval t;
    t.tv_sec = 2;
    t.tv_usec = 0;
    int n = 0; //返回select返回的准备好的socket数量
    int maxfd; //所有socket描述符的最大值
    fd_set set;
    maxfd = add_set(&set);
    /*
     * 调用select函数会阻塞，委托内核去检查传入的描述符集是否有socket己准备好，
     * 若有，则返回准备好的socket数量，超时则返回0
     * 第1个参数为fd_set中socket的范围（最大描述符+1）
     */
    while(((n = select(maxfd + 1, &set, NULL, NULL, &t)) >=0) && (!bStop)){
        if(n > 0){
            int i = 0;
            //检测哪些socket准备好，并和这些准备好的socket对应的客户端进行双向通信
            for(; i<vfd->counter; i++){
                int fd = get_fd(vfd, i);
                if(FD_ISSET(fd, &set)){
                    do_service(fd);
                }
            }
        }

        //重新设置时间
        t.tv_sec = 2;
        t.tv_usec = 0;
        
        //清空描述符集
        //重新遍历动态数组中最新的描述符，并放置到fd_set
        maxfd = add_set(&set);
    }

    return (void*)0;
}

int main(int argc, char* argv[])
{
    if(argc < 2){
        printf("usage: %s port\\n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    //按ctrl-c时中止服务端程序
    if(signal(SIGINT, sig_handler) == SIG_ERR){
        perror("signal sigint error");
        exit(1);
    }

    /*步骤1：创建socket(套接字)
     *注：socket创建在内核中，是一个结构体
     *AF_INET：IPv4
     *SOCK_STREAM：tcp协议
     */
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    /*步骤2：将sock和地址（包括ip、port）进行绑定*/
    struct sockaddr_in servAddr; //使用专用地址结构体
    memset(&servAddr, 0, sizeof(servAddr));
    //往地址中填入ip、port和Internet地址族类型
    servAddr.sin_family = AF_INET;//IPv4
    servAddr.sin_port = htons(atoi(argv[1])); //port
    servAddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; //任一可用的IP

    if(bind(sockfd, (struct sockaddr*)&servAddr, sizeof(servAddr)) <0 ){
        perror("bind error");
        exit(1);
    }

    /*步骤3：调用listen函数启动监听
     *       通知系统去接受来自客户端的连接请求
     */
    if(listen(sockfd, 10) < 0){  //队列中最多允许10个连接请求
        perror("listen error");
        exit(1);
    }

    //创建放置套接字描述符的动态数组
    vfd = create_vector_fd();

    //设置线程的分离属性
    pthread_t  th;
    pthread_attr_t attr;
    pthread_attr_init(&attr);
    pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);
    //启动子线程
    int err;
    if((err = pthread_create(&th, &attr, th_fn, (void*)0)) != 0){
        perror("pthread create error");
        exit(1);
    }
    pthread_attr_destroy(&attr);
    
    /*(1)主线程获得客户端连接，将新的socket描述符放置到动态数组中
     *(2)子线程的任务
         A.调用select委托内核去检查传入到select中的描述符是否准备好
     *   B.利用FD_ISSET来找出准备好的那些描述符并和对应的客户端进行双向通信
     */

    struct sockaddr_in clientAddr;
    socklen_t len = sizeof(clientAddr);

    while(!bStop){
        /*步骤4：调用accept函数，从请求队列中获取一个连接
         *       并返回新的socket描述符
         * */
        int fd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&clientAddr, &len);
       
        if(fd < 0){
            perror("accept error");
            continue;
        }
        

        //输出客户端信息
        out_addr(&clientAddr);
        
        //将返回的新socket描述符加入到动态数组中
        add_fd(vfd, fd);
    }

    close(sockfd);
    destroy_vector_fd(vfd);
    return 0;
}
/*输出结果
 * [root@localhost 15.AdvNet]# gcc -o bin/echo_tcp_server_select -Iinclude bin/vector_fd.o src/echo_tcp_server_select.c -lpthread           
 * [root@localhost 15.AdvNet]# bin/echo_tcp_server_select 8888
 * 127.0.0.1(40695) connnected!
 * abcdefaaabbbcdef^Cserver close
 */

//echo_tcp_client.c(与上一例相同)

#include <netdb.h>
#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <memory.h>

int main(int argc, char* argv[])
{
    if(argc < 3){
        printf("usage: %s ip port\\n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    /*步骤1： 创建socket(套接字)*/
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(sockfd < 0){
        perror("socket error");
    }

    //往servAddr中填入ip、port和地址族类型
    struct sockaddr_in servAddr;
    memset(&servAddr, 0, sizeof(servAddr));
    servAddr.sin_family = AF_INET;
    servAddr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
    //将ip地址转换成网络字节序后填入servAdd中
    inet_pton(AF_INET, argv[1], &servAddr.sin_addr.s_addr);

    /*步骤2： 客户端调用connect函数连接到服务器端*/
    if(connect(sockfd, (struct sockaddr*)&servAddr, sizeof(servAddr)) < 0){
        perror("connect error");
        exit(1);
    }

    /*步骤3： 调用自定义的协议处理函数和服务端进行双向通信*/
    char buff[512];
    size_t size;
    char* prompt = ">";

    while(1){
        memset(buff, 0, sizeof(buff));
        write(STDOUT_FILENO, prompt, 1);
        size = read(STDIN_FILENO, buff, sizeof(buff));
        if(size < 0) continue;

        buff[size-1] = \'\\0\';
        //将键盘输入的内容发送到服务端
        if(write(sockfd, buff, sizeof(buff)) < 0){
            perror("write error");
            continue;
        }else{
            memset(buff, 0, sizeof(buff));
            //读取来自服务端的消息
            if(read(sockfd, buff, sizeof(buff)) < 0){
                perror("read error");
                continue;
            }else{
                printf("%s\\n", buff);
            }
        }
    }

    /*关闭套接字*/
    close(sockfd);
}