UNP卷一学习笔记：高级I/O函数

Posted 2022-10-30 printfnothing

UNP卷一中所列的高级I/O函数有5组：

1.read & write

#include<sys/socket.h>
ssize_t read(int fd,void* buff,size_t nbytes);
//成功返回从fd读取的字节数，失败返回-1
ssize_t write(int fd,const void* buff,size_t nbytes);
//成功返回写入fd中的字节数，失败返回-1

2.recvfrom & sendto

#include<sys/socket.h>   
ssize_t recvfrom(int sockfd,void* buff,size_t nbytes,int flags,\\  
        struct sockaddr* from,socklen_t* addrlen);  
//成功返回从sockfd读得的字节数，出错返回-1   
ssize_t sendto(int sockfd,const void* buff,size_t nbytes,int flages,\\  
       const struct sockaddr*to ,socklen_t addrlen);  
//成功返回写入sockfd的字节数，出错返回-1

sockfd:套接字。
nbytes:读写字节数。
buff:读入或写出缓冲区。
flags:指明recvfrom或sendto的具体操作方式。
from:发送方源地址；to：接收方目的地址。
addrlen:from或to的地址长度

3.recv & send

#include<sys/socket.h>
ssize_t recv(int sockfd,void* buff,size_t nbytes,int flags);
ssize_t send(int sockfd,const void* buff,size_t nbytes,int flags);
//成功返回读入或写出的字节数，若出错则返回-1

flags	说明	recv	send
MSG_DONTROUTE	绕过路由表查询	no	yes
MSG_DONTWAIT	临时将recv或send设置成非阻塞	yes	yes
MSG_OOB	发送或接收带外数据	yes	yes
MSG_PEEK	查看已可读取数据	yes	no
MSG_WAITALL	保证读入请求数目为nbytes的字节数	yes	no

注意：即使设置了MSG_WAITALL等待读入nbytes所有字节数，但是遇到捕获信号，连接中止，套接字错误，recv仍可能返回比所请求nbytes要少的字节数。

4.readv & writev

#include<sys/uio.h>
ssize_t readv(int fd,const struct iovec* iov,int iovcnt);
ssize_t writev(int fd,const struct iovec* iov,int iovcnt);
//成功返回读入或写出的字节数，失败返回-1
struct iovec
  void *iov_base;  //缓冲区起始地址
  size_t iov_len;  //缓冲区大小

readv被称作分散读，因为输入数据被分散到多个应用缓冲区中，writev被称作集中写，因为来自多个应用缓冲区的输出数据被集中供给单个写操作。

5.recvmsg & sendmsg

#include<sys/socket.h>
ssize_t recvmsg(int sockfd,struct msghdr* msg,int flags);
ssize_t sendmsg(int sockfd,struct msghdr* msg,int flags);
//返回：若成功则为读入或写出的字节数，若出错则为-1。
struct msghdr
  void *msg_name;            //协议地址
  socklen_t msg_namelen;     //协议地址大小
  struct iovec *msg_iov;     //多个输入或输出缓冲区
  int msg_iovlen;            //msg_iov中缓冲区的数量
  void *msg_control;         //辅助数据（控制信息）
  socklen_t msg_controllen;  //辅助数据长度
  int msg_flags;             //recvmsg返回的消息标志位

注意：recvmsg使用msg->msg_flags,flags参数会被复制到msg_flags上，并由内核使用其值驱动接收处理过程；sendmsg忽略msg->msg_flags，而直接使用flags参数驱动发送处理过程。

5组I/O函数的比较：

a.recv&send和readv&writev是read&write的升级版，recv&send通过标志flags提供了更多的读写操作，readv&writev因为针对多个输入或输出缓冲区进行读写，因此效率更高。

b.一般来讲，读写字节流数据多采用read&write和recv&send，读写数据报数据多采用recvfrom&sendto,而readv&writev可以适用于字节流和数据报，recvmsg&sendmsg是最通用的一组I/O函数，换句话说，其他4组函数几乎都可以转换成recvmsg&sendmsg。

c.除了read&write和readv&writev适用于任何描述符外，其他3组函数仅适用于套接字描述符。

对于套接字而言，我们希望不要长期阻塞在某个调用上，因此需要对其设置超时控制，对于I/O函数有3种方法设置超时：

(1)调用alarm,它在指定超时期满产生SIGALRM信号。

static void alarm_process(int);    //信号处理函数<pre name="code" class="cpp">int alarm_test1(int nsec)

  Sigfunc* sigfunc;
  int n;
  sigfunc=Signal(SIGALRM,alarm_process);
  if(alarm(nsec)!=0)
   
     err_msg("alarm was already set");
  
  if((n=recvfrom(.....))<0)
  
      .....
   
  alarm(0);            //关闭alarm
  Signal(SIGALRM,sigfunc);
  return n;

static void alarm_process(int)
return;

上述程序通过调用alarm(nsec)在设置SIGALRM发生在该语句执行后nsec秒，这样在recvfrom阻塞期间，若alarm时间到，内核就会发送SIGALRM信号给该进程，进程捕获到该信号后，会调用alarm_process函数处理信号，同时中断recvfrom的调用，从而将其解阻塞。alarm方法虽然简单，但是有一个缺陷，如果你不能合理使用，就无法达到超时的效果。

将上面的alarm_test1变为以下代码：

int alarm_test2(int nsec)

  Sigfunc* sigfunc;
  int n;
  sigfunc=Signal(SIGALRM,alarm_process);
  while(Fgets(....)!=NULL)
   if(alarm(nsec)!=0)
     
       err_msg("alarm was already set");
    
    for(;;)
      if((n=recvfrom(.....))<0)
      
        if(errno==EINTR)
          break;
        else
          err_sys("recvfrom error");
     
      else
        sleep(1);
        printf("may catch signal here\\n");
      
     
  
  return n;

我们以nsec=1传入函数，这样alarm(1)就会等1s后，让内核产生SIGALRM信号给进程。现在的问题是：如果recvfrom没有阻塞，而是在数毫秒内返回一定字节大小的数据报，这样程序就会转到sleep(1)，程序休眠一秒钟，这一秒钟时间内，内核产生了SIGALRM信号并被进程捕获，但是信号处理函数alarm_process仅仅返回void，什么都没做，处理完信号后的进程可能执行到了printf语句，之后又循环到recvfrom语句，这下好了，如果此时recvfrom阻塞，alarm(1)就没有任何超时作用了，因为已经超时过一次了，此时程序又无法返回到之前的alarm(1)语句重新设置超时时间。

总结起来就是：在使用alarm方法设置超时时，要确保在捕获SIGALRM信号的时候，进程阻塞在你所期望的I/O函数上。

有三种方法可以实现：

a.用pselect阻塞和解阻塞信号

b.使用sigsetjmp和siglongjmp

c.使用从信号处理函数到主控函数的IPC

(2)在select中设置超时

之前的笔记中提到过select的用法

#include<sys/select.h>   
#include<sys/time.h>   
int select(int maxfdp1,fd_set*readset,fd_set* writeset,fd_set* exceptset,\\  
const struct timeval*timeout);  
//返回：若有就绪描述符则为其数目，若超时则为0，若出错则为-1   
  
struct timeval  
  long tv_sec;     //秒   
  long tv_usec;    //微妙   

方法简单，就是通过设置timeval来设置超时时间。当然，既然select可以，epoll系列函数肯定也行咯。

(3)为套接字设置SO_RCVTIMEO和SO_SNDTIMEO套接字选项

举例来说：

int sockfd;
struct timeval tv;
setsockopt(sockfd,SOL_SOCKET,SO_RCVTIMEO,&tv,sizoef(tv));
//为sockfd上所有读操作设置超时时间tv
setsockopt(sockfd,SOL_SOCKET,SO_SNDTIMEO,&tv,sizoef(tv));
//为sockfd上所有写操作设置超时时间tv

三种设置超时方法的比较：

a.select/epoll和SO_RCVTIMEO&SO_SNDTIMEO方法使用更为简单，alarm方法使用更加复杂，上面也说了如果不合理使用是达不到效果的。

b.alarm和select/epoll要求我们在对套接字的每个读写操作前做好相应的铺垫工作，而SO_X套接字选项只需一次性设置好读写超时。

c.alarm和select/epoll不仅适用5组高级I/O函数的超时设置，对于connect和accept之类的函数也同样适用；SO_X套接字选项仅仅适用于对套接字的读写操作设置超时，并不适用connect和accept之流。