socket编程：多路复用I/O服务端客户端。

Posted 2020-07-12

其实在之前的TCP之中，我们编程实现了多进程，多线程机制下的TCP服务器，但是对于这种的TCP服务器而言，存在太大的资源局限性。所以我们可以是用I/0模型中的多路复用I/O模型来进行编程。

他的具体思想就是：当前进程可以处理多个相应时间，记录多个描述符，然后控制轮询时间态，当有响应产生的时候我们就去保存当前响应文件描述符，对他进行连接处理/数据传输就OK了。在一个进程进行多个响应时间的答复情况下，可以大大的节约我们系统所消耗的资源。

对这个进行操作的函数就是select()：

他的函数原型如下：

首先我们不看select函数本身，我们先去看一下select下面的几个FD函数：

FD = fd,其实很简单，就是我们的文件描述符操作函数。

关于fd_set*类型的变量：其实就是一个对某种类型时间行为的文件描述符集合，称为描述词组。

FD_CLR(inr fd,fd_set* set)；用来清除描述词组set中相关fd 的位

FD_ISSET(int fd,fd_set *set)；用来测试描述词组set中相关fd 的位是否为真

FD_SET（int fd,fd_set*set）；用来设置描述词组set中相关fd的位

FD_ZERO（fd_set *set）；用来清除描述词组set的全部位。

然后我们来看一下select函数：

参数nfds是需要监视的最大的文件描述符值+1；

rdset,wrset,exset分别对应于需要检测的可读文件描述符的集合，可写文件描述符的集合及异

常文件描述符的集合。

struct timeval结构用于描述一段时间长度，如果在这个时间内，需要监视的描述符没有事件

发生则函数返回，返回值为0。

参数timeout为结构timeval，用来设置select()的等待时间，其结构定义如下：

如果参数timeout设为：

NULL：则表示select（）没有timeout，select将一直被阻塞，直到某个文件描述符上发生了

事件。

0：仅检测描述符集合的状态，然后立即返回，并不等待外部事件的发生。

特定的时间值：如果在指定的时间段里没有事件发生，select将超时返回。

函数返回值：

执行成功则返回文件描述词状态已改变的个数

如果返回0代表在描述词状态改变前已超过timeout时间，没有返回；

当有错误发生时则返回-1，错误原因存于errno，此时参数readfds，writefds，exceptfds和

timeout的值变成不可预测。错误值可能为：

EBADF 文件描述词为无效的或该文件已关闭。

EINTR 此调用被信号所中断。

EINVAL 参数n 为负值。

ENOMEM 核心内存不足。

理解select模型的关键在于理解fd_set,为说明方便，取fd_set长度为1字节，fd_set中的每一bit

可以对应一个文件描述符fd。则1字节长的fd_set最大可以对应8个fd。

（1）执行fd_set set; FD_ZERO(&set);则set用位表示是0000,0000。

（2）若fd＝5,执行FD_SET(fd,&set);后set变为0001,0000(第5位置为1)

（3）若再加入fd＝2，fd=1,则set变为0001,0011

（4）执行select(6,&set,0,0,0)阻塞等待

（5）若fd=1,fd=2上都发生可读事件，则select返回，此时set变为0000,0011。注意：没有事件

发生的fd=5被清空。

　基于上面的讨论，可以轻松得出select模型的特点：

　　（1)可监控的文件描述符个数取决与sizeof(fd_set)的值。我这边服务 器上sizeof(fd_set)＝

512，每bit表示一个文件描述符，则我服务器上支持的最大文件描述符是512*8=4096。据说

可调，另有说虽然可调，但调整上限受于编译内核时的变量值。本人对调整fd_set的大小不

太感兴趣，参考http://www.cppblog.com /CppExplore/archive/2008/03/21/45061.html中的模

型2（1）可以有效突破select可监控的文件描述符上 限。

　　（2）将fd加入select监控集的同时，还要再使用一个数据结构array保存放到select监控集

中的fd，一是用于再select 返回后，array作为源数据和fd_set进行FD_ISSET判断。二是select

返回后会把以前加入的但并无事件发生的fd清空，则每次开始 select前都要重新从array取得fd

逐一加入（FD_ZERO最先），扫描array的同时取得fd最大值maxfd，用于select的第一个参数。

　　（3）可见select模型必须在select前循环array（加fd，取maxfd），select返回后循环array

（FD_ISSET判断是否有时间发生）。

对于利用select函数所编写的服务器端而言：

1. TCP服务端所产生的所有sock套接字描述符（文件描述符）,其实都可以归纳到可读文件描述符集合中。

2. 当我们检测到listen()的sock套接字就建立连接accept()，如果确认到是普通，也就是我们accept()所产生的文件描述符时，就确定这个是一条对于客户端/服务端的连接链路。然后我们就利用相关的函数操作进行信息传输，

3. timeout代表当次所进行的询问等待时间，需要注意的是就是每一次循环都必须重新设置timeout。

4. 每一次循环开始都要对描述词组进行初始化，要不然当timeout耗尽而没有产生响应的话，会改变描述词组的值，从而产生错误。

   
   

select缺点：

（1）每次调用select，都需要把fd集合从用户态拷贝到内核态，这个开销在fd很多时会很大

（2）同时每次调用select都需要在内核遍历传递进来的所有fd，这个开销在fd很多时也很大

（3）select支持的文件描述符数量太小了，默认是1024。

下面是I/O多路复用的代码：

服务器端：

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

#define _BACKLOG_ 5

int fds[64]; //文件描述符集合

//命令行参数出错
static void usage(const char *proc)
{
	printf("usage : %s [ip][port]\n",proc);
}

//服务器端TCP的链接绑定监听状态。
static int startup(char *ip,int port)
{
	assert(ip);
	
	int sock = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
	if(sock < 0)
	{
		perror("socket");
		exit(1);
	}

	int set = 1;
        if(setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &set, sizeof(set)) < 0)
        {   
            perror("setsockopt");
            exit(4);
        }
	
	struct sockaddr_in local;
	local.sin_family = AF_INET;
	local.sin_port = htons(port);
	local.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip);

	if(bind(sock,(struct sockaddr*)&local,sizeof(local)) < 0)
	{
		perror("bind");
		exit(2);
	}

	if(listen(sock,_BACKLOG_) < 0)
	{
		perror("listen");
		exit(3);
	}

	return sock;
}


int main(int argc,char *argv[])
{
	//判断命令参数行.
	if(argc != 3)
	{
		usage(argv[0]);
		exit(1);
	}

	int port = atoi(argv[2]);
	char *ip = argv[1];

	int listen_sock = startup(ip,port);
	int done = 0;
	int new_sock = -1;
	struct sockaddr_in client;
	socklen_t len = sizeof(client);
	
	int max_fd; //selet函数的第一个记录参数/
	
	//读写事件文件描述符
	fd_set reads;
	fd_set writes;

	int i = 0;
	int fds_num = sizeof(fds)/sizeof(fds[0]);
	
	//对文件描述符集合进行初始化
	for(;i < fds_num;++i)
	{
		fds[i] = -1;
	}

	//当前存在listen文件描述符。
	fds[0] = listen_sock;
	
	max_fd = fds[0];	//初次调用select函数设置max_fd的值；

	while(!done)
	{
		//初始化读写文件描述符
		FD_ZERO(&reads);
		FD_ZERO(&writes);
		//将listen_sock设置为reads，因为时在等待请求相应，相当与当前的读取操作。
		FD_SET(listen_sock,&reads);
		//设置多路复用中的轮寻时间表。
		struct timeval timeout = {5,0};
		
		//没次读取添加事件到reads中。;
		for(i = 1;i < fds_num; ++i)
		{
			if(fds[i] >0)
			{
				FD_SET(fds[i],&reads);
				if(fds[i] > max_fd)
				{
					max_fd = fds[i];
				}
			}
		}

		switch(select(max_fd+1, &reads,&writes,NULL,NULL))
		{
			case 0 ://timeout
				{
					printf("select timeout");
					break;
				}

			case -1:
				{	//error	
					perror("select");
					break;
				}

			default:
				{	//返回改变了的文件描述.
					i = 0;
					//遍历所有的文件描述符集合。
					for(;i<fds_num;++i)
					{
						//确认是否时监听时间,是的话就绪要accept；
						if(fds[i] == listen_sock && 								FD_ISSET(fds[i],&reads))
						{
							new_sock = accept(listen_sock,(struct sockaddr*)&client,&len);
							if(new_sock <0)
							{
								perror("accept");
								continue;
							}
							printf("get a new connet...%d\n",new_sock);
							for(i = 0;i< fds_num;++i)
							{
								if(fds[i] == -1)
								{
									fds[i] = new_sock;
									break;
								}
							}
							if(i == fds_num)
							{
								close(new_sock);
							}
						}
		
						else if(fds[i] > 0 &&								FD_ISSET(fds[i],&reads))	//正常事件，但是是非监听时间，也就代表时新建立的new_sock。
								{
									char buf[1024];
									ssize_t s = read(fds[i],buf,sizeof(buf) -1);
									if(s > 0)
									{
										buf[s] = ‘\0‘;
									//	printf("client : %s\n",buf);
										printf("client : %s",buf);
										write(fds[i],buf,sizeof(s)+1);
									
									}
									else if(s == 0)
									{
										printf("client quit...\n");
										close(fds[i]);
										fds[i] = -1;
									}
									else{}
								}
						else{}
					}
				}
		break;
		}
	}
	return 0;
}

客户端：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<error.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<arpa/inet.h>


#define _PORT_ 8111

void process_conn_client(int s)
{
	ssize_t size  = 0;
	char buffer[1024];
	while(1)
	{
		size = read(0,buffer,1024);
		if(size > 0)
		{
			write(s,buffer,size);
			size = read(s,buffer,1024);
			buffer[size] = ‘\0‘;
			printf("server:%s",buffer);
			//write(1,buffer,size);
		}
	}
}

int main()
{
	int s;

	struct sockaddr_in server_sock;

	s = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
	if(s < 0)
	{
		printf("sock error");
		return 1;
	}

	bzero(&server_sock,sizeof(server_sock));
	server_sock.sin_family = AF_INET;
	server_sock.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
	server_sock.sin_port = htons(_PORT_);

	connect(s,(struct sockaddr *)&server_sock,sizeof(server_sock));
	process_conn_client(s);
	close(s);

	return 0;
}

运行结果;

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