《TCP/IP网络编程》阅读笔记--标准I/O和I/O流分离

news2024/11/25 22:52:34

目录

1--标准I/O

1-1--标准I/O的优缺点

1-2--FILE 指针和文件描述符的转换

1-3--基于Socket的标准I/O函数使用

2--I/O流分离

2-1--文件描述符的复制和半关闭

2-2--复制文件描述符实现 I/O 流的分离

1--标准I/O

1-1--标准I/O的优缺点

标准 I/O 函数的优点：

        ① 具有良好的移植性：为了支持所有操作系统（编译器），标准 I/O 函数均按照 ANSI C 标准定义的；

        ② 利用 I/O 缓冲提高性能：通过缓冲区缓存数据，再进行一次完整的数据收发，减少数据移动的次数；

标准 I/O 函数的缺点：

        ① 不容易进行双向通信；

        ② 需要频繁调用 fflush 函数来刷新缓冲区；

        ③ 需要以 FILE 结构体指针的形式返回文件描述符：标准 I/O 函数操作的对象是 FILE 结构体指针，因此需要将文件描述符转换为 FILE 指针；

1-2--FILE 指针和文件描述符的转换

        利用 fdopen() 函数将文件描述符转换为 FILE*；

#include <stdio.h>
FILE* fdopen(int fildes, const char* mode);
// 成功时返回转换的 FILE 结构体指针，失败时返回 NULL
// fildes 表示需要转换的文件描述符
// mode 表示将要创建的 FILE* 的模式信息，常用的模式有读模式 "r" 和写模式 "w"
// gcc desto.c -o desto
// ./desto 

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>

int main(void){
    FILE* fp;
    int fd = open("data.dat", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC); // 打开data.dat文件，返回其文件描述符
    if(fd == -1){
        fputs("file open error", stdout);
        return -1;
    }
    fp = fdopen(fd, "w"); // 文件描述符转换为 FILE*
    fputs("Network C programming \n", fp); // 通过标准 I/O 函数向 FILE* 指向的文件写数据
    fclose(fp); // 通过标准 I/O 函数关闭文件
    return 0;
}

        利用 fileno() 函数将 FILE* 转换为文件描述符；

#include <stdio.h>
int fileno(FILE* stream);
// 成功时返回转换后的文件描述符，失败时返回 -1
// gcc todes.c -o todes
// ./todes

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>

int main(void){
    FILE* fp;
    int fd = open("data.dat", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC); // 返回文件描述符
    if(fd == -1){
        fputs("file open error", stdout);
        return -1;
    }

    printf("First file descriptor: %d \n", fd);
    fp = fdopen(fd, "w"); // 文件描述符转换为 FILE*
    fputs("TCP/IP SOCKET PROGRAMMING \n", fp);
    printf("Second file descriptor: %d \n", fileno(fp)); // FILE* 转换为文件描述符
    fclose(fp);
    return 0;
}

1-3--基于Socket的标准I/O函数使用

        Socket 也有对应的文件描述符，因此可以使用 fdopen() 函数将文件描述符转换为 FILE*，进而使用标准 I/O 函数；

回声服务端：

// gcc echo_stdserv.c -o echo_stdserv
// ./echo_stdserv 9190

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

#define BUF_SIZE 1024
void error_handling(char *message){
    fputs(message, stderr);
    fputc('\n', stderr);
    exit(1);
}

int main(int argc, char *argv[]){
    int serv_sock, clnt_sock;
    char message[BUF_SIZE];
    int str_len, i;

    struct sockaddr_in serv_adr;
    struct sockaddr_in clnt_adr;
    socklen_t clnt_adr_sz;
    FILE* readfp;
    FILE* writefp;
    if(argc != 2){
        printf("Usage : %s <port>\n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(serv_sock == -1){
        error_handling("socket() error");
    }

    memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
    serv_adr.sin_family = AF_INET;
    serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));

    if(bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1){
        error_handling("bind() error");
    }
    if(listen(serv_sock, 5) == -1){
        error_handling("listen() error");
    }
    clnt_adr_sz = sizeof(clnt_adr);

    for(i = 0; i < 5; i++){
        clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr*)&clnt_adr, &clnt_adr_sz);
        if(clnt_sock == -1){
            error_handling("accept() error");
        }
        else{
            printf("Connected client %d \n", i+1);
        }

        readfp = fdopen(clnt_sock, "r"); // 读模式，socket文件描述符转换为 FILE*
        writefp = fdopen(clnt_sock, "w"); // 写模式，socket文件描述符转换为 FILE*
        while(!feof(readfp)){
            fgets(message, BUF_SIZE, readfp); // 调用标准I/O进行读写
            fputs(message, writefp);
            fflush(writefp); // 刷新缓冲区
        }
        close(serv_sock);
        return 0;
    }
}

回声客户端：

// gcc echo_client.c -o echo_client
// ./echo_client 127.0.0.1 9190

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

#define BUF_SIZE 1024
void error_handling(char *message){
    fputs(message, stderr);
    fputc('\n', stderr);
    exit(1);
}

int main(int argc, char *argv[]){
    int sock;
    char message[BUF_SIZE];
    int str_len;
    struct sockaddr_in serv_adr;
    FILE* readfp;
    FILE* writefp;
    if(argc != 3){
        printf("Usage : %s <IP> <port>\n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(sock == -1){
        error_handling("socket() error");
    }

    memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
    serv_adr.sin_family = AF_INET;
    serv_adr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));

    if(connect(sock, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1){
        error_handling("connect() error!");
    }
    else{
        puts("Connected.......");
    }

    readfp = fdopen(sock, "r"); // 读模式，socket文件描述符转换为 FILE*
    writefp = fdopen(sock, "w"); // 写模式，socket文件描述符转换为 FILE*
    while(1){
        fputs("Input message(Q to quit): ", stdout);
        fgets(message, BUF_SIZE, stdin);
        if(!strcmp(message, "q\n") || !strcmp(message, "Q\n")){
            break;
        }

        fputs(message, writefp); // 调用标准I/O进行读写
        fflush(writefp);
        fgets(message, BUF_SIZE, readfp);
        printf("Message from server: %s", message);
    }
    fclose(writefp);
    fclose(readfp);
    return 0;
}

运行结果：

2--I/O流分离

分离 I/O 流的目的：

        ① 为了将 FILE 指针按读模式和写模式加以区分；

        ② 可以通过区分读写模式降低实现难度；

        ③ 通过区分 I/O 缓冲提高缓冲性能；

2-1--文件描述符的复制和半关闭

        当多个 FILE 指针都是基于同一个文件描述符创建时，针对任意一个 FILE 指针调用 fclose() 函数都会关闭文件描述符，同时终结对应的 socket；

        以下代码实例展示了当服务器端 fclose() 掉 FILE 指针同时终结 socket 时，客户端的消息无法顺利发送到服务器端；

// gcc seq_serv.c -o seq_serv
// ./seq_serv 9190

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

#define BUF_SIZE 1024

int main(int argc, char *argv[]){
    int serv_sock, clnt_sock;
    FILE* readfp;
    FILE* writefp;

    struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;
    socklen_t clnt_adr_sz;
    char buf[BUF_SIZE] = {0,};

    serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
    serv_adr.sin_family = AF_INET;
    serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));

    bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr));
    listen(serv_sock, 5);
    clnt_adr_sz = sizeof(clnt_adr);
    clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr*)&clnt_adr, &clnt_adr_sz);

    readfp = fdopen(clnt_sock, "r"); // 基于同一个socket文件描述符的 FILE*
    writefp = fdopen(clnt_sock, "w");

    fputs("FROM SERVER: Hi~ client? \n", writefp);
    fputs("I Love all of the world \n", writefp);
    fputs("You are awesome! \n", writefp);
    fflush(writefp);

    fclose(writefp); // 关闭 writefp，会终止 socket，同时向客户端发送 EOF
    fgets(buf, sizeof(buf), readfp);
    fputs(buf, stdout);
    fclose(readfp);
    return 0;
}
// gcc seq_clnt.c -o seq_clnt
// ./seq_clnt 127.0.0.1 9190

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

#define BUF_SIZE 1024

int main(int argc, char *argv[]){
    int sock;
    char buf[BUF_SIZE];
    struct sockaddr_in serv_adr;

    FILE* readfp;
    FILE* writefp;

    sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
    serv_adr.sin_family = AF_INET;
    serv_adr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));

    connect(sock, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr));
    readfp = fdopen(sock, "r"); // 基于同一个socket文件描述符的 FILE*
    writefp = fdopen(sock, "w");

    while(1){
        if(fgets(buf, sizeof(buf), readfp) == NULL){ // 客户端收到 EOF 终止循环
            break;
        }
        fputs(buf, stdout);
        fflush(stdout);
    }

    // 由于服务器端关闭了 socket，因此该消息无法发送到服务器端
    fputs("FROM CLIENT: Thank you! \n", writefp); 
    fflush(writefp);
    fclose(writefp);
    fclose(readfp);
    return 0;
}

        销毁所有文件描述符后才能销毁 socket，因此通过复制文件描述符，利用各自的文件描述符生成读写模式的 FILE*，可以避免上述情况；

        复制文件描述符的两个常用函数：dup() 和 dup2()；这里的复制可以理解为：为了访问同一文件或 socket，创建另一个文件描述符；

#include <unistd.h>
int dup(int fildes);
int dup2(int fildes, int fildes2);
// 成功时返回复制的文件描述符，失败时返回 -1
// fildes 表示需要复制的文件描述符
// fildes2 表示复制后，新生成的文件描述符数值
// gcc dup.c -o dup
// ./dup

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc, char* argv[]){
    int cfd1, cfd2;
    char str1[] = "Hi~ \n";
    char str2[] = "It's nice day~ \n";

    cfd1 = dup(1); // 复制标准输出
    cfd2 = dup2(cfd1, 7); // 复制标准输出，指定生成的文件描述符 cfd2 为 7

    printf("fd1=%d, fd2=%d \n", cfd1, cfd2);
    write(cfd1, str1, sizeof(str1)); // 写到标准输出
    write(cfd2, str2, sizeof(str2));

    close(cfd1); // 关闭复制的文件描述符
    close(cfd2);
    write(1, str1, sizeof(str1)); // 还能输出，因为文件描述符1还没关闭
    close(1);
    write(1, str2, sizeof(str2)); // 不能输出
    return 0;
}

2-2--复制文件描述符实现 I/O 流的分离

为了解决以下问题并实现 I/O 流的分离：

        当多个 FILE 指针都是基于同一个文件描述符创建时，针对任意一个 FILE 指针调用 fclose() 函数都会关闭文件描述符，同时终结对应的 socket；

        通过复制文件描述符，再分离 I/O 流，实现服务器端的半关闭；

        调用 shutdown() 函数时，无论复制出了多少个文件描述符，服务器端都会进入半关闭状态；

// gcc seq_serv2.c -o seq_serv2
// ./seq_serv2 9190

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

#define BUF_SIZE 1024

int main(int argc, char *argv[]){
    int serv_sock, clnt_sock;
    FILE* readfp;
    FILE* writefp;

    struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;
    socklen_t clnt_adr_sz;
    char buf[BUF_SIZE] = {0,};

    serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
    serv_adr.sin_family = AF_INET;
    serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));

    bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr));
    listen(serv_sock, 5);
    clnt_adr_sz = sizeof(clnt_adr);
    clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr*)&clnt_adr, &clnt_adr_sz);

    readfp = fdopen(clnt_sock, "r"); 
    writefp = fdopen(dup(clnt_sock), "w"); // 复制文件描述符后，再创建写模式的 FILE*，实现 I/O 流分离

    fputs("FROM SERVER: Hi~ client? \n", writefp);
    fputs("I Love all of the world \n", writefp);
    fputs("You are awesome! \n", writefp);
    fflush(writefp);

    shutdown(fileno(writefp), SHUT_WR); // 设置半关闭，向客户端发送 EOF
    fclose(writefp); // 关闭 writefp，会终止 socket，同时向客户端发送 EOF
    // 此时不会导致 socket 的关闭，因为还有一个文件描述符
    fgets(buf, sizeof(buf), readfp);
    fputs(buf, stdout);
    fclose(readfp);
    return 0;
}

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