《TCP/IP网络编程》（第十二章）I/O复用（1）

news2024/11/25 23:38:42

本章将讨论实现并发服务器的第二种办法，基于I/O复用的服务器端构建。

I/O复用它允许单个进程或线程同时处理多个输入/输出（I/O）操作，而无需为每个I/O操作创建一个独立的线程或进程。这种技术可以显著提高应用程序的效率和性能，特别是在需要处理大量并发连接的场景下。

1.多进程服务器端的缺点

基于进程的并发服务器在创建进程时，需要付出极大的代价，因为需要大量的运算和内存空间，而且由于每个进程具有独立的内存空间，相互间交换数据的方法也很复杂。
如果使用I/O复用技术，则可以在不创建进程的情况下同时向多个客户端进行服务。

2.基于I/O复用的服务器端

在这里插入图片描述
上图左边时多进程服务器端模型，右边是I/O复用服务器端模型，可以看出后者无论连接多少个客户端，提供服务的进程只有1个

3.理解`select()`函数

select() 函数是一种用于I/O复用的系统调用，它允许程序同时监视多个文件描述符（包括套接字），以确定哪些文件描述符已经准备好进行读取或写入操作。select() 函数在Linux系统和Windows系统中都支持，下面是以Linux系统为例，Windows系统示例放在最后。

①select()函数基本语法

//发生错误时返回-1； 
//发生关注的事件返回时，返回该事件的文件描述符（大于0）
int select(
int maxds, //设置位监视的文件描述符中最大的描述符加1。例如，如果你监视的文件描述符范围是0到5，则maxfds应该设置为6。
fd_set *readfds, //将所有关注“是否有可读数据”的文件描述符注册到fd_set，并传递其地址值
fd_set *writefds,//将所有关注“是否有可写数据”的文件描述符注册到fd_set，并传递其地址值
fd_set *exceptfds, //将所有关注“是否发生异常”的文件描述符注册到fd_set，并传递其地址值
struct timeval *timeout//设置select() 调用的超时时间，为了防止调用select()函数后，陷入无限阻塞
);

//struct timeval的结构体定义
struct timeval{
long tv_sec;    //秒数
long tv_usec;   //毫秒数
}

②select()函数的调用过程

select()函数的调用流程如下图所示，本文将逐步介绍

在这里插入图片描述

设置文件描述符： select()可以监视多个文件描述符，将需要监视的文件描述符集中为一个集合fd_set，集中时也要按照读、写、异常进行分为三类，fd_set结构如下图所示:

设置位为1则代表时监视对象，所以上图中fd1和fd3的是监视对象。在fd_set变量中用下列宏进行操作：

FD_ZERO(fd_set* fdset);          //将所有fd_set变量的所有位设置位0
FD_SET(int fd, fd_set* fdset);   //将fd_set中指定变量的位设置为1
FD_CLR(int fd, fd_set* fdset);   //将fd_set中指定变量的位设置为0
FD_ISSET(int fd, fd_set* fdset); //如果文件描述符在集合中，返回非零值；如果不在集合中，返回0。

在这里插入图片描述

指定监视范围： 即select() 函数中的第一个参数maxds, 要监视的文件描述符中最大的描述符加1。例如，如果你监视的文件描述符范围是0到5，则maxfds应该设置为6，因为文件描述分值是从0开始
设置超时： 如果监视的文件描述符一直没有变化，则会陷入阻塞状态，所以需要设置超时时间，告知服务器超时消息。将秒数填入tv_sec，将毫秒数填入tv_usec
调用select()函数： 调用 select() 函数，函数会阻塞，直到有文件描述符发生变化或者超时。
查看调用结果： 返回-1则发生错误；返回一个整数值，则代表有多少个文件描述符准备好了I/O操作，可以进行读取操作了，下图是变化

调用函数前，告诉select()函数，需要监视fd1、fd2、fd3，当调用函数后，首先是将监视的文件描述符的位初始化为0，然后监视到fd1和fd3发生变化，所以fd1和fd3的位又变成了1。

③select()函数示例

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/select.h>

int main(){
    fd_set reads,temps;// 定义文件描述符集合，reads用于存储关注是否可读的文件描述符，temps用于存储select函数返回时准备好的文件描述符
    int result,str_len;// result用于存储select函数的返回值，str_len用于存储读取的字节数
    char buff[1024];
    struct timeval timeout;// 定义一个timeval结构，用于设置select函数的超时时间

    FD_ZERO(&reads);// 清空reads集合
    FD_SET(0,&reads);// 将文件描述符为0的设置为监视状态，文件描述符0通常代表标准输入（stdin），它是一个特殊的文件描述符，用于从键盘接收输入。

    while (1)
    {
        temps=reads;/// 复制reads集合到temps集合
        timeout.tv_sec=5;
        timeout.tv_usec=0;
        result=select(1,&temps,0,0,&timeout);//1表示有1个文件被监视，temps表示被监视“是否可读”的文件描述符集合，0表示“不关注可写”文件描述符，0表示“不关注异常”文件描述符，timeout表示超时时间

        if(result==-1){// 如果select函数返回-1，表示出错
            puts("select error");
            break;
        }
        else if(result==0){// 如果select函数返回0，表示超时
            puts("time-out");
        }
        else{// 如果select函数返回大于0，表示有文件描述符准备好了
            if(FD_ISSET(0,&temps)){// 检查文件描述符0是否在temps集合中
                str_len=read(0,buff,1024);// 从文件描述符0读取数据到buff缓冲区，最多1024字节
                buff[str_len]=0;
                printf("message from console: %s",buff);
            }
        }
    }
    
    
    return 0;
    
}