Linux网络编程5

IO多路复用

1.IO模型

在unix/linu下主要有四种I/O模式：阻塞I/O: 最常用

大部分程序使用的都是阻塞模式的I/O

阻塞I/O

缺省情况下，套接字建立后所处于的模式就是阻塞I/O模式

读操作：read,recv,recvfrom

写操作：write,send

其他操作：accept,connect

以read函数为例

进程调用read函数从套接字上读取数据，当套接字的接收缓冲区中还没有数据可读，函数

read将发送阻塞

它会一直阻塞下去，等待套接字的接收缓冲区中有数据可读

经过一段时间后，缓冲区内接收到数据，于是内核便去唤醒该进程，通过read访问这些数据如果在进程阻塞过程中，对方发生故障，那这个进程将永远阻塞下去。

UDP不用等待，没有实际的发送缓冲区，所以UDP协议中不存在发送缓冲区满的情况，在

UDP套接字上执行的写操作永远都不会阻塞。

写阻塞

在写操作时发送阻塞的情况要比读操作少。主要发生在要写入的缓冲区的大小小于要写入的数据量的情况下。

这时，写操作不进行任何拷贝工作，将发送阻塞。

一但发送缓冲区内有足够多的空间，内核将唤醒进程，将数据从用户缓冲区中拷贝到相应的发送数据缓冲区。

UDP不用等待确认，没有实际的发送缓冲区，所以UDP协议中不存在发送缓冲区满的情况，在UDP套接字上执行的写操作永远都不会阻塞，sendto。

非阻塞I/O：可防止进程阻塞在I/O操作上，需要轮询

当我们将一个套接字设置为非阻塞模式，我们相当于告诉了系统内核"当我请求的I/O操作不能够马上完成，你想让我的进程进行休眠等待的时候，不要这么做，请马上返回一个错误给我。"

当一个应用程序使用了非阻塞模式的套接字，它需要使用一个循环来不停的测试是否一个文件描述符有数据可读（polling）。

应用程序不停的polling内核来检查是否I/O操作已经就绪，这将是一个极浪费CPU资源的操作。这种模式使用中不普遍。

1.fcntl()函数

当你一开始建立一个套接字描述符的时候，系统内核将其设置为阻塞IO模式。可以使用函数fcntl()

设置一个套接字的标志位为O_NOBLOCK来实现非阻塞。

int fcntl(int fd, int cmd, long arg)

int flag; flag = fcntl(sockfd,F_GETFL,0)

flag |= O_NOBLOCK;

fcntl(sockfd,F_SETFL,flag);

2.ioctl()函数

int b_on = 1;

ioctl(sock_fd, FIONBIO,&b_on);

I/O多路复用：允许同时对多个I/O进行控制

基本常识：linux中每个进程最多可以打开1024个文件，最多有1024个文件描述符，文件描述符的特点：

1.非负整数

2.从最小可用的数字来分配

3.每个进程启动时默认打开0、1、2三个文件描述符

多路复用针对不止套接字fd,也针对普通的文件描述符fd。

应用程序中同时处理多路输入输出流，若采用阻塞模式，将得不到预期的目的；

若采用非阻塞模式，对多个输入进行轮询，但又太浪费CPU时间；

若设置多个进程，分别处理一条数据通路，将新产生进程间的同步与通信问题，使程序变得更加复杂；

比较好的方法是使用IO多路复用，其基本思想是：先构造一张又关描述符的表，然后调用一个函数，当这些文件描述符中的一个或多个已准备好进行

IO时函数才返回。函数返回时告诉进程那个描述符已就绪，可以进行IO操作

步骤：

1.fd_set

void FD_zero(fd_set* fdset) //对集合清零

void FD_set(int fd, fd_set * fdset) //把fd加入集合

void FD_CLR(int fd,fd_set *fdset) //从集合中清除fd void FD_ISSET(int fd,fd_set *fdset) //判断fd是否在fd_set中

2.select()

int select(int maxfdp, //maxfd+1 fd_set *readfds, //读集合

fd_set *writefds, //写集合

fd_set *errorfds, //异常集合

struct timeval *timeout //超时

);

一般：填写集合，写集合填空，异常集合(带位数据)，

超时：

struct timeval{

long tv_sec; //秒

long tv_usec; //微妙

};

select退出后：集合表示有数据的集合

if(FD_ISSET(fd,set)) {

//1.如果监听套接字有数据，新的客户端进行连接，则accept

//2.若建立连接的套接字有数据，则去读read

}

int main(void)

{

struct timeval tout;

fd_set rset;

int maxfd = ‐1;

fd = socket(...);

bind(fd,...);

listen(fd,...);

while(1)

{

maxfd = fd;

FD_ZERO(&rset);

FD_SET(&rset); //依次把已经建立好连接fd加入到集合中，记录最大的文件描述符 tout.tv_sec = 5;

tout.tv_user = 0;

select(maxfd+1,&rset,NULL,NULL,&tout); //阻塞

if(FD_ISSET(fd,&rset)) //有1个或者多个文件描述符有数据

{

newfd = accept(fd,...);

//依次判断已建立连接的客户端是否有数据

//xxx

}

select()里面的各个文件描述符fd_set集合的参数在select（）前后发生了变化

前：表示关心的文件描述符集合

后：有数据的集合（如不是在超时还回情况下）

kernel对集合进行了改变信号驱动I/O：一种异步通信模型

SIGIO

案例：

服务器端：

客户端：

6.TCPIP协议原理

1.三次、四次挥手一定要标注客户端和服务器

三次握手的连接必须是由客户端发起（四次握手客户端和服务器都可以发起）

SYN,ACK,FIN等标志符号应该写上。

TCP/IP协议中的三次握手和四次挥手是TCP（传输控制协议）建立连接和断开连接的关键过程。下面分别讲解这两个过程：

三次握手（Three-way Handshake）

三次握手是TCP建立连接的过程，它确保了通信双方都能准备好接收数据。具体过程如下：

第一次握手：
- 发起方（通常是客户端） 向接收方（通常是服务器）发送一个SYN（同步序列编号）报文段，其中将SYN标志位设置为1，表示这是一个连接请求，并选择一个初始序列号seq=x。此时，客户端进入SYN_SEND状态，等待服务器的确认。
- SYN报文段：SYN=1，ACK=0，seq=x（x为客户端随机生成的初始序列号）。
第二次握手：
- 接收方（服务器） 收到SYN报文段后，进行确认，设置自己的SYN标志位为1，ACK标志位为1，表示确认收到客户端的SYN报文段，并将确认号ack设置为x+1（即客户端的初始序列号加1）。同时，服务器也选择一个自己的初始序列号seq=y，并将这些信息（SYN+ACK报文段）发送给客户端。此时，服务器进入SYN_RECV状态。
- SYN+ACK报文段：SYN=1，ACK=1，seq=y，ack=x+1。
第三次握手：
- 发起方（客户端） 收到服务器的SYN+ACK报文段后，向服务器发送一个ACK报文段，将ACK标志位设置为1，确认号ack设置为y+1（即服务器的初始序列号加1），表示确认收到服务器的SYN报文段。这个报文段发送完毕后，客户端和服务器都进入ESTABLISHED（已建立连接）状态，此时连接建立成功。
- ACK报文段：ACK=1，seq=x+1，ack=y+1。

四次挥手（Four-way Handshake）

四次挥手是TCP断开连接的过程，它确保了通信双方都能正常地释放资源。具体过程如下：

第一次挥手：
- 主动关闭方（可以是客户端或服务器） 发送一个FIN报文段，将FIN标志位设置为1，表示没有数据要发送了，请求关闭连接。此时，主动关闭方进入FIN_WAIT_1状态。
- FIN报文段：FIN=1，seq=u（u为发送FIN报文段一方的序列号）。
第二次挥手：
- 被动关闭方 收到FIN报文段后，发送一个ACK报文段，将ACK标志位设置为1，确认号ack设置为u+1，表示确认收到主动关闭方的FIN报文段。此时，被动关闭方进入CLOSE_WAIT状态，而主动关闭方则进入FIN_WAIT_2状态。
- ACK报文段：ACK=1，seq=v（v为被动关闭方的序列号），ack=u+1。
第三次挥手：
- 被动关闭方 在数据传送完毕后，也发送一个FIN报文段，请求关闭连接，并设置FIN标志位为1。此时，被动关闭方进入LAST_ACK状态。
- FIN报文段：FIN=1，ACK=1，seq=w（w为被动关闭方发送FIN报文段时的序列号），ack=u+1。
第四次挥手：
- 主动关闭方 收到被动关闭方的FIN报文段后，发送一个ACK报文段，将ACK标志位设置为1，确认号ack设置为w+1，表示确认收到被动关闭方的FIN报文段。此时，主动关闭方进入TIME_WAIT状态，等待一段时间后（通常是2倍的MSL，即最长报文段寿命），确保被动关闭方收到自己的ACK报文段后，最终进入CLOSED状态。而被动关闭方在收到ACK报文段后，也进入CLOSED状态。
- ACK报文段：ACK=1，seq=u+1，ack=w+1。