第 15 章 套接字和标准I/O
15.1 标准 I/O 的优点
标准 I/O 函数的两个优点：
除了使用 read 和 write 函数收发数据外，还能使用标准 I/O 函数收发数据。下面是标准 I/O 函数的两个优点：
- 标准 I/O 函数具有良好的移植性
- 标准 I/O 函数可以利用缓冲提高性能
创建套接字时，操作系统会准备 I/O 缓冲。此缓冲在执行 TCP 协议时发挥着非常重要的作用。此时若使用标准 I/O 函数，将得到额外的缓冲支持。如下图：
假设使用 fputs 函数进行传输字符串 「Hello」时，首先将数据传递到标准 I/O 缓冲，然后将数据移动到套接字输出缓冲，最后将字符串发送到对方主机。
设置缓冲的主要目的是为了提高性能。从以下两点可以说明性能的提高：
- 传输的数据量。
- 数据向输出缓冲移动的次数。
比较 1 个字节的数据发送 10 次的情况和 10 个字节发送 1 次的情况。发送数据时，数据包中含有头信息。头信与数据大小无关，是按照一定的格式填入的。假设头信息占 40 个字节，需要传输的数据量也存在较大区别：
1 个字节 10 次：40*10=400 字节。
10个字节 1 次：40*1=40 字节。
另外，为了发送数据，向套接字输出缓冲移动数据也会消耗不少时间。但这同样与移动次数有关。1个字节数据共移动10次花费的时间将近10个字节数据移动1次花费时间的10倍。
标准 I/O 函数和系统函数之间的性能对比：
基于read&write函数的文件复制程序：
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#define BUF_SIZE 3
int main(int argc, char *argv[])
{
int fd1, fd2;
int len;
char buf[BUF_SIZE];
fd1 = open("news.txt", O_RDONLY);
fd2 = open("cpy.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC);
while ((len = read(fd1, buf, sizeof(buf))) > 0)
write(fd2, buf, len);
close(fd1);
close(fd2);
return 0;
}采用标注I/O函数复制文件：
#include <stdio.h>
#define BUF_SZIE 3
int main(int argc, char *argv[])
{
FILE *fp1;
FILE *fp2;
char buf[BUF_SZIE];
fp1 = open("news.txt", "r");
fp2 = open("cpy.txt", "w");
while (fgets(buf, BUF_SZIE, fp1) != NULL)
fputs(buf, fp2);
fclose(fp1);
fclose(fp2);
return 0;
}对以上两种示例测试，基于标注I/O函数的示例运行得更快。
标准 I/O 函数的几个缺点：
标准 I/O 函数存在以下几个缺点：
- 不容易进行双向通信。
- 有时可能频繁调用 fflush 函数。
- 需要以 FILE 结构体指针的形式返回文件描述符。
15.2 使用标准 I/O 函数
利用 fdopen 函数转换为 FILE 结构体指针：
函数原型如下：
#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 ： 需要转换的文件描述符
mode ： 将要创建的 FILE 结构体指针的模式信息
*/示例：
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
int main()
{
FILE *fp;
int fd = open("data.dat", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC); //创建文件并返回文件描述符
if (fd == -1)
{
fputs("file open error", stdout);
return -1;
}
fp = fdopen(fd, "w"); //返回 写 模式的 FILE 指针
fputs("NetWork C programming \n", fp);
fclose(fp);
return 0;
}运行结果：
文件描述符转换为 FILE 指针，并可以通过该指针调用标准 I/O 函数。
利用 fileno 函数转换为文件描述符：
该函数与fdopen函数提供相反功能，函数原型如下：
#include <stdio.h>
int fileno(FILE *stream);
/*
成功时返回文件描述符，失败时返回 -1
*/#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
int main()
{
FILE *fp;
int fd = open("data.dat", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC);
if (fd == -1)
{
fputs("file open error");
return -1;
}
printf("First file descriptor : %d \n", fd);
fp = fdopen(fd, "w"); //转成 file 指针
fputs("TCP/IP SOCKET PROGRAMMING \n", fp);
printf("Second file descriptor: %d \n", fileno(fp)); //转回文件描述符
fclose(fp);
return 0;
}运行结果：
输出的文件描述符值相同，证明fileno函数正确转换了文件描述符。
15.3 基于套接字的标准 I/O 函数使用
把第四章的回声客户端和回声服务端的内容改为基于标准 I/O 函数的数据交换形式：
客户端：
#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);
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");
writefp = fdopen(sock, "w");
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);
fflush(writefp);
fgets(message, BUF_SIZE, readfp);
printf("Message from server: %s", message);
}
fclose(writefp);
fclose(readfp);
return 0;
}
void error_handling(char *message)
{
fputs(message, stderr);
fputc('\n', stderr);
exit(1);
}服务端：
#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);
int main(int argc, char *argv[])
{
int serv_sock, clnt_sock;
char message[BUF_SIZE];
int str_len, i;
struct sockaddr_in serv_adr, 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);
//调用 5 次 accept 函数，共为 5 个客户端提供服务
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("Connect client %d \n", i + 1);
readfp = fdopen(clnt_sock, "r");
writefp = fdopen(clnt_sock, "w");
while (!feof(readfp))
{
fgets(message, BUF_SIZE, readfp);
fputs(message, writefp);
fflush(writefp);
}
fclose(readfp);
fclose(writefp);
}
close(serv_sock);
return 0;
}
void error_handling(char *message)
{
fputs(message, stderr);
fputc('\n', stderr);
exit(1);
}运行实例：
可以看出，运行结果和第四章相同，这是利用标准 I/O 实现的。
习题：
1、请说明标准 I/O 的 2 个优点。他为何拥有这 2 个优点？
①具有很高的移植性②有良好的缓冲提高性能。
