网络编程（IO模型）

news2024/11/16 13:25:50

一、阻塞IO

1.最常用，最简单，效率最低的。

2.创建套接字文件描述符后，默认处于阻塞IO模式;

3.read, write, recv, send, recvfrom ,sendto，accept

二. 非阻塞IO

1.防止进程阻塞在IO函数上，但是如果想要获取到有效数据，需要轮询。

2.当一个程序使用了非阻塞IO模式的套接字，那么它需要使用一个循环来不停的判断该文件描述符是否有数据可读，称之为polling；

3.应用程序不停的polling内核监测IO事件是否产生，cpu消耗率高;

4.IO中导致函数阻塞的原因是因为文件描述符有阻塞属性。

fcntl函数

功能：设置/获取文件描述符属性

原型：

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );

参数：

int fd：指定要设置/获取的文件描述符;
int cmd：
        F_GETFL (void)：获取文件描述符属性，第三个参数不用填;
        F_SETFL (int)：设置文件描述符属性，第三个参数是int类型;
        O_NONBLOCK：非阻塞;

1. 获取文件描述符原有属性 flags    
2. 修改flags，修改为非阻塞形式; flags |= O_NONBLOCK
3. 将修改后的flags设置回文件描述符;

三、信号驱动IO

1.异步通信方式;

2.信号驱动IO是指预先告诉内核，使得某个文件描述符发生IO事件的时候，内核会通知相关进程：SIGIO；

3.对于TCP而言，信号驱动IO对TCP没有用。因为信号产生过于频繁，而且不能区分是哪个文件描述符发生的。

四、IO多路复用（重点！！！）

1.进程中如果同时需要处理多路输入输出流，在使用单进程单线程的情况下，同时处理多个输入输出请求。

2.在无法用多进程多线程，可以选择用IO多路复用；

3.由于不需要创建新的进程和线程，减少系统的资源开销，减少上下文切换的次数。

   上下文：运行一个进程所需要的所有资源

   上下文切换：从A进程切换到B进程，A进程的资源要完全替换成B进程的，是一个耗时操作。

4.允许同时对多个IO进行操作，内核一旦发现进程执行一个或多个IO事件，会通知该进程。

1）select

功能：

阻塞函数，让内核检测指定文件描述符集合中，是否有文件描述符准备就绪
当文件描述符准备就绪后，该函数解除阻塞。
当事件产生后，集合中会只剩下触发事件的文件描述符。

原型：

  /* According to POSIX.1-2001, POSIX.1-2008 */
       #include <sys/select.h>

       #include <sys/time.h>
       #include <sys/types.h>
       #include <unistd.h>

       int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,
                  fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

参数：

int nfds：所有集合中，最大的文件描述符，加1
fd_set *readfds, fd_set *writefds,
fd_set *exceptfds：读集合，写集合，其他集合。哪个集合没有使用到，则填NULL;
struct timeval *timeout：设置超时时间；
       1）如果填NULL，则该函数会一直阻塞，直到集合中有文件描述符准备就绪
       2）设置超时时间：
                    struct timeval {
                                     long    tv_sec;         /* seconds */
                                     long    tv_usec;        /* microseconds */
                                   };

返回值：

>0, 成功，返回集合中触发事件的文件描述符个数;  
=0，超时
=-1，函数运行失败;
    
操作集合的函数
       void FD_CLR(int fd, fd_set *set);     将fd从集合中剔除
       int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set);    判断fd是否在集合中，在返回真，不在返回假
       void FD_SET(int fd, fd_set *set);     将fd加入到集合中
       void FD_ZERO(fd_set *set);             清空集合

select的TCP服务器模型

sfd = socket();
bind();
listen();
while(1){
    tempfds = readfds;
    select(maxfd+1, &tempfds, NULL, NULL, NULL);
    for(int i=0; i<=maxfd; i++){
        if(FD_ISSET(i, &tempfds) == 0)  continue;
        if(0 == i){         //键盘输入事件
            fgets();    
        }
        else if(sfd == i){ //客户端连接事件
            newfd = accept();
            FD_SET(newfd, &readfds);
            maxfd = maxfd>newfd?maxfd:newfd;        
        }    
        else{             //客户端交互事件
            res=recv(i, buf, sizeof(buf), 0);
            if(0 == res){
                close(i);
                FD_CLR(i, &readfds);
                while(FD_ISSET(maxfd, &readfds)==0 && maxfd-->=0);   
                continue;         
            }  
            send(i, buf, sizeof(buf), 0)                  
        }
    }
}
close(sfd);

select的TCP服务器示例代码 

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <string.h>
#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
#include <unistd.h>
#include <head.h>

#define PORT 8888             //1024~49151
#define IP "192.168.122.137" //ifconfig查看本机IP

int main(int argc, const char *argv[])
{
    //创建流式套接字
    int sfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(sfd < 0)
    {
        ERR_MSG("socket");
        return -1;
    }
    printf("sfd = %d\n", sfd);

    //设置允许端口被快速复用
    int reuse = 1;
    if(setsockopt(sfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &reuse, sizeof(reuse)) < 0)
    {
        ERR_MSG("setsockopt");
        return -1;
    }
    printf("允许端口快速重用成功\n");


    //填充地址信息结构体，真实的地址信息结构体根据地址族指定
    //AF_INET: man 7 ip
    struct sockaddr_in sin;
    sin.sin_family      = AF_INET;      //必须填AF_INET
    sin.sin_port        = htons(PORT);  //端口号：1024~49151
    sin.sin_addr.s_addr = inet_addr(IP); //本机IP ifconfig查看

    //绑定服务器的IP和端口--->必须绑定
    if(bind(sfd, (struct sockaddr*)&sin, sizeof(sin)) < 0)
    {
        ERR_MSG("bind");
        return -1;
    }
    printf("bind success \n");

    //将套接字设置为被动监听状态
    if(listen(sfd, 128) < 0)
    {
        ERR_MSG("listen");
        return -1;
    }
    printf("listen success\n");

    //创建一个读集合
    fd_set readfds, tempfds;

    //fd_set本质上是一个结构体，成员是一个long类型数组，
    //集合目的是为了存储让内核监测的文件描述符，若不初始化，
    //则有可能随机到有效的但不需要监测的文件描述符，
    //所以需要将集合初始化成无意义的文件描述符
    FD_ZERO(&readfds);
    FD_ZERO(&tempfds);

    //将需要的文件描述符添加到读集合中
    FD_SET(0, &readfds);
    FD_SET(sfd, &readfds);

    int maxfd = sfd;

    int s_res = -1;
    int newfd = -1;
    char buf[128] = "";
    ssize_t res = 0;
    struct sockaddr_in cin;     //存储客户端的地址信息
    socklen_t addrlen = sizeof(cin);

    struct sockaddr_in saveCin[1024-3];

    while(1)
    {
        tempfds = readfds;
        //调用IO多路复用函数 select()
        s_res = select(maxfd+1, &tempfds, NULL, NULL, NULL);
        if(s_res < 0)
        {
            ERR_MSG("select");
            return -1;
        }
        else if(0 == s_res)
        {
            printf("time out...\n");
            break;
        }
        printf("__%d__\n", __LINE__);

        //能运行到当前位置，则代表集合中有文件描述符准备就绪。
        //此时集合中会只剩下触发事件的文件描述符
        //例如：
        //当0号文件描述符触发事件，则集合中只剩下0
        //当sfd文件描述符触发事件，则集合中只剩下sfd
        //若0和sfd同时触发事件，则集合中剩下0和sfd 

        //判断是哪个文件描述符准备就绪，走对应处理函数即可
        //判断集合中剩下哪个文件描述符，就代表哪个文件描述符准备就绪
        for(int i=0; i<=maxfd; i++)
        {
            if(FD_ISSET(i, &tempfds) == 0)  //若i所代表的文件描述符不在集合中
                continue;                   //则继续遍历下一个i

            //能运行到当前位置，说明i所代表的文件描述符在集合中
            //判断i所代表的文件描述符触发的事件是什么事件
            if(0 == i)
            {
                printf("触发键盘输入事件\n");
                int sndfd = -1;
                res = scanf("%d %s", &sndfd,buf);   //返回值：成功获取到的数据个数
                while(getchar() != 10);
                if(res != 2){
                    printf("请输入正确的格式: fd string\n");
                    continue;
                }

                //能运行到当前位置，则代表输入的格式正确
                if(sndfd<3 || !FD_ISSET(sndfd, &readfds))
                {
                    printf("sndfd=%d 文件描述符错误\n", sndfd);
                    continue;
                }

                if(send(sndfd, buf, sizeof(buf), 0) < 0)
                {
                    ERR_MSG("send");
                    return -1;
                }
                printf("send success\n");
            }
            else if(sfd == i)
            {
                printf("触发客户端连接事件\n");
                newfd = accept(sfd, (struct sockaddr*)&cin, &addrlen);
                if(newfd < 0)
                {
                    ERR_MSG("accept");
                    return -1;
                }
                printf("[%s : %d] newfd=%d 客户端连接成功\n", \
                        inet_ntoa(cin.sin_addr), ntohs(cin.sin_port), newfd);

                saveCin[newfd-3] = cin;

                //将newfd添加到集合中
                FD_SET(newfd, &readfds);

                //更新maxfd
                maxfd = maxfd>newfd ? maxfd:newfd;
            }
            else
            {
                printf("触发客户端交互事件\n");
                bzero(buf, sizeof(buf));
                //接收数据
                res = recv(i, buf, sizeof(buf), 0);
                if(res < 0)
                {
                    ERR_MSG("recv");
                    return -1;
                }
                else if(0 == res)
                {
                    printf("[%s : %d] newfd=%d 客户端下线\n", \
                            inet_ntoa(saveCin[i-3].sin_addr), ntohs(saveCin[i-3].sin_port), i);

                    //关闭下线客户端的文件描述符
                    close(i);
                    //将下线客户端的文件描述符从集合中剔除
                    FD_CLR(i, &readfds);

                    //更新maxfd 
                    //从大往小判断--->从目前记录的最大fd开始判断是否在集合中
                    //若存在，则该文件描述符就是最大的，
                    //若不存在，则继续往小判断
                    while(FD_ISSET(maxfd, &readfds)==0 && maxfd-->=0);

                    /*
                       int j = maxfd;
                       for(; j>=0; j--)
                       {
                       if(FD_ISSET(j, &readfds))
                       break;
                       }
                       maxfd = j;
                       */

                    continue;
                }

                printf("[%s : %d] newfd=%d : %s\n", \
                        inet_ntoa(saveCin[i-3].sin_addr), ntohs(saveCin[i-3].sin_port), i, buf);

                //发送数据
                strcat(buf, "*_*");
                if(send(i, buf, sizeof(buf), 0) < 0)
                {
                    ERR_MSG("send");
                    return -1;
                }
                printf("send success\n");
            }

        }
    } 


    //关闭所有文件描述符
    close(sfd);

    return 0;
}

用select实现TCP随时收发的客户端 

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
 
#define PORT 8808
#define IP "192.168.122.92"
 
int main(int argc, const char *argv[])
{
	//创建流式套接字
	int cfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
	if(cfd < 0)
	{
		perror("socket");
		fprintf(stderr,"socket failed __%d__\n",__LINE__);
		return -1;
	}
	printf("socket success...\n");
 
	//设置允许端口号复用
	int reuse = 1;
	if(setsockopt(cfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &reuse, sizeof(reuse)) < 0)  
	{
		perror("setsockopt");
		return -1;
	}
 
 
	//填充地址信息结构体，真是的地址信息结构体根据地址族制定
	struct sockaddr_in sin;
	sin.sin_family = AF_INET;
	sin.sin_port = htons(PORT);
	sin.sin_addr.s_addr = inet_addr(IP);
 
	//连接服务器
	if(connect(cfd,(struct sockaddr *)&sin,sizeof(sin)) < 0)
	{
		perror("connetc");
		return -1;
	}
	printf("connect success...\n");
 
	ssize_t res = 0;
	char buf[128] = "";
	int s_res = -1;
	fd_set readfds;
	fd_set tempfds;
	FD_ZERO(&readfds);
	FD_SET(0,&readfds);
	FD_SET(cfd,&readfds);
 
	while(1)
	{
		tempfds = readfds;
		s_res = select(cfd+1,&tempfds,NULL,NULL,NULL);
		if(s_res < 0)
		{
			perror("select");
			return -1;
		}
		else if(0 == s_res)
		{
			break;
		}
		if(FD_ISSET(0,&tempfds))
		{
			bzero(buf,sizeof(buf));
			fgets(buf,sizeof(buf),stdin);
			buf[strlen(buf)-1] = 0;
			//发送数据
			if(send(cfd,buf,sizeof(buf),0) < 0)
			{
				perror("send");
				return -1;
			}
		}
		if(FD_ISSET(cfd,&tempfds))
		{
 
			//接受数据
			bzero(buf,sizeof(buf));
			res = recv(cfd,buf,sizeof(buf),0);
			if(res < 0)
			{
				perror("recv");
				return -1;
			}
			else if(0 == res)
			{
				printf("[%s : %d] server offline\n",IP,PORT);
				break;
			}
			printf("[%s : %d] %s\n",IP,PORT,buf);
		}
	}
 
	//关闭所有文件描述符
	close(cfd);
	return 0;
}

2）poll

功能：

阻塞函数，让内核检测指定文件描述符集合中，是否有文件描述符准备就绪
当文件描述符准备就绪后，该函数解除阻塞。

原型：

#include <poll.h>
int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);

参数：

struct pollfd *fds：指定要检测的文件描述符集合;
struct pollfd {
               int   fd;         /* file descriptor */     指定要让内核监测的文件描述符
               short events;     /* requested events */    指定要监测的事件
               short revents;    /* returned events */     实际产生的事件。
              };
事件：
      POLLIN     读事件
      POLLOUT    写事件
      POLLERR    错误事件，只有在revents成员中出现
               
nfds_t nfds：指定要监测的文件描述符个数；
int timeout：超时时间；
         >0, 设置超时时间，以ms为单位;
         =0, 非阻塞形式，
         <0, 阻塞形式，直到有文件描述符准备就绪，解除阻塞;

返回值：

>0, 成功，返回成功触发事件的文件描述符个数;
=0, 超时;
=-1, 失败，更新errno;

通过poll搭建客户端

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <poll.h>
 
#define PORT 8808
#define IP "192.168.122.92"
 
int main(int argc, const char *argv[])
{
	//创建流式套接字
	int cfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
	if(cfd < 0)
	{
		perror("socket");
		fprintf(stderr,"socket failed __%d__\n",__LINE__);
		return -1;
	}
	printf("socket success...\n");
 
	//设置允许端口号复用
	int reuse = 1;
	if(setsockopt(cfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &reuse, sizeof(reuse)) < 0)  
	{
		perror("setsockopt");
		return -1;
	}
 
 
	//填充地址信息结构体，真是的地址信息结构体根据地址族制定
	struct sockaddr_in sin;
	sin.sin_family = AF_INET;
	sin.sin_port = htons(PORT);
	sin.sin_addr.s_addr = inet_addr(IP);
 
	//连接服务器
	if(connect(cfd,(struct sockaddr *)&sin,sizeof(sin)) < 0)
	{
		perror("connetc");
		return -1;
	}
	printf("connect success...\n");
 
	ssize_t res = 0;
	char buf[128] = "";
	int p_res = -1;
	struct pollfd fds[2];
	fds[0].fd = 0;
	fds[0].events = POLLIN;
	fds[1].fd = cfd;
	fds[1].events = POLLIN;
 
 
	while(1)
	{
 
		p_res = poll(fds,2,-1);
		if(p_res < 0)
		{
			perror("select");
			return -1;
		}
		else if(0 == p_res)
		{
			break;
		}
		if(fds[0].revents & POLLIN != 0)
		{
			bzero(buf,sizeof(buf));
			fgets(buf,sizeof(buf),stdin);
			buf[strlen(buf)-1] = 0;
			//发送数据
			if(send(cfd,buf,sizeof(buf),0) < 0)
			{
				perror("send");
				return -1;
			}
		}
		if(fds[1].revents & POLLIN)
		{
 
			//接受数据
			bzero(buf,sizeof(buf));
			res = recv(cfd,buf,sizeof(buf),0);
			if(res < 0)
			{
				perror("recv");
				return -1;
			}
			else if(0 == res)
			{
				printf("[%s : %d] server offline\n",IP,PORT);
				break;
			}
			printf("[%s : %d] %s\n",IP,PORT,buf);
		}
	}
 
	//关闭所有文件描述符
	close(cfd);
	return 0;
}

3）epoll（面试最多，Linux独有的，驱动的时候讲解）

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