第16.1节 写一个服务端代码
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服务端代码
#include <stdio.h> #include <errno.h> #include <string.h> #include <unistd.h> #include <sys/socket.h> #include <netinet/in.h>#include <fcntl.h>int main() {//openint sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // iostruct sockaddr_in servaddr;memset(&servaddr, 0, sizeof(struct sockaddr_in)); // 192.168.2.123servaddr.sin_family = AF_INET;servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 0.0.0.0servaddr.sin_port = htons(9999);if (-1 == bind(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(struct sockaddr))) {printf("bind failed: %s", strerror(errno));return -1;}listen(sockfd, 10); getchar(); }
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运行该段代码,可以使用netstat -anop | grep 9999查看某一个端口(如:9999)进程的命令。结果如下图。可以发现代码执行到此处的时候,程序已经开始监听了。
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可以使用第三方的网络助手工具尝试连接该端程序。可以发现可以正常发送成功,但是却没有没有反馈。
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出现上述问题主要原因见下图。通过listen这是监听了,并没有真正的建立连接。建立连接是通过accept来实现的,并且每个客户端都有一个服务对应处理。
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故而添加accept代码如下
#include <stdio.h> #include <errno.h> #include <string.h> #include <unistd.h> #include <sys/socket.h> #include <netinet/in.h>#include <fcntl.h>int main() {//openint sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // iostruct sockaddr_in servaddr;memset(&servaddr, 0, sizeof(struct sockaddr_in)); // 192.168.2.123servaddr.sin_family = AF_INET;servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 0.0.0.0servaddr.sin_port = htons(9999);if (-1 == bind(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(struct sockaddr))) {printf("bind failed: %s", strerror(errno));return -1;}listen(sockfd, 10); //sleep(10);#if 0printf("sleep\n");int flags = fcntl(sockfd, F_GETFL, 0);flags |= O_NONBLOCK;fcntl(sockfd, F_SETFL, flags); #endifstruct sockaddr_in clientaddr;socklen_t len = sizeof(clientaddr); int clientfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &len);// getchar();}
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上述代码运行效果如下
可以发现代码阻塞在accept函数处,此时通过工具建立连接,就会继续运行。而通过代码中的#if…#endif处的代码可以将阻塞io转换为非阻塞io。 -
思考:若在listen之后还未到accept的时候建立连接会成功吗?修改代码验证该思考。
#include <stdio.h> #include <errno.h> #include <string.h> #include <unistd.h> #include <sys/socket.h> #include <netinet/in.h>#include <fcntl.h>int main() {//openint sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // iostruct sockaddr_in servaddr;memset(&servaddr, 0, sizeof(struct sockaddr_in)); // 192.168.2.123servaddr.sin_family = AF_INET;servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 0.0.0.0servaddr.sin_port = htons(9999);if (-1 == bind(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(struct sockaddr))){printf("bind failed: %s", strerror(errno));return -1;}listen(sockfd, 10); sleep(10);printf("sleep\n");#if 0printf("sleep\n");int flags = fcntl(sockfd, F_GETFL, 0);flags |= O_NONBLOCK;fcntl(sockfd, F_SETFL, flags); #endifstruct sockaddr_in clientaddr;socklen_t len = sizeof(clientaddr); int clientfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &len);printf("sockfd:%d, clientfd:%d\n", sockfd, clientfd);// getchar(); }
使用工具在未打印sleep之前点击连接,过一会儿运行结果如下图,可以发现依然可以建立连接。
所以该思考的结果是:accept和是否能建立连接没有关系。如在listen之后sleep(10),还没有到accept的时候建立连接也是可以的。 -
思考:将代码改成非阻塞的,若在accept到来之前还未点击连接会如何?修改案例代码如下:
#include <stdio.h> #include <errno.h> #include <string.h> #include <unistd.h> #include <sys/socket.h> #include <netinet/in.h>#include <fcntl.h>int main() {//openint sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // iostruct sockaddr_in servaddr;memset(&servaddr, 0, sizeof(struct sockaddr_in)); // 192.168.2.123servaddr.sin_family = AF_INET;servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 0.0.0.0servaddr.sin_port = htons(9999);if (-1 == bind(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(struct sockaddr))) {printf("bind failed: %s", strerror(errno));return -1;}listen(sockfd, 10); sleep(10);#if 1printf("sleep\n");int flags = fcntl(sockfd, F_GETFL, 0);flags |= O_NONBLOCK;fcntl(sockfd, F_SETFL, flags); #endifstruct sockaddr_in clientaddr;socklen_t len = sizeof(clientaddr); int clientfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &len);printf("sockfd:%d, clientfd:%d\n", sockfd, clientfd);// getchar(); }
代码运行结果:
可以发现失败了,linux下正数表示成功,-1表示失败。而如果在运行到accept之前点击了连接,就会连接成功。此处从3开始,是因为0是标准输入,1是标准输出,2是错误。 -
上面只实现了网络io的连接,那么接下来考虑服务端如何接收数据。使用recv,recv返回0表示断开连接
#include <stdio.h> #include <errno.h> #include <string.h> #include <unistd.h> #include <sys/socket.h> #include <netinet/in.h>#include <fcntl.h>#define BUFFER_LENGTH 1024int main() {//openint sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // iostruct sockaddr_in servaddr;memset(&servaddr, 0, sizeof(struct sockaddr_in)); // 192.168.2.123servaddr.sin_family = AF_INET;servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 0.0.0.0servaddr.sin_port = htons(9999);if (-1 == bind(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(struct sockaddr))) {printf("bind failed: %s", strerror(errno));return -1;}listen(sockfd, 10); struct sockaddr_in clientaddr;socklen_t len = sizeof(clientaddr); int clientfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &len);printf("sockfd:%d, clientfd:%d\n", sockfd, clientfd);char buffer[BUFFER_LENGTH] = {0};int ret = recv(clientfd, buffer, BUFFER_LENGTH, 0);printf("ret: %d, buffer: %s\n", ret, buffer);send(clientfd, buffer, ret, 0);// getchar(); }
使用第三方的网络助手工具尝试连接该端程序,代码运行结果如下:
通过上图可以发现recv也是阻塞的,只会阻塞一次,send 也是一次**。** -
思考:那么放入到while中是否可以发送多次数据呢?代码如下:
#include <stdio.h> #include <errno.h> #include <string.h> #include <unistd.h> #include <sys/socket.h> #include <netinet/in.h>#include <fcntl.h>#define BUFFER_LENGTH 1024int main() {//openint sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // iostruct sockaddr_in servaddr;memset(&servaddr, 0, sizeof(struct sockaddr_in)); // 192.168.2.123servaddr.sin_family = AF_INET;servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 0.0.0.0servaddr.sin_port = htons(9999);if (-1 == bind(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(struct sockaddr))) {printf("bind failed: %s", strerror(errno));return -1;}listen(sockfd, 10); struct sockaddr_in clientaddr;socklen_t len = sizeof(clientaddr); int clientfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &len);printf("sockfd:%d, clientfd:%d\n", sockfd, clientfd);while (1) { //slavechar buffer[BUFFER_LENGTH] = {0};int ret = recv(clientfd, buffer, BUFFER_LENGTH, 0);if (ret == 0) {close(clientfd);break; }printf("ret: %d, buffer: %s\n", ret, buffer);send(clientfd, buffer, ret, 0);}// getchar(); }
代码运行结果如下:
可以发现支持数据的多次接收。那么这段代码是否可以接收多个客户端的请求呢。实例如下:
可以发现无法处理第二个客户端的请求,思考后,这是因为accept只有一次,那么将accept放入到while中是否可以呢?#include <stdio.h> #include <errno.h> #include <string.h> #include <unistd.h> #include <sys/socket.h> #include <netinet/in.h>#include <fcntl.h>#define BUFFER_LENGTH 1024int main() {//openint sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // iostruct sockaddr_in servaddr;memset(&servaddr, 0, sizeof(struct sockaddr_in)); // 192.168.2.123servaddr.sin_family = AF_INET;servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 0.0.0.0servaddr.sin_port = htons(9999);if (-1 == bind(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(struct sockaddr))){printf("bind failed: %s", strerror(errno));return -1;}listen(sockfd, 10); struct sockaddr_in clientaddr;socklen_t len = sizeof(clientaddr); while (1) { //slaveint clientfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &len);printf("sockfd:%d, clientfd:%d\n", sockfd, clientfd);char buffer[BUFFER_LENGTH] = {0};int ret = recv(clientfd, buffer, BUFFER_LENGTH, 0);if (ret == 0){close(clientfd);break; }printf("ret: %d, buffer: %s\n", ret, buffer);send(clientfd, buffer, ret, 0);}// getchar(); }
代码运行结果:
可以发现只能发送一次,这是因为第二次发送的时候调用了accept,此时没有连接,会被阻塞住。那么为了在while中即调用accept,又可以调用recv,所以考虑使用多线程实现。代码如下所示。该段代码编译需要使用gcc -o xxx xxx.c -lpthread.#include <stdio.h> #include <errno.h> #include <string.h> #include <unistd.h> #include <sys/socket.h> #include <netinet/in.h>#include <fcntl.h> #include <pthread.h>#define BUFFER_LENGTH 1024void *client_thread(void *arg) {int clientfd = *(int*)arg;while (1) { //slavechar buffer[BUFFER_LENGTH] = {0};int ret = recv(clientfd, buffer, BUFFER_LENGTH, 0);if (ret == 0) {close(clientfd);break; }printf("ret: %d, buffer: %s\n", ret, buffer);send(clientfd, buffer, ret, 0);}}int main() {//openint sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // iostruct sockaddr_in servaddr;memset(&servaddr, 0, sizeof(struct sockaddr_in)); // 192.168.2.123servaddr.sin_family = AF_INET;servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 0.0.0.0servaddr.sin_port = htons(9999);if (-1 == bind(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(struct sockaddr))){printf("bind failed: %s", strerror(errno));return -1;}listen(sockfd, 10); struct sockaddr_in clientaddr;socklen_t len = sizeof(clientaddr); while (1) { //slaveint clientfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &len);printf("sockfd:%d, clientfd:%d\n", sockfd, clientfd);pthread_t threadid;pthread_create(&threadid, NULL, client_thread, &clientfd);}// getchar(); }
代码运行结果:
从上图结果可以发现可以达到我们的预期目标。但是在客户端多的时候,比如有10000个客户端,无法创建10000个线程。那么如何处理这个问题。此时就需要用到本章的重点知识,网络io多路复用技术,对多个服务进行管理。如select, pool, epool,kqueue(mac)等。
第16.2节 select
16.2.1 介绍
网络IO复用是指在单线程或少数线程的情况下,通过一种机制同时监控多个IO流的状态,当某个IO流有数据到达时,就通知相应的线程进行处理。其中,select是一种比较常用的IO多路复用技术,它可以同时监控多个文件描述符,当某个文件描述符就绪(一般是读就绪或写就绪)时,就会通知应用程序进行相应的操作。
16.2.2 代码案例
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代码
#include <stdio.h> #include <errno.h> #include <string.h> #include <unistd.h> #include <sys/socket.h> #include <netinet/in.h>#include <fcntl.h> #include <sys/select.h>#define BUFFER_LENGTH 1024int main() {//openint sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // iostruct sockaddr_in servaddr;memset(&servaddr, 0, sizeof(struct sockaddr_in)); // 192.168.2.123servaddr.sin_family = AF_INET;servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 0.0.0.0servaddr.sin_port = htons(9999);if (-1 == bind(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(struct sockaddr))){printf("bind failed: %s", strerror(errno));return -1;}listen(sockfd, 10); struct sockaddr_in clientaddr;socklen_t len = sizeof(clientaddr); fd_set rfds, rset;FD_ZERO(&rfds);FD_SET(sockfd, &rfds);int maxfd = sockfd;int clientfd = 0;while (1) { rset = rfds;int nready = select(maxfd+1, &rset, NULL, NULL, NULL);if (FD_ISSET(sockfd, &rset)) { clientfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &len);printf("accept: %d\n", clientfd);FD_SET(clientfd, &rfds);if (clientfd > maxfd) maxfd = clientfd; // 这是因为有回收机制,所以始终找最大值。if (-- nready == 0) continue;}int i = 0;for (i = sockfd + 1; i <= maxfd; i++) {if (FD_ISSET(i, &rset)){char buffer[BUFFER_LENGTH] = {0};int ret = recv(i, buffer, BUFFER_LENGTH, 0);if (ret == 0) {close(i);break; }printf("ret: %d, buffer: %s\n", ret, buffer);send(i, buffer, ret, 0);}}}// getchar(); }
运行结果
发现可以达到同样的目的。 -
代码说明
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select(maxfd, &rfds, &wfds, efds, timeout)
maxfd - 表示的是所有的accept连接中返回值最大的id,
rfds - 可读的集合,记录了可以读的io集合
wfds - 可写的集合,记录了可以写的io集合
efds - 出错的集合,记录了上次出错的io集合
timeout - 表示多久轮询上面三个集合一次
返回值 - 表示当前有多少个io连接 -
fd_set rfds: fd_set内部是按照bit位来的
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FD_ZERO(&rfds): 是设置fd_set中的每一个bit位为0
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FD_SET(x, &rfds):将rfds中的dix位置为1
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FD_ISSET(socked, &rfds):表示查询rfds的第socked位是否为1
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关于send是否可以写的问题,是应用将需要发送的数据放入到内核的sendbuffer中。通常而言都是可以send成功的,只有在循环send或sendbuffer()非常小的时候才会失败,这个配置可以在sysconfig文件中修改,所以send是否可以写是需要判断的。
16.2.3 缺陷
- 由于select的fd_set需要通过select先传入到内核,再从内核传出来,所以会很消耗性能。
- 在select中,一个fd_set是128个bit位,如果io的数量超过128个后,就会出现资源不够。
- 在内核中会循环遍历,这也会比较耗时。
第16.3节 poll
16.3.1 介绍
poll是一种常见的IO多路复用技术,它可以同时监视多个文件描述符,当其中任意一个文件描述符就绪时,就会通知应用程序进行相应的操作。
16.3.2 代码案例
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代码
#include <stdio.h> #include <errno.h> #include <string.h> #include <unistd.h> #include <sys/socket.h> #include <netinet/in.h>#include <fcntl.h> #include <sys/poll.h>#define BUFFER_LENGTH 1024 #define POLL_SIZE 1024 int main() {//openint sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // iostruct sockaddr_in servaddr;memset(&servaddr, 0, sizeof(struct sockaddr_in)); // 192.168.2.123servaddr.sin_family = AF_INET;servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 0.0.0.0servaddr.sin_port = htons(9999);if (-1 == bind(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(struct sockaddr))){printf("bind failed: %s", strerror(errno));return -1;}listen(sockfd, 10); struct pollfd fds[POLL_SIZE] = {0};fds[sockfd].fd = sockfd;fds[sockfd].events = POLLIN; // 表示可读int maxfd = sockfd;int clientfd = 0;while (1) {int nready = poll(fds, maxfd + 1, -1);if (fds[sockfd].revents & POLLIN) {clientfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &len);printf("accept: %d\n", clientfd);fds[clientfd].fd = clientfd;fds[clientfd].events = POLLIN;if (clientfd > maxfd) maxfd = clientfd;if (-- nready == 0) continue;}int i = 0;for (i = 0;i <= maxfd; i ++) {if (fds[i].revents & POLLIN) {char buffer[BUFFER_LENGTH] = {0};int ret = recv(i, buffer, BUFFER_LENGTH, 0);if (ret == 0) {fds[i].fd = -1; // 需要将fd置为无效才行。fds[i].events = 0;close(i);break; }printf("ret: %d, buffer: %s\n", ret, buffer);send(i, buffer, ret, 0);}}}// getchar(); }
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代码说明
结构中的events是我们传入到内核中的可读的项,而revents是从内核中反馈出来的。
struct poolfd {int fd;short events;short revent; }
16.3.3 相对select的优缺点
- 与select相比,poll没有最大文件描述符数量的限制,因此可以处理更多的并发连接。poll的使用方法与select类似,但是poll的效率比select更高,因为它不需要遍历整个文件描述符集合,而是只需要遍历就绪的文件描述符集合。
- pool只有一个数组
- 接口简单只有一个
第16.4节 epoll
16.4.1 介绍
epoll是Linux内核为处理大批量文件描述符而作了改进的poll,是Linux下多路复用IO接口select/poll的增强版本,它能显著提高程序在大量并发连接中只有少量活跃的情况下的系统CPU利用率。epoll可以同时处理大量的文件描述符,是基于事件驱动的IO操作方式,可以取代select和poll函数。epoll使用一个文件描述符管理多个描述符,将用户关系的文件描述符的事件存放到内核的一个事件表中,这样在用户空间和内核空间的copy只需一次。另外,epoll使用红黑树存储管理事件,每次插入和删除事件的效率都是O(logn)的,其中n是红黑树中节点的个数。
16.4.2 代码案例
- 代码
运行结果#include <stdio.h> #include <errno.h> #include <string.h> #include <unistd.h> #include <sys/socket.h> #include <netinet/in.h>#include <fcntl.h> #include <sys/epoll.h>#define BUFFER_LENGTH 1024int main() {//openint sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // iostruct sockaddr_in servaddr;memset(&servaddr, 0, sizeof(struct sockaddr_in)); // 192.168.2.123servaddr.sin_family = AF_INET;servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 0.0.0.0servaddr.sin_port = htons(9999);if (-1 == bind(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(struct sockaddr))){printf("bind failed: %s", strerror(errno));return -1;}listen(sockfd, 10); struct sockaddr_in clientaddr;socklen_t len = sizeof(clientaddr);int epfd = epoll_create(1);//1000 //liststruct epoll_event ev;ev.events = EPOLLIN;ev.data.fd = sockfd;epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, sockfd, &ev); //struct epoll_event events[1024] = {0};while (1){ // mainloopint nready = epoll_wait(epfd, events, 1024, -1); //-1, 0, if (nready < 0) continue;int i = 0;for (i = 0;i < nready;i ++) {int connfd = events[i].data.fd;if (sockfd == connfd) { // acceptint clientfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &len);if (clientfd <= 0) {continue;}printf(" clientfd: %d\n", clientfd);ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;ev.data.fd = clientfd;epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, clientfd, &ev);}else if (events[i].events & EPOLLIN) {char buffer[10] = {0};short len = 0;recv(connfd, &len, 2, 0);len = ntohs(len);int n = recv(connfd, buffer, 10, 0);if (n > 0) {printf("recv : %s\n", buffer);send(connfd, buffer, n, 0);} else if (n == 0) {printf("close\n");epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, connfd, NULL);close(connfd);}}}}// getchar(); }
16.4.3 相对select,pool的优点
- 可以处理大量请求
- 底层使用红黑树实现,效率更高
补充:
- io的数量意味着什么?意味着并发