Socket-IO复用技术

（上一篇地址）前面使用socket完成一个服务器对应多个客户端的小实验的时候，针对TCP连接，我们必须得创建新的进程来与新的客户端通信。那么，就意味着，1000个客户端就有有1000个server进程，这显然是不实际的。如果，我们可以提前把要监听的文件描述符放到一个集合里，一旦其中一个发生事件（不管是连上，还是通信），就去处理。这样，会方便很多。所以，今天学习一下IO复用。

1 五个I/O模型

• 阻塞I/O
• 非阻塞I/O
• I/O复用（select和poll）
• 信号驱动I/O
• 异步I/O

  阻塞IO

  最流行的I/O模型是阻塞I/O模型,缺省时，所有的套接口都是阻塞的。
  

  非阻塞IO

  

  IO复用

  

  信号驱动IO

  

  异步IO

  

  2 I/O复用

  如果一个或多个I/O条件满足（例如:输入已准备好被读，或者描述字可以承接更多输出的时候）我们就能够被通知到，这样的能力被称为I/O复用，是由函数select和poll支持的。

  I/O复用网络应用场合

• 当客户处理多个描述字
• 一个客户同时处理多个套接口
• 如果一个tcp服务器既要处理监听套接口，又要处理连接套接口
• 如果一个服务器既要处理TCP，又要处理UDP

select

         /* According to POSIX.1-2001 */
       #include 

       /* According to earlier standards */
       #include 
       #include 
       #include 

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

       void FD_CLR(int fd, fd_set *set);//从集合中删除一个描述字
       int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set);//描述字是否在该集合中
       void FD_SET(int fd, fd_set *set);//添加一个描述字到集合中
       void FD_ZERO(fd_set *set);//清空描述字集合

• 作用：函数允许进程指示内核等待多个事件中的任一个发生，并仅在一个或多个事件发生或经过某指定的时间后才唤醒进程
  提供了即时响应多个套接的读写事件
• 参数：
• nfds：集合中最大的文件描述符 + 1 （指定被测试的描述字个数，它的值是要被测试的最大描述字加1，描述字0、1、2…….一直到nfds均被测试）
• readfds：要检查读事件的容器
• writefds：要检查写事件的容器
• timeout：超时时间
• 返回值：返回触发套接字的个数
  中间的三个参数readset、writeset和exceptset指定我们要让内核测试读、写和异常条件所需的描述字
  如果我们对某个条件不感兴趣，这三个参数中相应的参数就可以设为空指针

timeout参数

时间的结构体如下：

            struct timeval(
                long tv_sec;  //秒
                long tv_usec;//微秒
            );

timeout参数有三种可能

• 永远等待下去：仅在有一个描述字准备好I/O时才返回，为此，我们将timeout设置为空指针
• 等待固定时间：在有一个描述字准备好I/O是返回，但不超过由timeout参数所指timeval结构中指定的秒数和微秒数

• 根本不等待：检查描述字后立即返回，这称为轮询。定时器的值必须为0

  fd_set参数

  select使用描述字集，它一般是一个整数数组，每个数中的每一位对应一个描述字。

  使用流程

  使用select完成之前socket的测试，流程如下：
  
  客户端代码不变。

  #include < sys/types.h>     
  #include < sys/socket.h>
  #include < netinet/in.h>    //sockaddr_in
  #include < stdio.h>
  #include < string.h>
  
  //TCP
  int main()
  {
      int fd;
      int ret;
      int addrLen;
      char acbuf[20] = "";
      struct sockaddr_in serAddr = {0};
      struct sockaddr_in myAddr = {0};
  
      //1.socket();
      fd = socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0);
      if(fd == -1)
      {
          perror("socket");
          return -1;
      }
  
      //2.连接connect() 服务器的地址
      serAddr.sin_family = AF_INET;
      serAddr.sin_port = htons(1234);
      serAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.159.5");
      ret = connect(fd,(struct sockaddr *)&serAddr,sizeof(struct sockaddr_in));
      if(ret == -1)
      {
          perror("connect");
          return -1;
      }
  
      //获取自己的地址
      addrLen = sizeof(struct sockaddr_in);
      ret = getsockname(fd,(struct sockaddr *)&myAddr,&addrLen);
      if(ret == -1)
      {
          perror("getsockname");
          return -1;
      }
      printf("client---ip: %s , port: %d\n",\
                  inet_ntoa(myAddr.sin_addr),ntohs(myAddr.sin_port));
      //3.通信
      while(1)
      {
          printf("send: ");
          fflush(stdout);
          scanf("%s",acbuf);
          if(strcmp(acbuf,"exit") == 0)
          {
              break;
          }
          write(fd,acbuf,strlen(acbuf));
      }
  
      //4.close()
      close(fd);
      return 0;
  }

  服务器端：
  select.c

      #include < sys/types.h>     
      #include < sys/socket.h>
      #include < netinet/in.h>    //sockaddr_in
      #include < stdio.h>
      #include < string.h>
      #include < signal.h>
      #include < sys/select.h>
      #include < unistd.h>
      #include < sys/time.h>
      //TCP
      int main()
      {
          int fd;
          int clientfd;
          int ret;
          pid_t pid;
  
          int i;
          int maxfd;          //当前最大套接字
          int nEvent;
          fd_set set = {0};   //监听集合
          fd_set oldset = {0};    //存放所有要监听的文件描述符
          struct timeval time = {0};
  
          int reuse = 0;
          char acbuf[20] = "";
          char client_addr[100] = "";
          struct sockaddr_in addr = {0};  //自己的地址
          struct sockaddr_in clientAddr = {0};    //连上的客户端的地址
          int addrLen = sizeof(struct sockaddr_in);
  
          signal(SIGCHLD,SIG_IGN);
  
          //1.socket()
          fd = socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0);
          if(fd == -1)
          {
              perror("socket");
              return -1;
          }
  
          //会出现没有活动的套接字仍然存在，会禁止绑定端口，出现错误：address already in use .
          //由TCP套接字TIME_WAIT引起，bind 返回 EADDRINUSE,该状态会保留2-4分钟
          if (setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &reuse, sizeof(reuse)) < 0)
              {
              perror("setsockopet error\n");
              return -1;
              }
  
          //2.bind()
          addr.sin_family = AF_INET;
          addr.sin_port = htons(1234);
          addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.159.5");
          ret = bind(fd,(struct sockaddr *)&addr,addrLen);
          if(ret == -1)
          {
              perror("bind");
              return -1;
          }
  
          //3.listen()
          ret = listen(fd,10);
          if(ret == -1)
          {
              perror("listen");
              return -1;
          }
  
          //创建监听集合
          FD_ZERO(&oldset);
          FD_SET(fd,&oldset);
          //maxfdp1：当前等待的最大套接字。比如：当前fd的值=3，则最大的套接字就是3
          //所以每当有客户端连接进来，就比较一下文件描述符
          maxfd = fd;
          //select
          //select之前，set放的是所有要监听的文件描述符；{3，4,5}
          //select之后，set只剩下有发生事件的文件描述符。{3}
  
          while(1)
          {
              set = oldset;
              printf("before accept.\n");
              time.tv_sec = 5;
              nEvent = select(maxfd + 1,&set,NULL,NULL,&time);    //返回文件描述符的个数（即事件的个数）
              printf("after accept.%d\n",nEvent);
              if(nEvent == -1)
              {
                  perror("select");
                  return -1;
              }
              else if(nEvent == 0)    //超时
              {
                  printf("time out");
                  return 1;
              }
              else
              {           
                  //有事件发生
                  //判断是否是客户端产生的事件
                  for(i = 0 ; i <= maxfd ; i++)
                  {
                      if(FD_ISSET(i,&set))
                      {
                          if(i == fd)
                          {
                              clientfd = accept(fd,(struct sockaddr *)&clientAddr,&addrLen);
                              FD_SET(clientfd,&oldset);
                              printf("client ip:%s ,port:%u\n",inet_ntoa(clientAddr.sin_addr),ntohs(clientAddr.sin_port));
                              if(clientfd > maxfd)
                              {
                                  maxfd = clientfd;
                              }
                          }
                          else
                          {
                              memset(acbuf,0,20);
                              if(read(i,acbuf,20) == 0) //客户端退出
                              {
                                  close(i);
                                  //还要从集合里删除
                                  FD_CLR(i,&oldset);
                              }
                              else
                                  printf("receive: %s\n",acbuf);
                          }
                      }
                  }
              }
          }
          return 0;
      }

  epoll

  epoll用到的函数有以下几个：

                #include 
       int epoll_create(int size);//创建epoll
             int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);//操作函数
             int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events,
                      int maxevents, int timeout);   

事件集合的结构体：

(这里 ，还要注意，epoll的超时参数是int，单位是us)

使用流程

        #include      
        #include 
        #include  //sockaddr_in
        #include 
        #include 
        #include 
        #include 

        //epoll
        //epoll_wait() epoll_creat() epoll_ctl()

        //TCP
        int main()
        {
            int fd;
            int clientfd;
            int ret;
            pid_t pid;

            int i;
            int epfd;
            int nEvent;
            struct epoll_event event = {0};
            struct epoll_event rtl_events[20] = {0};    //事件结果集

            int reuse = 0;
            char acbuf[20] = "";
            char client_addr[100] = "";
            struct sockaddr_in addr = {0};  //自己的地址
            struct sockaddr_in clientAddr = {0};    //连上的客户端的地址
            int addrLen = sizeof(struct sockaddr_in);

            signal(SIGCHLD,SIG_IGN);

            //1.socket()
            fd = socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0);
            if(fd == -1)
            {
                perror("socket");
                return -1;
            }

            //会出现没有活动的套接字仍然存在，会禁止绑定端口，出现错误：address already in use .
            //由TCP套接字TIME_WAIT引起，bind 返回 EADDRINUSE,该状态会保留2-4分钟
            if (setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &reuse, sizeof(reuse)) < 0)
                {
                perror("setsockopet error\n");
                return -1;
                }

            //2.bind()
            addr.sin_family = AF_INET;
            addr.sin_port = htons(1234);
            addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.159.5");
            ret = bind(fd,(struct sockaddr *)&addr,addrLen);
            if(ret == -1)
            {
                perror("bind");
                return -1;
            }

            //3.listen()
            ret = listen(fd,10);
            if(ret == -1)
            {
                perror("listen");
                return -1;
            }

            epfd = epoll_create(1000);  //同时监听的文件描述符
            event.data.fd = fd;
            event.events = EPOLLIN;  //读
            epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,fd, &event);
            while(1)
            {
        //      nEvent = epoll_wait(epfd,rtl_events,20,-1);  //-1:阻塞    0:非阻塞
                nEvent = epoll_wait(epfd,rtl_events,20,5000);
                if(nEvent == -1)
                {
                    perror("epoll_wait");
                    return -1;
                }
                else if(nEvent == 0)
                {
                    printf("time out.");
                }
                else
                {
                    //有事件发生，立即处理
                    for(i = 0; i < nEvent;i++)
                    {
                        //如果是 服务器fd
                        if( rtl_events[i].data.fd == fd )
                        {
                            clientfd = accept(fd,(struct sockaddr *)&clientAddr,&addrLen);
                            //添加
                            event.data.fd = clientfd;
                            event.events = EPOLLIN;  //读
                            epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,clientfd,&event);
                            printf("client ip:%s ,port:%u\n",inet_ntoa(clientAddr.sin_addr),ntohs(clientAddr.sin_port));
                        }
                        else
                        {
                            //否则 客户端fd 
                            memset(acbuf,0,20);
                            ret = read(rtl_events[i].data.fd,acbuf,20);
                            printf("%d\n",ret);
                            if( ret == 0) //客户端退出
                            {
                                close(rtl_events[i].data.fd);
                                //从集合里删除
                                epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_DEL,rtl_events[i].data.fd,NULL);
                            }
                            else
                                printf("receive: %s\n",acbuf);
                        }

                    }
                }
            }

            return 0;
        }

运行结果如前，正常收发。