Linux下Select多路复用实现简易聊天室

前言

和之前的udp聊天室有异曲同工之处，这次我们客户端send的是一个封装好了的数据包，recv的是一个字符串，服务器recv的是一个数据包，send的是一个字符串，在用户连接的时候发送一个login请求，然后服务器端处理，并广播到其他客户端去

多路复用的原理

基本概念

• 多路复用指的是：通过一种机制，可以监视多个描述符，一旦某个描述符就绪（一般是读就绪或者写就绪），能够通知程序进行相应的读写操作。其实就是一种异步处理的操作，等待可运行的描述符。

• 与多进程和多线程技术相比，I/O多路复用技术的最大优势是系统开销小，系统不必创建进程/线程，也不必维护这些进程/线程，从而大大减小了系统的开销。

多路复用大体有三种实现方式分别是:

• select
• poll
• epoll
  本次代码主要是展示select的用法：

select

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

这个是Linux的man手册给出的select的声明

• 第一个参数ndfs
  第一个参数是nfds表示的是文件描述集合中的最大文件描述符+1，因为select的遍历使用是[0,nfds)的
• 第二个参数readfds
  readfds表示的是读事件的集合
• 第三个参数writefds
  writefds表示的是读事件的集合
• 第四个参数exceptfds
  exceptfds表示的是异常参数的集合
• 第五个参数timeout
  表示的是超时时间，timeout告知内核等待所指定描述字中的任何一个就绪可花多少时间。其timeval结构用于指定这段时间的秒数和微秒数。

struct timeval{
     
　　long tv_sec;　　　　//second
　　long tv_usec;　　　//microseconds
　　}

fd_set

fd_set结构体的定义实际包含的是fds_bits位数组，该数组的每个元素的每一位标记一个文件描述符其大小固定，由FD_SETSIZE指定，一般而言FD_SETSIZE的大小为1024
我们只用关心怎么使用即可：
下面几个函数就是操作fd_set的函数

void FD_ZERO(fd_set *fdset);           //清空集合

void FD_SET(int fd, fd_set *fdset);   //将一个给定的文件描述符加入集合之中

void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset);   //将一个给定的文件描述符从集合中删除

int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset);   // 检查集合中指定的文件描述符是否可以读写 

服务器Code

实现的功能是：

• 客户端连接到客户端时，服务器向其他客户端进行广播上线
• 向服务器发送消息，然后服务器向其他客户端广播上线
• 客户端退出，服务器向其他客户端广播

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define N 1024
int fd[FD_SETSIZE];//用户集合，最大承受量

typedef struct Msg{
     //消息的结构
    char type;//消息类型
    char name[20];
    char text[N];//消息内容
}MSG;

typedef struct User{
     
    int fd;
    struct User *next;
}USE;
USE *head;

USE *init() {
     
    USE *p = (USE *)malloc(sizeof(USE));
    memset(p,0,sizeof(USE));
    p->next = NULL;
    return p;
}

void Link(int new_fd) {
     //将新连接加入用户列表里面
    USE *p = head;
    while(p->next) {
     
        p=p->next;
    }
    USE *k = (USE*)malloc(sizeof(USE));
    k->fd = new_fd;
    k->next = NULL;
    p->next = k;
}

void login(int fd,MSG msg) {
     
    USE *p = head;
    char buf[N+30];
    strcpy(buf,msg.name);
    strcat(buf,"上线啦！快来找我玩叭！");
    printf("fd = %d  %s\n",fd,buf);
    while(p->next) {
     //给其他用户发上线信息
        if(fd != p->next->fd)
            send(p->next->fd,&buf,sizeof(buf),0);
        p = p->next;
    }
//    puts("Over login");
}

void chat(int fd,MSG msg) {
     
//    printf("%d\n",msg.text[0]);
    if(strcmp(msg.text,"\n") == 0) return;
    USE *p = head;
    char buf[N+30];
    strcpy(buf,msg.name);
    strcat(buf,": ");
    strcat(buf,msg.text);
    printf("%s\n",buf);
    while(p->next) {
     //给其他用户发信息
        if(fd != p->next->fd)
            send(p->next->fd,&buf,sizeof(buf),0);
        p = p->next;
    }
}

void quit(int fd,MSG msg) {
     
    USE *p = head;
    char buf[N+30];
    strcpy(buf,msg.name);
    strcat(buf,"伤心的退出群聊！");
    printf("%s\n",buf);
    while(p->next) {
     //给其他用户发上线信息
        if(fd != p->next->fd)
            send(p->next->fd,&buf,sizeof(buf),0);
        p = p->next;
    }
}


/*
 * 初始化TCP服务器，返回服务器的socket描述符
 * */


int init_tcp_server(unsigned short port) {
     
    int ret;
    int opt;
    int listen_fd;
    struct sockaddr_in self;        // 监听描述符

    listen_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (listen_fd < 0) {
     
        perror("socket");
        return -1;
    }
    // 配置监听描述符地址复用属性
    opt = 1;
    ret = setsockopt(listen_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR,&opt, sizeof(opt));
    if (ret < 0) {
     
        perror("set socket opt");
        return -1;
    }

    // 填充服务器开放接口和端口号信息
    memset(&self, 0, sizeof(self));
    self.sin_family = AF_INET;
    self.sin_port = htons(port);
    self.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    ret = bind(listen_fd, (struct sockaddr *)&self, sizeof(self));
    if (ret == -1) {
     
        perror("bind");
        return -1;
    }
    // 默认socket是双向，配置成监听模式
    listen(listen_fd, 5);

    return listen_fd;
}

// 监听处理器
int listen_handler(int listen_fd) {
     
    int new_fd;
    new_fd = accept(listen_fd, NULL, NULL);
    if (new_fd < 0) {
     
        perror("accpet");
        return -1;
    }
    return new_fd;
}
// 客户端处理器
int client_handler(int fd) {
     
    int ret;
    MSG msg;
    // 读一次
    ret = recv(fd, &msg, sizeof(MSG), 0);//读取消息
//    printf("name = %s\n",msg.name);
    if (ret < 0) {
     
        perror("recv");
        return -1;
    } else if (ret == 0) {
     //断开连接
        quit(fd,msg);
        return 0;
    } else {
     //数据处理
        if(msg.type == 'L') {
     //登陆处理
            login(fd,msg);
        }
        else if(msg.type == 'C') {
     //聊天处理
            chat(fd,msg);
        }
        else if(msg.type == 'Q') {
     //退出处理
            quit(fd,msg);
        }
    }
//    puts("Over client_handler");
    return ret;
}
// 标准输入处理器
int input_handler(int fd) {
     
    char buf[1024];
    fgets(buf, sizeof(buf), stdin);
    buf[strlen(buf) - 1] = 0;
    printf("user input: %s\n",buf);
    return 0;
}

void main_loop(int listen_fd) {
     
    fd_set current, bak_fds;
    int max_fds;
    int new_fd;
    int ret;

    // 把监听描述符、标准输入描述符添加到集合
    FD_ZERO(&current);
    FD_SET(listen_fd, &current);
    FD_SET(0, &current);
    max_fds = listen_fd;

    while (1) {
     
        bak_fds = current;      // 备份集合
        ret = select(max_fds+1, &bak_fds, NULL, NULL, NULL);
        if (ret < 0) {
     
            perror("select");
            break;
        }
        // 判断内核通知哪些描述符可读，分别处理
        for (int i = 0; i <= max_fds; ++i) {
     
            if (FD_ISSET(i, &bak_fds)) {
     
                if (i == 0) {
     //服务器的输入端，可以做成广播
                    // 标准输入可读 fgets
                    input_handler(i);
                } else if (i == listen_fd) {
     //新连接，也就是有用户上线
                    // 监听描述符可读  accept
                    new_fd = listen_handler(i);
                    if (new_fd < 0) {
     
                        fprintf(stderr, "listen handler error!\n");
                        return;
                    }
                    if(new_fd >= FD_SETSIZE) {
     
                        printf("客户端连接过多！");
                        close(new_fd);
                        continue;
                    }
                    // 正常连接更新系统的集合，更新系统的通信录
                    Link(new_fd);//将新的连接描述符放进链表里面
                    FD_SET(new_fd, &current);
                    max_fds = new_fd > max_fds ? new_fd : max_fds;
                } else {
     
                    // 新的连接描述符可读  recv
                    ret = client_handler(i);
                    if (ret <= 0) {
     
                        // 收尾处理
                        close(i);
                        FD_CLR(i, &current);
                    }
                }
            }
        }
//        puts("over loop!\n");
    }

}

int main()
{
     
    int listen_fd;
    head = init();
    listen_fd = init_tcp_server(6666);
    if (listen_fd < 0) {
     
        fprintf(stderr, "init tcp server failed!\n");
        return -1;
    }
    printf("等待连接中...\n");
    main_loop(listen_fd);
    close(listen_fd);
    return 0;
}

客户端Code

创建了 一个父子进程，父进程用于接受信息并打印到屏幕，子进程用于输入并发送信息

//
// Created by Mangata on 2021/11/30.
//

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#define N 1024
char *ip = "192.168.200.130"; //106.52.247.33
int port = 6666;
char name[20];

typedef struct Msg{
     //消息的结构
    char type;//消息类型
    char name[20];
    char text[N];//消息内容
}MSG;

/*
 * 初始化TCP客户端，返回客户端的socket描述符
 * */
int init_tcp_client(const char *host) {
     
    int tcp_socket;
    int ret;
    struct sockaddr_in dest;

    tcp_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (tcp_socket == -1) {
     
        perror("socket");
        return -1;
    }


    memset(&dest, 0, sizeof(dest));
    dest.sin_family = AF_INET;
    dest.sin_port = htons(port);
    dest.sin_addr.s_addr = inet_addr(host);
    ret = connect(tcp_socket, (struct sockaddr *)&dest, sizeof(dest));
    if (ret < 0) {
     
        perror("connect");
        return -1;
    }
//    int flags = fcntl(tcp_socket, F_GETFL, 0);       //获取建立的sockfd的当前状态（非阻塞）
//    fcntl(tcp_socket, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);  //将当前sockfd设置为非阻塞

    printf("connect %s success!\n", host);
    return tcp_socket;
}

void login(int fd) {
     
    MSG msg;
    fputs("请输入您的名字: ",stdout);
    scanf("%s",msg.name);
    strcpy(name,msg.name);
    msg.type = 'L';
    send(fd,&msg,sizeof(MSG),0);
}

void chat_handler(int client_fd) {
     
    int ret;
    char buf[N+30];
    pid_t pid = fork();
    if(pid == 0) {
     
        MSG msg;
        strcpy(msg.name,name);
        while (fgets(buf, sizeof(buf), stdin)) {
     
            if (strncmp(buf, "quit", 4) == 0) {
     // 客户端不聊天了，准备退出
                msg.type = 'q';
                send(client_fd,&msg,sizeof(MSG),0);
                exit(1);
            }
            strcpy(msg.text,buf);
            msg.type = 'C';
            // 发送字符串，不发送'\0'数据
            ret = send(client_fd, &msg, sizeof(MSG), 0);
            if (ret < 0) {
     
                perror("send");
                break;
            }
            printf("send %d bytes success!\n", ret);
        }
    }
    else {
     
        while(1){
     
            int rrt = recv(client_fd,&buf,sizeof(buf),0);
            printf("rrt = %d\n",rrt);
            if(rrt <= 0) {
     
                printf("断开服务器！\n");
                break;
            }

            fprintf(stdout,"%s\n",buf);
        }
    }


}

int main(int argc,char *argv[])
{
     
    int client_socket;

    client_socket = init_tcp_client(ip);
    if (client_socket < 0) {
     
        fprintf(stderr, "init tcp client failed!\n");
        return -1;
    }
    login(client_socket);
    chat_handler(client_socket);
    close(client_socket);
    return 0;
}

效果演示

select服务器

客户端Ⅰ

客户端Ⅱ