Linux_网络编程

网络编程
TCP/IP 四层协议

OSI七层协议模型 (open system interconnection)
应用层————为应用数据提供服务
表示层————数据格式转化，数据加密
会话层————建立、维护和管理会话
传输层————建立、维护和管理端到端的链接，控制数据传输的方式
网络层————数据传输线路选择，IP地址及路由选择
数据链路层———物理通路的发送和数据包的划分，附加Mac地址到数据包
物理层———01比特流的转换
数据传输由顶向下，下层为上层提供服务

TCP/IP四层协议模型
应用层———负责处理特定的应用程序细节, 如ftp,http ,smtp,ssh 等
运输层———主要为两台主机上的应用提供端到端的通信, 如TCP，UDP。
网络层（互联网层）———处理分组在网络中的活动，比如分组的选路。
链路层（数据链路层/网络接口层）———包括操作系统中的设备驱动程序、计算机中对应的 网络接口卡,01比特流的转换

协议封装
下层协议通过封装为上层协议提供服务。应用程序数据在发送到物理网络上之前，将沿着协议栈从上往下依次传递。每层协议都将在上层数据的基础上加上自己的头部信息（有时也包括尾部信息），以实现该层的功能。

TCP 协议头部

源端口号和目的端口号：再加上Ip首部的源IP地址和目的IP地址可以唯一确定一个TCP连接
数据序号：表示在这个报文段中的第一个数据字节序号
确认序号：仅当ACK标志为1时有效。确认号表示期望收到的下一个字节的序号（这个下面再详细分析）
偏移：就是头部长度，有4位，跟IP头部一样，以4字节为单位。最大是60个字节
保留位：6位，必须为0
6个标志位：
URG-紧急指针有效
ACK-确认序号有效
PSH-接收方应尽快将这个报文交给应用层
RST-连接重置
SYN-同步序号用来发起一个连接
FIN-终止一个连接
窗口字段：16位，代表的是窗口的字节容量，也就是TCP的标准窗口最大为2^16 - 1 = 65535个字节
校验和：源机器基于数据内容计算一个数值，收信息机要与源机器数值 结果完全一样，从而证明数据的有效性。检验和覆盖了整个的TCP报文段：这是一个强制性的字段，一定是由发送端计算和存储，并由接收端进行验证的。
紧急指针：是一个正偏移量，与序号字段中的值相加表示紧急数据最后一个字节的序号。TCP的紧急方式是发送端向另一端发送紧急数据的一种方式
选项与填充（必须为4字节整数倍，不够补0）：
最常见的可选字段的最长报文大小MSS（Maximum Segment Size），每个连接方通常都在一个报文段中指明这个选项。它指明本端所能接收的最大长度的报文段。
该选项如果不设置，默认为536（20+20+536=576字节的IP数据报）

三次握手
（1）男孩喜欢女孩，于是写了一封信告诉女孩：我喜欢你，请和我交往吧！写完信之后，男孩焦急地等待，因为不知道信能否顺利传达给女孩。
（2）女孩收到男孩的情书后，心花怒放，原来我们是两情相悦呀！于是给男孩写了一封回信：我收到你的情书了，也明白了你的心意，其实，我也喜欢你！我愿意和你交往！;
写完信之后，女孩也焦急地等待，因为不知道回信能否能顺利传达给男孩。
（3）男孩收到回信之后很开心，因为发出的情书女孩收到了，并且从回信中知道了女孩喜欢自己，并且愿意和自己交往。然后男孩又写了一封信告诉女孩：你的心意和信我都收到了，谢谢你，还有我爱你！
女孩收到男孩的回信之后，也很开心，因为发出的情书男孩收到了。由此男孩女孩双方都知道了彼此的心意，之后就快乐地交流起来了~~

所谓的三次握手即TCP连接的建立。这个连接必须是一方主动打开，另一方被动打开的。

（1）首先客户端向服务器端发送一段TCP报文，其中：
标记位为SYN，表示“请求建立新连接”;序号为Seq=X（X一般为1）；随后客户端进入SYN-SENT阶段。

（2）服务器端接收到来自客户端的TCP报文之后，结束LISTEN阶段。并返回一段TCP报文，其中：
标志位为SYN和ACK，表示“确认客户端的报文Seq序号有效，服务器能正常接收客户端发送的数据，并同意创建新连接”（即告诉客户端，服务器收到了你的数据）；序号为Seq=y；确认号为Ack=x+1，表示收到客户端的序号Seq并将其值加1作为自己确认号Ack的值；随后服务器端进入SYN-RCVD阶段。

（3）客户端接收到来自服务器端的确认收到数据的TCP报文之后，明确了从客户端到服务器的数据传输是正常的，结束SYN-SENT阶段。并返回最后一段TCP报文。其中：
标志位为ACK，表示“确认收到服务器端同意连接的信号”（即告诉服务器，我知道你收到我发的数据了）；序号为Seq=x+1，表示收到服务器端的确认号Ack，并将其值作为自己的序号值；确认号为Ack=y+1，表示收到服务器端序号Seq，并将其值加1作为自己的确认号Ack的值；随后客户端进入ESTABLISHED阶段。服务器收到来自客户端的“确认收到服务器数据”的TCP报文之后，明确了从服务器到客户端的数据传输是正常的。结束SYN-SENT阶段，进入ESTABLISHED阶段。
在客户端与服务器端传输的TCP报文中，双方的确认号Ack和序号Seq的值，都是在彼此Ack和Seq值的基础上进行计算的，这样做保证了TCP报文传输的连贯性。一旦出现某一方发出的TCP报文丢失，便无法继续"握手"，以此确保了"三次握手"的顺利完成。

滑动窗口
维持发送方/接收方缓冲区,缓冲区是用来解决网络之间数据不可靠的问题，例如丢包，重复包，出错，乱序。在TCP协议中，发送方和接受方通过各自维护自己的缓冲区。通过商定包的重传机制等一系列操作，来解决不可靠的问题。

问题一：如果你是TCP设计者，如何保证数据包依次序传输？
解决方案： 发送 <=> 确认机制

问题二： 采用问题一的解决方案会带来效率上的弊端，数据包在网络上的传输需要时间
解决方案: 一次发送多个包，同时确认多个

问题三: 我们每次需要发多少个包过去呢？发送多少包是最优解呢？

正常情况
我们能不能把第一个和第二个包发过去后，收到第一个确认包就把第三个包发过去呢？而不
是去等到第二个包的确认包才去发第三个包。这样就很自然的产生了我们"滑动窗口"的实
现。

在图中，我们可看出灰色1号2号3号包已经发送完毕，并且已经收到Ack。这些包就已经
是过去式。4、5、6、7号包是黄色的，表示已经发送了。但是并没有收到对方的Ack，所以
也不知道接收方有没有收到。8、9、10号包是绿色的。是我们还没有发送的。这些绿色也
就是我们接下来马上要发送的包。 可以看出我们的窗口正好是7格。后面的11-16还没有
被读进内存。要等4号-10号包有接下来的动作后，我们的包才会继续往下发送。

可以看到4号包对方已经被接收到，所以被涂成了灰色。“窗口”就往右移一格，这里只要
保证“窗口”是7格的。 我们就把11号包读进了我们的缓存。进入了“待发送”的状态。
8、9号包已经变成了黄色，表示已经发送出去了。接下来的操作就是一样的了，确认包后，
窗口往后移继续将未发送的包读进缓存，把“待发送“状态的包变为”已发送“。

丢包情况
有可能我们包发过去，对方的Ack丢了。也有可能我们的包并没有发送过去。从发送方角度
看就是我们没有收到Ack。

一般情况：一直在等Ack。如果一直等不到的话，我们也会把读进缓存的待发送的包也一
起发过去。但是，这个时候我们的窗口已经发满了。所以并不能把12号包读进来，而是始
终在等待5号包的Ack。

一般情况：一直在等Ack。如果一直等不到的话，我们也会把读进缓存的待发送的包也一
起发过去。但是，这个时候我们的窗口已经发满了。所以并不能把12号包读进来，而是始
终在等待5号包的Ack。

如果我们这个Ack始终不来怎么办呢？ 采用超时重传机制解决:
发送端每发送一个报文段，就启动一个定时器并等待确认信息；接收端成功接收新数据后返回确认信息。若在定时器超时前数据未能被确认，TCP就认为报文段中的数据已丢失或损坏，需要对报文段中的数据重新组织和重传。(重传超时时间: RTO)

四次挥手

1.客户端发送断开TCP连接请求的报文，其中报文中包含seq序列号，是由发送端随机生成的，并且还将报文中的FIN字段置为1，表示需要断开TCP连接。（FIN=1，seq=x，x由客户端随机生成）

2.服务端会回复客户端发送的TCP断开请求报文，其包含seq序列号，是由回复端随机生成的，而且会产生ACK字段，ACK字段数值是在客户端发过来的seq序列号基础上加1进行回复，以便客户端收到信息时，知晓自己的TCP断开请求已经得到验证。（FIN=1，ACK=x+1，seq=y，y由服务端随机生成）

3.服务端在回复完客户端的TCP断开请求后，不会马上进行TCP连接的断开，服务端会先确保断开前，所有传输到A的数据是否已经传输完毕，一旦确认传输数据完毕，就会将回复报文的FIN字段置1，并且产生随机seq序列号。（FIN=1，ACK=x+1，seq=z，z由服务端随机生成）

4.客户端收到服务端的TCP断开请求后，会回复服务端的断开请求，包含随机生成的seq 字段和ACK字段，ACK字段会在服务端的TCP断开请求的seq基础上加1，从而完 成服务端请求的验证回复。（FIN=1，ACK=z+1，seq=h，h为客户端随机生成）

至此TCP断开的4次挥手过程完毕。

分包和粘包

TCP分包
场景：发送方发送字符串”helloworld”，接收方却分别接收到了两个数据包：字符串”hello”和”world”
发送端发送了数量较多的数据，接收端读取数据时候数据分批到达，造成一次发送多次读取；

造成分包的原因：
TCP是以段（Segment）为单位发送数据的,建立TCP链接后,有一个最大消息长度（MSS）.如果应用层数据包超过MSS,就会把应用层数据包拆分,分成两个段来发送. 这个时候接收端的应用层就要拼接这两个TCP包，才能正确处理数据。相关的,路由器有一个MTU（ 最大传输单元）一般是1500字节,除去IP头部20字节,留给TCP的就只有MTU-20字节。所以一般TCP的MSS为MTU-20=1460字节 当应用层数据超过1460字节时,TCP会分多个数据包来发送。

TCP 粘包
场景：发送方发送字符串”helloworld”，接收方却接收到了两个字符串”hello”和”world”
发送端发送了几次数据，接收端一次性读取了所有数据，造成多次发送一次读取；通常是网络流量优化，把多个小的数据段集满达到一定的数据量，从而减少网络链路中的传输次数

造成TCP粘包的原因：
TCP为了提高网络的利用率,会使用一个叫做Nagle的算法.该算法是指,发送端即使有要发送的数据,如果很少的话,会延迟发送.如果应用层给TCP传送数据很快的话,就会把两个应用层数据包“粘”在一起,TCP最后只发一个TCP数据包给接收端.

分包和粘包解决方案：
发送数据前，给数据附加两字节的长度：
4字节 N个字节
FBEB 数据长度N 数据内容

1. 包标识： 包头部的特殊标识，用来标识包的开始
2. 数据长度：数据包的大小，固定长度,2、4 或者8字节。
3. 数据内容：数据内容，长度为数据头定义的长度大小。

实际操作如下：
a）发送端：先发送包表示和长度，再发送数据内容。
b）接收端：先解析本次数据包的大小N，再读取N个字节，这N个字节就是一个完整的数据内容。

具体流程如下：

UDP通信

1. TCP与UDP
   当使用网络套接字通信时，
   套接字的“域”都取AF_INET;
   套接字的type：
   SOCK_STREAM 此时，默认使用TCP协议进行通信。
   SOCK_DGRAM 此时，默认使用UDP协议进行通信。

   TCP通信，是一个有序的、可靠的、面向连接的
   UDP通信，是不保证有序到达的数据报服务。（在局域网内，使用UDP已很可靠）

2. 使用UDP通信
   与TCP通信使用上的区别：
   1）创建套接字时的type(参数2）不同。
   TCP通信，使用SOCK_STREAM
   UDP通信，使用SOCK_DGRAM

   2）发送数据和接收数据时，使用的接口不同
   TCP通信，发送数据，使用write（或send）
   接收数据，使用read（或recv）
   UDP特性，发送数据，使用sendto
   接收数据，服务器端使用recvfrom
   客户端使用recv

3）不需要使用listen

4）不需要先建立连接(TCP客户端和服务器端分别使用connect和receive建立连接)

步骤总结：
基于UDP的网络套接字通信
服务器端
(1) 创建一个网络套接字
(2) 设置服务器地址
(3) 绑定该套接字，使得该套接字和对应的端口关联起来
(4) 循环处理客户端请求使用recvfrom等待接收客户端发送的数据使用sendto发送数据至客户端

客户端
(1) 创建一个套接字
(2) 设置服务器地址
(3) 使用sendto向服务器端（接收端）发送数据
(4) 使用recv接受数据

3. sendto与recvfrom、recv
   1. sendto
      功能：UDP服务器或客户端用于发送数据
      原型：int sendto (int sockfd, // 套接字
      void *buff, // 发送缓存区
      size_t len, // 发送缓冲区的长度
      init flags, // 标志，一般取0
      struct sockaddr *to, // 目的主机地址
      socklen_t tolen // 目的主机地址长度
      );
      返回值：成功，返回实际发送数据的字节数
      失败，返回-1

2. recvfrom
   功能：UDP服务器用于接收数据
   原型： 与sendto类似。
   int recvfrom (int sockfd, // 套接字
   void *buff, // 接收缓存区
   size_t len, // 接受缓冲区的长度
   init flags, // 标志，一般取0
   struct sockaddr *to, // 源主机地址
   socklen_t *tolen // 源主机地址长度
   );
   注意：参数6必须要初始化为对应地址的长度！

3. recv
   功能：UDP客户端用于接收数据
   原型： ssize_t recv (int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
   注意： 该调用的参数不需要指定地址。

因为当使用udp时，对应的套接字被自动绑定在一个短暂的动态的端口上。

实例1: 服务器接收、客户端发送
client1.c

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

#define BUFF_SIZE 1024

int main(void)
{
	int sockfd;
	struct sockaddr_in server_addr;
	int ret;
	int c;
	char buff[BUFF_SIZE];

	// 创建一个套接字
	sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

	// 设置服务器地址
	server_addr.sin_family = AF_INET;
	server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("10.10.0.9");
	server_addr.sin_port = htons(9000);

       // 向服务器发送数据
       strcpy(buff, "hello world");
       ret = sendto(sockfd, buff, strlen(buff) + 1, 0, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));
	if (ret == -1) {
		perror("sendto");
		exit(errno);
	}

	printf("ret = %d\n", ret);
	
	
	return 0;	
}

server1.c

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

#define BUFF_SIZE 1024

int main(void)
{
	int server_sockfd;
	int client_sockfd;
	char ch;
	int ret;
	int recv_len;
	char buff[BUFF_SIZE];

	 //用于UNIX系统内部通信的地址， struct sockaddr_un
	struct sockaddr_in server_addr;
	struct sockaddr_in client_addr;
	int client_addr_len =sizeof(struct sockaddr_in);
	
	server_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

	// 设置服务器地址
	server_addr.sin_family = AF_INET;  //地址的域，相当于地址的类型, AF_UNIX表示地址位于UNIX系统内部
	server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;  //inet_addr("10.10.0.9");
	server_addr.sin_port = htons(9000);

	// 绑定该套接字，使得该套接字和对应的系统套接字文件关联起来。
	ret = bind(server_sockfd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));
	if (ret == -1) {
		perror("bind");
		exit(1);
	}

	// 创建套接字队列， 保存进入该服务器的客户端请求。
	//ret = listen(server_sockfd, 5);

	// 循环处理客户端请求
	while (1) {

		printf("server waiting\n");
		
		// 等待并接收客户端请求
		//client_sockfd = accept(server_sockfd,  (struct sockaddr*)&client_addr, &client_addr_len);
              recv_len = recvfrom(server_sockfd, buff, sizeof(buff) , 0, 
                                           (struct sockaddr*)&client_addr, &client_addr_len);
		if (recv_len < 0) {
			perror("recvfrom");
			exit(errno);
		}

		printf("received: %s\n", buff);	
	}

	close(server_sockfd);

	return 0;	
}

实例2：服务器收发、客户方发送、接收。
client2.c

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

#define BUFF_SIZE 1024

int main(void)
{
	int sockfd;
	struct sockaddr_in server_addr;
	int ret;
	int c;
	char buff[BUFF_SIZE];
	socklen_t addr_len;

	// 创建一个套接字
	sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

	// 设置服务器地址
	server_addr.sin_family = AF_INET;
	server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("10.10.0.99");
	server_addr.sin_port = htons(9000);
	
       // 向服务器发送数据
       strcpy(buff, "hello world");
       ret = sendto(sockfd, buff, strlen(buff) + 1, 0, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));
	if (ret == -1) {
		perror("sendto");
		exit(errno);
	}

	printf("send %d bytes\n", ret);

	ret = recv(sockfd, buff, sizeof(buff), 0);
	if (ret == -1) {
		perror("recvfrom");
		exit(errno);
	}

	printf("received %d bytes\n", ret);
	printf("received: %s\n", buff);	
	
	return 0;	
}

server2.c

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

#define BUFF_SIZE 1024

static void str2up(char *str)
{
	while(*str) {
		if (*str >= 'a'  && *str <= 'z') {
			*str = *str - 'a' + 'A';
		}

		str++;
	}
}

int main(void)
{
	int server_sockfd;
	int client_sockfd;
	char ch;
	int ret;
	int recv_len;
	int send_len;
	char buff[BUFF_SIZE];

	 //用于UNIX系统内部通信的地址， struct sockaddr_un
	struct sockaddr_in server_addr;
	struct sockaddr_in client_addr;
	int client_addr_len = sizeof(struct sockaddr_in);
	
	server_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

	// 设置服务器地址
	server_addr.sin_family = AF_INET;  //地址的域，相当于地址的类型, AF_UNIX表示地址位于UNIX系统内部
	server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;  //inet_addr("10.10.0.9");
	server_addr.sin_port = htons(9000);

	// 绑定该套接字，使得该套接字和对应的系统套接字文件关联起来。
	ret = bind(server_sockfd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));
	if (ret == -1) {
		perror("bind");
		exit(1);
	}

	// 创建套接字队列， 保存进入该服务器的客户端请求。
	//ret = listen(server_sockfd, 5);

	// 循环处理客户端请求
	while (1) {

		printf("server waiting\n");
		
		// 等待并接收客户端请求
		//client_sockfd = accept(server_sockfd,  (struct sockaddr*)&client_addr, &client_addr_len);
              recv_len = recvfrom(server_sockfd, buff, sizeof(buff) , 0, 
                                           (struct sockaddr*)&client_addr, &client_addr_len);
		if (recv_len < 0) {
			perror("recvfrom");
			exit(errno);
		}

		printf("received: %s\n", buff);	

		str2up(buff);
		send_len = sendto(server_sockfd, buff, strlen(buff)+1, 0,
			                    (struct sockaddr*)&client_addr, client_addr_len);
		if (send_len == -1) {
			perror("sendto");
			exit(errno);
		}

		//printf("send_len=%d\n", send_len);                  
	}

	close(server_sockfd);

	return 0;	
}

同步IO和异步IO
场景1： 小明去打开水，而开水塔此时没有水，小明在现场一直等待开水到来，或者不断的轮询查看是否有开水，直到有开水取到水为止，这是同步IO的一种案例！

同步IO的特点：
同步IO指的是用户进程触发I/O操作并等待或者轮询的去查看I/O操作是否就绪。
同步IO的执行者是IO操作的发起者。
同步IO需要发起者进行内核态到用户态的数据拷贝过程，所以这里必须阻塞

场景2： 小明去打开水，而开水塔此时没有水，开水塔的阿姨叫小明把水壶放到现场，来水后会帮他打好水，并打电话叫他来取，这是异步IO的一种案例！

异步IO的特点：
异步IO是指用户进程触发I/O操作以后就立即返回，继续开始做自己的事情，而当I/O操作已经完成的时候会得到I/O完成的通知。
异步IO的执行者是内核线程，内核线程将数据从内核态拷贝到用户态，所以这里没有阻塞

五种网络IO模式
　对于一次IO访问（以read为例），数据会先被拷贝到操作系统内核的缓冲区中，然后才会从操作系统内核的缓冲区拷贝到应用程序的地址空间。所以说，当一个read操作发生时，会经历两个阶段：
　　1、等待数据准备
2、将数据从内核拷贝到进程中

linux系统产生了下面五种网络模式的方案：
　　1、阻塞IO（blocking IO）
　　2、非阻塞IO（nonblocking IO）
　　3、IO多路复用（IO multiplexing）
　　4、信号驱动IO（signal driven IO）不常用
5、异步IO （asynchronous IO）

阻塞IO
小明同学急用开水，打开水时发现开水龙头没水，他一直等待直到装满水然后离开。这一过程就可以看成是使用了阻塞IO模型，因为如果水龙头没有水，他也要等到有水并装满杯子才能离开去做别的事情。很显然，这种IO模型是同步的。
在linux 中，默认情况下所有的socket都是blocking IO, 一个典型的读操作流程：

非阻塞IO
小明同学又一次急用开水，打开水龙头后发现没有水，因为还有其它急事他马上离开了，过一会他又拿着杯子来看看……在中间离开的这些时间里，小明同学离开了装水现场(回到用户进程空间)，可以做他自己的事情。这就是非阻塞IO模型。但是它只有是检查无数据的时候是非阻塞的，在数据到达的时候依然要等待复制数据到用户空间(等着水将水杯装满)，因此它还是同步IO。

当用户线程发起一个read操作后，并不需要等待，而是马上就得到了一个结果。如果结果是一个error时，它就知道数据还没有准备好，于是它可以再次发送read操作。一旦内核中的数据准备好了，并且又再次收到了用户线程的请求，那么它马上就将数据拷贝到了用户线程，然后返回。

所以事实上，在非阻塞IO模型中，用户线程需要不断地询问内核数据是否就绪，也就说非阻塞IO不会交出CPU，而会一直占用CPU。
典型的非阻塞IO模型一般如下：

设置非阻塞常用方式：
方式一: 创建socket 时指定
int s = socket(AF_INET, SOCK_STREAM | SOCK_NONBLOCK, IPPROTO_TCP);

方式二: 在使用前通过如下方式设定
fcntl(sockfd, F_SETFL, fcntl(sockfd, F_GETFL, 0) | O_NONBLOCK);

IO多路复用
有一天，学校里面优化了热水的供应，增加了很多水龙头，这个时候小明同学再去装水，舍管阿姨告诉他这些水龙头都还没有水，你可以去忙别的了，等有水了告诉他。于是等啊等(select调用中)，过了一会阿姨告诉他有水了。

这里有两种情况：
情况1: 阿姨只告诉来水了，但没有告诉小明是哪个水龙头来水了，要自己一个一个去尝试。(select/poll 场景)

情况2: 舍管阿姨会告诉小明同学哪几个水龙头有水了，小明同学不需要一个个打开看(epoll 场景)

当用户进程调用了select，那么整个进程就会被block，而同时，kernel会 “监视”所有select负责的socket，当任何一个socket中的数据准备好了，select就会返回。这个时候用户进程再调用read操作，将数据从kernel拷贝到用户进程。所以，IO多路复用的特点是通过一种机制，一个进程能同时等待多个文件描述符，而这些文件描述符（套接字描述符）其中的任意一个进入就绪状态，select()函数就可以返回。
这里需要使用两个system call（select 和 recvfrom），而blocking IO只调用了一个system call（recvfrom）。但是，用select的优势在于它可以同时处理多个connection。如果处理的连接数不是很高的话，使用select/epoll的web server不一定比使用mutil-threading + blocking IO的web server性能更好，可能延迟还更大。select/epoll 的优势并不是对于单个连接能处理得更好，而是在于能同时处理更多的连接。

SELECT
在一段指定的时间内，监听用户感兴趣的文件描述符上可读、可写和异常等事件。
#include
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
nfds ： 最大的文件描述符加1。
readfds： 用于检查可读的。
writefds：用于检查可写性。
exceptfds：用于检查异常的数据。
timeout：一个指向timeval结构的指针，用于决定select等待I/o的最长时间。如果为空将一直等待。

timeval结构的定义：
struct timeval{
long tv_sec; // seconds
long tv_usec; // microseconds
};

返回值： >0 是已就绪的文件句柄的总数， =0 超时, <0 表示出错，错误: errno

#include
int FD_ZERO(fd_set *fdset); //一个 fd_set类型变量的所有位都设为 0
int FD_CLR(int fd, fd_set *fdset); //清除某个位时可以使用
int FD_SET(int fd, fd_set *fd_set); //设置变量的某个位置位
int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset); //测试某个位是否被置位

经典案例:
服务器端 server.c

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

int main()
{
    int server_sockfd, client_sockfd;
    int server_len, client_len;
    struct sockaddr_in server_address;
    struct sockaddr_in client_address;
    int result;
    fd_set readfds, testfds;
    server_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);//建立服务器端socket 
    server_address.sin_family = AF_INET;
    server_address.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    server_address.sin_port = htons(9000);
    server_len = sizeof(server_address);
    bind(server_sockfd, (struct sockaddr*)&server_address, server_len);
    listen(server_sockfd, 5); //监听队列最多容纳5个 
    FD_ZERO(&readfds);
    FD_SET(server_sockfd, &readfds);//将服务器端socket加入到集合中
    while (1)
    {
        char ch;
        int fd;
        int nread;
        testfds = readfds;//将需要监视的描述符集copy到select查询队列中，select会对其修改，所以一定要分开使用变量 
        printf("server waiting\n");

        /*无限期阻塞，并测试文件描述符变动 */
        result = select(FD_SETSIZE, &testfds, (fd_set*)0, (fd_set*)0, (struct timeval*)0); //FD_SETSIZE：系统默认的最大文件描述符
        if (result < 1)
        {
            perror("server5");
            exit(1);
        }

        /*扫描所有的文件描述符*/
        for (fd = 0; fd < FD_SETSIZE; fd++)
        {
            /*找到相关文件描述符*/
            if (FD_ISSET(fd, &testfds))
            {
                /*判断是否为服务器套接字，是则表示为客户请求连接。*/
                if (fd == server_sockfd)
                {
                    client_len = sizeof(client_address);
                    client_sockfd = accept(server_sockfd,
                        (struct sockaddr*)&client_address, &client_len);
                    FD_SET(client_sockfd, &readfds);//将客户端socket加入到集合中
                    printf("adding client on fd %d\n", client_sockfd);
                }
                /*客户端socket中有数据请求时*/
                else
                {
                    ioctl(fd, FIONREAD, &nread);//取得数据量交给nread

                    /*客户数据请求完毕，关闭套接字，从集合中清除相应描述符 */
                    if (nread == 0)
                    {
                        close(fd);
                        FD_CLR(fd, &readfds); //去掉关闭的fd
                        printf("removing client on fd %d\n", fd);
                    }
                    /*处理客户数据请求*/
                    else
                    {
                        read(fd, &ch, 1);
                        sleep(5);
                        printf("serving client on fd %d\n", fd);
                        ch++;
                        write(fd, &ch, 1);
                    }
                }
            }
        }
    }

    return 0;
}

客户端

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

int main()
{
    int client_sockfd;
    int len;
    struct sockaddr_in address;//服务器端网络地址结构体 
    int result;
    char ch = 'A';
    client_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);//建立客户端socket 
    address.sin_family = AF_INET;
    address.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
    address.sin_port = htons(9000);
    len = sizeof(address);
    result = connect(client_sockfd, (struct sockaddr*)&address, len);
    if (result == -1)
    {
        perror("oops: client2");
        exit(1);
    }
    //第一次读写
    write(client_sockfd, &ch, 1);
    read(client_sockfd, &ch, 1);
    printf("the first time: char from server = %c\n", ch);
    sleep(5);

    //第二次读写
    write(client_sockfd, &ch, 1);
    read(client_sockfd, &ch, 1);
    printf("the second time: char from server = %c\n", ch);

    close(client_sockfd);

    return 0;
}

POLL
和select 一样，如果没有事件发生，则进入休眠状态，如果在规定时间内有事件发生，则返回成功，规定时间过后仍然没有事件发生则返回失败。可见，等待期间将进程休眠，利用事件驱动来唤醒进程，将更能提高CPU的效率。
poll 和select 区别： select 有文件句柄上线设置，值为FD_SETSIZE，而poll 理论上没有限制!
#include
int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);

输入参数：
fds：//可以传递多个结构体，也就是说可以监测多个驱动设备所产生的事件，只要有一个产生了请求事件，就能立即返回
struct pollfd {
int fd; /文件描述符 open打开的那个/
short events; /请求的事件类型，监视驱动文件的事件掩码/ POLLIN | POLLOUT
short revents; /驱动文件实际返回的事件/
};
nfds: //监测驱动文件的个数
timeout://超时时间，单位是ms

事件类型events 可以为下列值：
POLLIN 有数据可读
POLLRDNORM 有普通数据可读，等效与POLLIN
POLLPRI 有紧迫数据可读
POLLOUT 写数据不会导致阻塞
POLLER 指定的文件描述符发生错误
POLLHUP 指定的文件描述符挂起事件
POLLNVAL 无效的请求，打不开指定的文件描述符
返回值：
有事件发生 返回revents域不为0的文件描述符个数
超时：return 0
失败：return -1 错误：errno

服务器端 server_poll.c

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

#define MAX_FD  8192
struct pollfd  fds[MAX_FD];
int cur_max_fd = 0;


int main()
{
    int server_sockfd, client_sockfd;
    int server_len, client_len;
    struct sockaddr_in server_address;
    struct sockaddr_in client_address;
    int result;
    //fd_set readfds, testfds;
    server_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);//建立服务器端socket
    server_address.sin_family = AF_INET;
    server_address.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    server_address.sin_port = htons(9000);
    server_len = sizeof(server_address);
    bind(server_sockfd, (struct sockaddr*)&server_address, server_len);
    listen(server_sockfd, 5); //监听队列最多容纳5个
    //FD_ZERO(&readfds);
    //FD_SET(server_sockfd, &readfds);//将服务器端socket加入到集合中
    fds[server_sockfd].fd = server_sockfd;
    fds[server_sockfd].events = POLLIN;
    fds[server_sockfd].revents = 0;
    if(cur_max_fd <= server_sockfd)
    {
        cur_max_fd = server_sockfd + 1;
    }


    while (1)
    {
        char ch;
        int i, fd;
        int nread;
        //testfds = readfds;//将需要监视的描述符集copy到select查询队列中，select会对其修改，所以一定要分开使用变量
        printf("server waiting\n");

        /*无限期阻塞，并测试文件描述符变动 */
        result = poll(fds, cur_max_fd, 1000);
        //result = select(FD_SETSIZE, &testfds, (fd_set*)0, (fd_set*)0, (struct timeval*)0); //FD_SETSIZE：系统默认的最大文件描述符
        if (result < 0)
        {
            perror("server5");
            exit(1);

        }
        /*扫描所有的文件描述符*/
        for (i = 0; i < cur_max_fd; i++)
        {

            /*找到相关文件描述符*/
            if (fds[i].revents)
            {
                fd = fds[i].fd;
                /*判断是否为服务器套接字，是则表示为客户请求连接。*/
                if (fd == server_sockfd)
                {
                    client_len = sizeof(client_address);
                    client_sockfd = accept(server_sockfd,
                        (struct sockaddr*)&client_address, &client_len);
                    fds[client_sockfd].fd = client_sockfd;//将客户端socket加入到集合中
                    fds[client_sockfd].events = POLLIN;
                    fds[client_sockfd].revents = 0;


                    if(cur_max_fd <= client_sockfd)
                    {
                        cur_max_fd = client_sockfd + 1;
                    }

                    printf("adding client on fd %d\n", client_sockfd);
                    //fds[server_sockfd].events = POLLIN;
                }
                /*客户端socket中有数据请求时*/
                else
                {
                    //ioctl(fd, FIONREAD, &nread);//取得数据量交给nread
                    nread = read(fd, &ch, 1);
                    /*客户数据请求完毕，关闭套接字，从集合中清除相应描述符 */
                    if (nread == 0)
                    {
                        close(fd);
                        memset(&fds[i], 0, sizeof(struct pollfd)); //去掉关闭的fd
                        printf("removing client on fd %d\n", fd);
                    }
                    /*处理客户数据请求*/
                    else
                    {
                        //read(fds[fd].fd, &ch, 1);
                        sleep(5);
                        printf("serving client on fd %d, read: %c\n", fd, ch);
                        ch++;
                        write(fd, &ch, 1);
                        //fds[fd].events = POLLIN;
                    }
                }
            }
        }
    }

    return 0;
}

EPOLL










epoll_web_server.c

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

//    int fd;
typedef struct _ConnectStat  ConnectStat;

typedef void(*response_handler) (ConnectStat * stat);

struct _ConnectStat {
	int fd;
	char name[64];
	char  age[64];
	struct epoll_event _ev;
	int  status;//0 -未登录   1 - 已登陆
	response_handler handler;//不同页面的处理函数
};

//http协议相关代码
ConnectStat * stat_init(int fd);
void connect_handle(int new_fd);
void do_http_respone(ConnectStat * stat);
void do_http_request(ConnectStat * stat);
void welcome_response_handler(ConnectStat * stat);
void commit_respone_handler(ConnectStat * stat);


const char *main_header = "HTTP/1.0 200 OK\r\nServer: Martin Server\r\nContent-Type: text/html\r\nConnection: Close\r\n";

static int epfd = 0;

void usage(const char* argv)
{
	printf("%s:[ip][port]\n", argv);
}

void set_nonblock(int fd)
{
	int fl = fcntl(fd, F_GETFL);
	fcntl(fd, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK);
}

int startup(char* _ip, int _port)  //创建一个套接字，绑定，检测服务器
{
	//sock
	//1.创建套接字
	int sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	if (sock < 0)
	{
		perror("sock");
		exit(2);
	}

	int opt = 1;
	setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));

	//2.填充本地 sockaddr_in 结构体（设置本地的IP地址和端口）
	struct sockaddr_in local;
	local.sin_port = htons(_port);
	local.sin_family = AF_INET;
	local.sin_addr.s_addr = inet_addr(_ip);

	//3.bind（）绑定
	if (bind(sock, (struct sockaddr*)&local, sizeof(local)) < 0)
	{
		perror("bind");
		exit(3);
	}
	//4.listen（）监听 检测服务器
	if (listen(sock, 5) < 0)
	{
		perror("listen");
		exit(4);
	}
	//sleep(1000);
	return sock;    //这样的套接字返回
}

int main(int argc, char *argv[])
{
	if (argc != 3)     //检测参数个数是否正确
	{
		usage(argv[0]);
		exit(1);
	}

	int listen_sock = startup(argv[1], atoi(argv[2]));      //创建一个绑定了本地 ip 和端口号的套接字描述符


	//1.创建epoll    
	epfd = epoll_create(256);    //可处理的最大句柄数256个
	if (epfd < 0)
	{
		perror("epoll_create");
		exit(5);
	}

	struct epoll_event _ev;       //epoll结构填充 
	ConnectStat * stat = stat_init(listen_sock);
	_ev.events = EPOLLIN;         //初始关心事件为读
	_ev.data.ptr = stat;
	//_ev.data.fd = listen_sock;    //  

	//2.托管
	epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, listen_sock, &_ev);  //将listen sock添加到epfd中，关心读事件

	struct epoll_event revs[64];

	int timeout = -1;
	int num = 0;
	int done = 0;

	while (!done)
	{
		//epoll_wait()相当于在检测事件
		switch ((num = epoll_wait(epfd, revs, 64, timeout)))  //返回需要处理的事件数目  64表示 事件有多大
		{
		case 0:                  //返回0 ，表示监听超时
			printf("timeout\n");
			break;
		case -1:                 //出错
			perror("epoll_wait");
			break;
		default:                 //大于零 即就是返回了需要处理事件的数目
		{
			struct sockaddr_in peer;
			socklen_t len = sizeof(peer);

			int i;
			for (i = 0; i < num; i++)
			{
				ConnectStat * stat = (ConnectStat *)revs[i].data.ptr;

				int rsock = stat->fd; //准确获取哪个事件的描述符
				if (rsock == listen_sock && (revs[i].events) && EPOLLIN) //如果是初始的 就接受，建立链接
				{
					int new_fd = accept(listen_sock, (struct sockaddr*)&peer, &len);

					if (new_fd > 0)
					{
						printf("get a new client:%s:%d\n", inet_ntoa(peer.sin_addr), ntohs(peer.sin_port));
						//sleep(1000);
						connect_handle(new_fd);
					}
				}
				else // 接下来对num - 1 个事件处理
				{
					if (revs[i].events & EPOLLIN)
					{
						do_http_request((ConnectStat *)revs[i].data.ptr);
					}
					else if (revs[i].events & EPOLLOUT)
					{
						do_http_respone((ConnectStat *)revs[i].data.ptr);
					}
					else
					{
					}
				}
			}
		}
		break;
		}//end switch
	}//end while
	return 0;
}


ConnectStat * stat_init(int fd) {
	ConnectStat * temp = NULL;
	temp = (ConnectStat *)malloc(sizeof(ConnectStat));

	if (!temp) {
		fprintf(stderr, "malloc failed. reason: %m\n");
		return NULL;
	}

	memset(temp, '\0', sizeof(ConnectStat));
	temp->fd = fd;
	temp->status = 0;
	//temp->handler = welcome_response_handler;

}

//初始化连接，然后等待浏览器发送请求
void connect_handle(int new_fd) {
	ConnectStat *stat = stat_init(new_fd);
	set_nonblock(new_fd);

	stat->_ev.events = EPOLLIN;
	stat->_ev.data.ptr = stat;

	epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, new_fd, &stat->_ev);    //二次托管

}

void do_http_respone(ConnectStat * stat) {
	stat->handler(stat);
}

void do_http_request(ConnectStat * stat) {

	//读取和解析http 请求
	char buf[4096];
	char * pos = NULL;
	//while  header \r\n\r\ndata
	ssize_t _s = read(stat->fd, buf, sizeof(buf) - 1);
	if (_s > 0)
	{
		buf[_s] = '\0';
		printf("receive from client:%s\n", buf);

		pos = buf;

		//Demo 仅仅演示效果，不做详细的协议解析
		if (!strncasecmp(pos, "GET", 3)) {
			stat->handler = welcome_response_handler;
		}
		else if (!strncasecmp(pos, "Post", 4)) {
			//获取 uri
			printf("---Post----\n");
			pos += strlen("Post");
			while (*pos == ' ' || *pos == '/') ++pos;

			if (!strncasecmp(pos, "commit", 6)) {//获取名字和年龄
				int len = 0;

				printf("post commit --------\n");
				pos = strstr(buf, "\r\n\r\n");
				char *end = NULL;
				if (end = strstr(pos, "name=")) {
					pos = end + strlen("name=");
					end = pos;
					while (('a' <= *end && *end <= 'z') || ('A' <= *end && *end <= 'Z') || ('0' <= *end && *end <= '9'))	end++;
					len = end - pos;
					if (len > 0) {
						memcpy(stat->name, pos, end - pos);
						stat->name[len] = '\0';
					}
				}

				if (end = strstr(pos, "age=")) {
					pos = end + strlen("age=");
					end = pos;
					while ('0' <= *end && *end <= '9')	end++;
					len = end - pos;
					if (len > 0) {
						memcpy(stat->age, pos, end - pos);
						stat->age[len] = '\0';
					}
				}
				stat->handler = commit_respone_handler;

			}
			else {
				stat->handler = welcome_response_handler;
			}

		}
		else {
			stat->handler = welcome_response_handler;
		}

		//生成处理结果 html ,write

		stat->_ev.events = EPOLLOUT;
		//stat->_ev.data.ptr = stat;
		epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_MOD, stat->fd, &stat->_ev);    //二次托管
	}
	else if (_s == 0)  //client:close
	{
		printf("client: %d close\n", stat->fd);
		epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, stat->fd, NULL);
		close(stat->fd);
		free(stat);
	}
	else
	{
		perror("read");
	}

}


void welcome_response_handler(ConnectStat * stat) {
	const char * welcome_content = "\
\n\
\n\
\n\
\n\
\n\
\n\
\n\



\n\
大家好，欢迎来到奇牛学院VIP 课！

\n\
\n\
尊姓大名: \n\

芳龄几何: \n\



\n\
\n\
\n\
\n\
\n\
";

	char sendbuffer[4096];
	char content_len[64];

	strcpy(sendbuffer, main_header);
	snprintf(content_len, 64, "Content-Length: %d\r\n\r\n", (int)strlen(welcome_content));
	strcat(sendbuffer, content_len);
	strcat(sendbuffer, welcome_content);
	printf("send reply to client \n%s", sendbuffer);

	write(stat->fd, sendbuffer, strlen(sendbuffer));

	stat->_ev.events = EPOLLIN;
	//stat->_ev.data.ptr = stat;
	epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_MOD, stat->fd, &stat->_ev);


}


void commit_respone_handler(ConnectStat * stat) {
	const char * commit_content = "\
\n\
\n\
\n\
\n\
\n\
\n\
\n\



\n\
欢迎学霸同学 %s  ,你的芳龄是 %s！

\n\
\n\
\n\
\n";

	char sendbuffer[4096];
	char content[4096];
	char content_len[64];
	int len = 0;

	len = snprintf(content, 4096, commit_content, stat->name, stat->age);
	strcpy(sendbuffer, main_header);
	snprintf(content_len, 64, "Content-Length: %d\r\n\r\n", len);
	strcat(sendbuffer, content_len);
	strcat(sendbuffer, content);
	printf("send reply to client \n%s", sendbuffer);

	write(stat->fd, sendbuffer, strlen(sendbuffer));

	stat->_ev.events = EPOLLIN;
	//stat->_ev.data.ptr = stat;
	epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_MOD, stat->fd, &stat->_ev);
}