day-08 基于Linux的网络编程（套接字和标准I/O、分离I/O流、epoll、多线程服务器）
一.套接字和标准 I/O
（一）标准 I/O 函数的优点
标准I/O函数（stdio）是在C语言中用于进行输入和输出操作的库函数。它们包括了一组标准的输入和输出函数，如printf、scanf、fopen、fclose等。标准I/O函数具有以下优点：
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简单易用：标准I/O函数提供了简洁的接口，使得输入和输出操作变得简单易用。开发人员无需自行处理底层的文件或设备操作，而是直接使用高级的函数调用来完成输入和输出任务。
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跨平台性：标准I/O函数是C语言的标准库函数，在不同的操作系统上都可以使用。这意味着编写的代码可以在不同的平台上进行移植，而无需对底层的操作系统接口进行修改。
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缓冲机制：标准I/O函数通过使用内部缓冲区来提高输入和输出的效率。当从文件读取数据或向文件写入数据时，数据会首先存储在内部缓冲区中，然后才会实际读取或写入到文件中。这种缓冲机制可以减少对文件的频繁访问，提高了程序的性能。
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格式化输入输出：标准I/O函数提供了格式化输入输出的功能，例如printf函数可以按照指定的格式将数据输出到终端或文件中，而scanf函数可以按照指定的格式从终端或文件中读取数据。这样可以方便地对输入输出进行格式控制，使得代码更加清晰和易读。
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支持多种类型：标准I/O函数支持多种不同的数据类型进行输入和输出操作，包括整数、浮点数、字符串等。开发人员可以根据需要选择适合的函数来处理不同类型的数据，提高了灵活性和可扩展性。
总之，标准I/O函数具有简单易用、跨平台性、缓冲机制、格式化输入输出和多种类型支持等优点，是进行输入和输出操作的常用工具之一。但在某些情况下，如果需要更底层的控制或对性能要求较高，可能需要使用更低级别的I/O函数或系统调用。
在C++中，标准I/O函数（iostream）是用于进行输入和输出操作的库函数。它们包括了一组标准的输入和输出类，如std::cout、std::cin、std::ifstream、std::ofstream等。与C语言中的标准I/O函数相比，C++标准I/O函数具有以下优点：
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面向对象：C++标准I/O函数是面向对象的，使用类和对象来进行输入和输出操作。这使得代码更加模块化和可扩展，可以通过继承和多态等特性实现更复杂的功能。
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类型安全：C++标准I/O函数提供了类型安全的输入和输出操作。它们对不同的数据类型提供了适当的重载，以确保正确的数据转换和格式化输出。这可以避免潜在的类型错误和内存溢出问题。
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重定向支持：C++标准I/O函数支持流的重定向，可以将输入和输出重定向到文件、字符串、网络套接字等不同的设备。这使得代码具有更大的灵活性，可以方便地实现日志记录、测试和调试等功能。
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操作符重载：C++标准I/O函数通过运算符重载提供了更直观和简洁的语法。例如，可以使用<<运算符将数据输出到流中，使用>>运算符从流中读取数据。这使得代码更加易读和易写。
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异常处理：C++标准I/O函数使用异常来处理错误和异常情况。当发生错误时，它们可以抛出适当的异常，从而提供更好的错误处理和异常处理机制。这有助于编写更健壮和可靠的代码。
总之，C++标准I/O函数具有面向对象、类型安全、重定向支持、操作符重载和异常处理等优点。它们提供了一种高级且方便的方式来进行输入和输出操作，适用于大多数网络编程和应用场景。然而，在某些特殊情况下，如果需要更底层的控制或对性能要求较高，可能需要使用更底层的网络库或系统调用。
（二）使用标准 I/O 函数
1.fdopen转换为 FILE 结构体指针
#include
#include
int main() {
int fd = open("example.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0666); // 打开文件获取文件描述符
if (fd == -1) {
perror("Failed to open file");
return 1;
}
FILE* filePtr = fdopen(fd, "w"); // 将文件描述符转换为FILE结构体指针
if (filePtr == NULL) {
perror("Failed to convert file descriptor");
close(fd);
return 1;
}
fprintf(filePtr, "Hello, World!"); // 使用标准I/O函数向文件中写入数据
fclose(filePtr); // 关闭文件指针
return 0;
}
2.fileno 函数转换为文件描述符
#include
#include
int main() {
std::FILE* filePtr = std::fopen("example.txt", "r"); // 打开文件获取文件指针
if (filePtr == nullptr) {
perror("Failed to open file");
return 1;
}
int fd = fileno(filePtr); // 将文件指针转换为文件描述符
// 使用文件描述符进行其他操作...
std::fclose(filePtr); // 关闭文件指针
return 0;
}
3.iostream
通过使用 iostream，可以直接使用类似于 std::ifstream 和 std::ofstream 的对象来进行文件的读写操作，无需显式地处理文件描述符。这样可以更好地利用 C++ 的面向对象特性，使代码更简洁、可读性更好，并且具有更好的类型安全性和异常处理机制。
#include
#include
int main() {
std::ofstream file("example.txt"); // 打开文件进行写入操作
if (!file) {
std::cerr << "Failed to open file" << std::endl;
return 1;
}
file << "Hello, World!"; // 向文件中写入数据
file.close(); // 关闭文件
std::ifstream inputFile("example.txt"); // 打开文件进行读取操作
if (!inputFile) {
std::cerr << "Failed to open file" << std::endl;
return 1;
}
std::string content;
inputFile >> content; // 从文件中读取数据
inputFile.close(); // 关闭文件
std::cout << "Read from file: " << content << std::endl;
return 0;
}
（三）基于套接字的标准 I/O 函数使用（C++ iostream）
注意：关联套接字和iostream仅适用于流式套接字，报文套接字和原始套接字需要用到相应的套接字API。
1.ios_server.cpp
2.ios_client.cpp
3.流式套接字
流式套接字（stream socket）是一种在网络通信中常用的套接字类型，它提供了可靠的、基于字节流的双向数据传输。
流式套接字使用TCP（Transmission Control Protocol）作为底层传输协议，它提供了以下特性：
- 可靠性：TCP使用确认和重传机制来确保数据可靠地传输，以及流量控制和拥塞控制来调整发送速率。
- 顺序性：TCP保证数据按照发送的顺序到达目标，不会发生乱序。
- 面向连接：在进行数据传输之前，需要在客户端和服务器之间建立连接，通过三次握手来建立可靠的通信链路。
- 全双工通信：流式套接字允许同时进行读取和写入操作，实现双向通信。
- 高效性：TCP使用滑动窗口机制和缓冲区来优化数据传输效率。
使用流式套接字进行网络通信可以实现可靠的、面向连接的通信，适合对数据的完整性和顺序有严格要求的场景，如文件传输、视频流传输等。
在C++中，使用流式套接字进行网络通信通常会结合std::ostream和std::istream类以及套接字API来进行输入输出操作。通过将套接字与iostream对象关联，可以使用C++标准库提供的高级输入输出函数和操作符来进行方便的数据传输。
4.报文套接字
报文套接字（datagram socket）和原始套接字（raw socket）是在网络通信中使用的两种特殊类型的套接字。
- 报文套接字：报文套接字基于数据报协议（如UDP），它提供了一种无连接、不可靠的传输方式。通过报文套接字发送的数据以离散的数据报形式传输，每个数据报都包含了完整的目标地址和数据。报文套接字适用于那些不需要建立连接和保证可靠性的应用场景，如实时音视频传输、广播等。
在C++中，可以使用socket()函数创建一个报文套接字，并使用sendto()和recvfrom()函数进行数据的发送和接收。
5.原始套接字
- 原始套接字：原始套接字提供了对网络协议的底层访问，它允许应用程序通过自定义的协议头部来发送和接收数据。使用原始套接字，可以直接操作IP层、传输层或更低层的协议头部，实现更高级别的网络功能。原始套接字一般需要在特权模式（如管理员权限）下运行。
在C++中，可以使用socket()函数创建一个原始套接字，并使用sendto()和recvfrom()函数进行数据的发送和接收。
需要注意的是，使用原始套接字需要谨慎，因为它可以绕过网络协议栈的一些安全机制，可能造成网络攻击或不当操作。在实际应用中，使用原始套接字需要具备足够的网络知识和相应的权限，并且应遵循相关的法律和规定。