lv8 嵌入式开发-网络编程开发 15I/O多路复用及select函数
目录
1 I/O多路复用
1.1 select函数及其他接口相关介绍
1.2 原TCP—socket示例：
1.3 实现select函数TCP—socket示例：
2 练习
1 I/O多路复用
多路复用的实现方式
1.1 select函数及其他接口相关介绍
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,
fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
struct timeval {
long tv_sec; /* 秒 */
long tv_usec; /* 微秒 */
};
select 是一个用于多路复用 I/O 的系统调用函数，它可以同时监视多个文件描述符的可读、可写和异常事件。(特殊用法：也可以用于阻塞微秒级，其他文件描述符功能都设为NULL不使用）。
参数说明如下：
nfds：监视的文件描述符的数量，即需要检查的最大文件描述符值加一。readfds：用于检查可读事件的文件描述符集合。(常用，一般多路监听都是可读）writefds：用于检查可写事件的文件描述符集合。exceptfds：用于检查异常事件的文件描述符集合。timeout：超时时间。 NULL:永久阻塞, 0：非阻塞模式
select 函数会根据参数中的文件描述符集合和超时时间进行监视，当满足条件的事件发生时，select 函数会返回，同时将对应的文件描述符集合进行修改。具体的返回值和集合的修改情况如下：
- 若超时时间到达，返回值为0。
- 若有错误发生，返回值为-1，并设置相应的错误码。
- 若有可读事件发生，
readfds中对应的文件描述符会被修改，返回值为大于 0。 - 若有可写事件发生，
writefds中对应的文件描述符会被修改，返回值为大于 0。 - 若有异常事件发生，
exceptfds中对应的文件描述符会被修改，返回值为大于 0。
通过不断地调用 select 函数，可以实现在多个文件描述符上进行非阻塞的 I/O 监听，以便及时处理可读、可写和异常事件。
fd_set结构体：每一位代表1个文件描述符，值为0或1，nfds代表最大的文件描述符+1。
补充：在标准的 C 库头文件 fd_set 是通过一个固定大小的数组来实现的。数组的大小由宏 FD_SETSIZE 定义。一般情况下，FD_SETSIZE 的默认值是 1024。
/*将文件描述符从集合中删除*/
void FD_CLR(int fd, fd_set *set);
/*查看文件描述符是否存在于集合当中*/
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set);
/*添加文件描述符*/
void FD_SET(int fd, fd_set *set);
/*初始化集合*/
void FD_ZERO(fd_set *set);
1.2 原TCP—socket示例：
server.c
#include "net.h"
int main(int argc, char *argv[])
{
/*检查参数，小于3个 直接退出进程*/
Argment(argc, argv);
/*创建已设置监听模式的套接字*/
int fd = CreateSocket(argv);
/*接收客户端连接，并生成新的文件描述符*/
int newfd = accept(fd, NULL, NULL);
if(newfd < 0)
perror("accept");
/*处理客户端数据*/
while(DataHandle(newfd) > 0);
return 0;
}
socket.c
#include "net.h"
void Argment(int argc, char *argv[]){
if(argc < 3){
fprintf(stderr, "%s\n", argv[0]);
exit(0);
}
}
int CreateSocket(char *argv[]){
/*创建套接字*/
int fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if(fd < 0)
ErrExit("socket");
/*允许地址快速重用*/
int flag = 1;
if( setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &flag, sizeof(flag) ) )
perror("setsockopt");
/*设置通信结构体*/
Addr_in addr;
bzero(&addr, sizeof(addr) );
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons( atoi(argv[2]) );
/*绑定通信结构体*/
if( bind(fd, (Addr *)&addr, sizeof(Addr_in) ) )
ErrExit("bind");
/*设置套接字为监听模式*/
if( listen(fd, BACKLOG) )
ErrExit("listen");
return fd;
}
int DataHandle(int fd){
char buf[BUFSIZ] = {};
int ret = recv(fd, buf, BUFSIZ, 0);
if(ret < 0)
perror("recv");
if(ret > 0)
printf("data: %s\n", buf);
return ret;
} net.h
#ifndef _NET_H_
#define _NET_H_
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
typedef struct sockaddr Addr;
typedef struct sockaddr_in Addr_in;
#define BACKLOG 5
#define ErrExit(msg) do { perror(msg); exit(EXIT_FAILURE); } while(0)
void Argment(int argc, char *argv[]);
int CreateSocket(char *argv[]);
int DataHandle(int fd);
#endif
1.3 实现select函数TCP—socket示例：
sever.c
#include "net.h"
#include
#define MAX_SOCK_FD 1024
int main(int argc, char *argv[])
{
int i, ret, fd, newfd;
fd_set set, tmpset;
Addr_in clientaddr;
socklen_t clientlen = sizeof(Addr_in);
/*检查参数，小于3个 直接退出进程*/
Argment(argc, argv);
/*创建已设置监听模式的套接字*/
fd = CreateSocket(argv);
FD_ZERO(&set);
FD_ZERO(&tmpset);
FD_SET(fd, &set);
while(1){
tmpset = set; //temp文件描述符集合会被 select 函数修改以反映就绪的文件描述符情况。
if( (ret = select(MAX_SOCK_FD, &tmpset, NULL, NULL, NULL)) < 0)
ErrExit("select"); //宏定义了一个错误处理
if(FD_ISSET(fd, &tmpset) ){
/*接收客户端连接，并生成新的文件描述符*/
if( (newfd = accept(fd, (Addr *)&clientaddr, &clientlen) ) < 0)
perror("accept");
printf("[%s:%d]已建立连接\n",
inet_ntoa(clientaddr.sin_addr), ntohs(clientaddr.sin_port));
FD_SET(newfd, &set); //新客户端文件描述符加入set中
}else{ //处理客户端数据
for(i = fd + 1; i < MAX_SOCK_FD; i++){ //fd是服务端，fd+1是第一个接进来的客户端描述符
if(FD_ISSET(i, &tmpset)){
if( DataHandle(i) <= 0){
if( getpeername(i, (Addr *)&clientaddr, &clientlen) )
perror("getpeername");
printf("[%s:%d]断开连接\n",
inet_ntoa(clientaddr.sin_addr), ntohs(clientaddr.sin_port));
FD_CLR(i, &set);
}
}
}
}
}
return 0;
}
socket.c
#include "net.h"
void Argment(int argc, char *argv[]){
if(argc < 3){
fprintf(stderr, "%s\n", argv[0]);
exit(0);
}
}
int CreateSocket(char *argv[]){
/*创建套接字*/
int fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if(fd < 0)
ErrExit("socket");
/*允许地址快速重用*/
int flag = 1;
if( setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &flag, sizeof(flag) ) )
perror("setsockopt");
/*设置通信结构体*/
Addr_in addr;
bzero(&addr, sizeof(addr) );
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons( atoi(argv[2]) );
/*绑定通信结构体*/
if( bind(fd, (Addr *)&addr, sizeof(Addr_in) ) )
ErrExit("bind");
/*设置套接字为监听模式*/
if( listen(fd, BACKLOG) )
ErrExit("listen");
return fd;
}
int DataHandle(int fd){
char buf[BUFSIZ] = {};
Addr_in peeraddr;
socklen_t peerlen = sizeof(Addr_in);
if( getpeername(fd, (Addr *)&peeraddr, &peerlen) )
perror("getpeername");
int ret = recv(fd, buf, BUFSIZ, 0);
if(ret < 0)
perror("recv");
if(ret > 0){
printf("[%s:%d]data: %s\n",
inet_ntoa(peeraddr.sin_addr), ntohs(peeraddr.sin_port), buf);
}
return ret;
}
net.h
#ifndef _NET_H_
#define _NET_H_
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
typedef struct sockaddr Addr;
typedef struct sockaddr_in Addr_in;
#define BACKLOG 5
#define ErrExit(msg) do { perror(msg); exit(EXIT_FAILURE); } while(0)
void Argment(int argc, char *argv[]);
int CreateSocket(char *argv[]);
int DataHandle(int fd);
#endif
讲解：
这段代码是一个使用 select 函数实现的简单的网络服务器程序。它可以同时处理多个客户端连接。
程序主要包括以下几个部分：
-
创建并设置监听模式的套接字：
fd = CreateSocket(argv);这里调用了
CreateSocket函数创建了一个套接字，并进行了一些必要的设置，使其处于监听模式。 -
使用
select函数来监听套接字和客户端连接的可读事件：tmpset = set; if ((ret = select(MAX_SOCK_FD, &tmpset, NULL, NULL, NULL)) < 0) ErrExit("select");select函数会阻塞程序，直到有套接字或客户端连接可读，或者发生错误。在这段代码中，使用select函数来等待套接字fd和客户端连接的可读事件。MAX_SOCK_FD是最大的文件描述符值加 1，tmpset是一个临时的文件描述符集合，用来存放发生可读事件的文件描述符。 -
处理套接字可读事件和客户端连接的可读事件：
if (FD_ISSET(fd, &tmpset)) { // 接受客户端连接 // 将新的客户端文件描述符加入 set 中 } else { // 处理客户端数据 // 断开连接并从 set 中移除文件描述符 }如果套接字
fd可读，说明有新的客户端连接请求到来，程序会调用accept函数接受连接，并生成一个新的文件描述符newfd，然后将该文件描述符加入set中，以便后续处理。如果不是套接字可读，说明是已连接的客户端有数据到达。程序会遍历
fd + 1到MAX_SOCK_FD - 1之间的文件描述符，检查它们是否在tmpset中可读。如果可读，则调用DataHandle函数处理数据。如果处理结果小于等于 0，说明连接断开，程序会输出断开连接的信息，并从set中移除该文件描述符。 -
循环执行上述步骤，以便持续处理客户端连接和数据。
这段代码展示了一个简单的网络服务器程序框架，使用 select 函数可以实现高效的事件驱动型的并发处理。具体的业务逻辑需要根据实际需求进行实现。
补充：
getpeername 函数用于获取与套接字关联的远程连接的地址信息。它的函数原型如下：
int getpeername(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);sockfd是套接字文件描述符，表示与远程连接关联的套接字。addr是一个指向struct sockaddr结构体的指针，用于接收远程连接的地址信息。addrlen是一个指向socklen_t类型的指针，用于传递addr的长度，并且在函数调用完成后，会更新为实际的地址结构体长度。
该函数调用成功时返回0，失败时返回-1，并设置相应的错误码。
同样用法getsocketname是获取本方的。
2 练习
使用select函数实现I/O多路复用服务器代码，并使用nc命令与之通信
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define MAX_SOCK_FD 1024
#define BACKLOG 5
#define ErrExit(msg) do{perror(msg); exit(EXIT_FAILURE);} while(0)
int DataHandle(int fd)
{
char buf[BUFSIZ] = {};
int ret;
struct sockaddr_in peeraddr;
socklen_t peerlen = sizeof(struct sockaddr_in);
if(getpeername(fd, (struct sockaddr *)&peeraddr, &peerlen) )
perror("getpeername");
ret = recv(fd, buf, BUFSIZ, 0);
if(ret < 0)
{
perror("recv");
}
if( ret > 0)
{
printf("[%s:%d]data: %s\n",
inet_ntoa(peeraddr.sin_addr), ntohs(peeraddr.sin_port), buf);
}
return ret;
}
int main(int argc,char *argv[])
{
int fd, new_fd, i ,ret;
fd_set set, tmpset;
struct sockaddr_in addr, client_addr;
socklen_t clientlen = sizeof(client_addr);
int flag = 1;
if(argc < 3)
{
printf("%s \n",argv[0]);
exit(0);
}
//create socket
fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if(fd < 0)
{
ErrExit("socket");
}
//avoids the error of ports being occupied
if( setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &flag, sizeof(flag) ) )
{
perror("setsockopt");
}
//init struct sockaddr_in
memset(&addr, 0, sizeof(addr));
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons( atoi(argv[2]));
if (inet_aton(argv[1], &addr.sin_addr) == 0)
{
printf("Invalid address\n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
//bind
if(bind(fd, (struct sockaddr *) &addr, sizeof(struct sockaddr_in)) == -1)
{
ErrExit("bind");
}
//listen
if(listen(fd, BACKLOG) == -1)
{
ErrExit("listen");
}
//select
FD_ZERO(&set);
FD_ZERO(&tmpset);
FD_SET(fd, &set);
while(1)
{
tmpset = set;
if((ret = select(MAX_SOCK_FD, &tmpset,NULL,NULL,NULL)) < 0)
{
ErrExit("select");
}
if(FD_ISSET(fd, &tmpset) > 0)
{
new_fd = accept(fd,(struct sockaddr *)&client_addr,&clientlen);
if(new_fd < 0)
{
perror("accept");
}
printf("[%s:%d]connected\n",inet_ntoa(client_addr.sin_addr),\
ntohs(client_addr.sin_port));
FD_SET(new_fd, &set);
}
else //if(FF_ISSET(fd, &tmpset < 0) //handle client
{
for(i = fd + 1; i < MAX_SOCK_FD; i++)
{
// can read
if(FD_ISSET(i,&tmpset))
{
if(DataHandle(i) <= 0)
{
if(getpeername(i,(struct sockaddr *)&client_addr,&clientlen))
perror("getpeername");
printf("[%s:%d]disconnected\n",inet_ntoa(client_addr.sin_addr),\
ntohs(client_addr.sin_port));
FD_CLR(i,&set);
}
}
}
}
}
return 0;
}