linux下IO模及其特点及select
ftp实现
模拟FTP核心原理：客户端连接服务器后，向服务器发送一个文件。文件名可以通过参数指定，服务器端接收客户端传来的文件（文件名随意），如果文件不存在自动创建文件，如果文件存在，那么清空文件然后写入。
功能要求：
1.项目基于tcp连接进行编写
2. 客户端命令行传参，传入ip、port、文件路径，实现把指定目录下的文件发送到服务器
3. 服务器接收并放到指定文件路径
linux下IO模及其特点
场景假设
假设妈妈有一个孩子，孩子在房间里睡觉，妈妈需要及时获知孩子是否醒了，如何做？
1. 进到房间陪着孩子一起睡觉，孩子醒了会吵醒妈妈：不累，但是不能干别的了
2. 时不时进房间看一下：简单，空闲时间还能干点别的，但是很累
3. 妈妈在客厅干活，小孩醒了他会自己走出房门告诉妈妈：互不耽误
一、Linux下四种模型的特点：
阻塞式IO 非阻塞式IO 信号驱动IO(了解) IO多路复用（帮助TCP实现并发）
1、阻塞式IO（BIO）
特点：简单、常用、效率低
● 当程序调用某些接口时，如果期望的动作无法触发，那么进程会进入阻塞态（等待状态，让出CPU的调度），当期望动作可以被触发了，那么会被唤醒，然后处理事务。
● 重点理解相对于进程而言的影响；
● 阻塞I/O模式是最普遍使用的I/O模式，大部分程序使用的都是阻塞模式的I/O 。
● 前面学习的很多读写函数在调用过程中会发生阻塞。
阻塞I/O 模式是最普遍使用的I/O 模式，大部分程序使用的都是阻塞模式的I/O 。
缺省情况下（及系统默认状态），套接字建立后所处于的模式就是阻塞I/O 模式。
学习的读写函数在调用过程中会发生阻塞相关函数如下：
•读操作中的read、recv、recvfrom
读阻塞--》需要读缓冲区中有数据可读，读阻塞解除
•写操作中的write、send
写阻塞--》阻塞情况比较少，主要发生在写入的缓冲区的大小小于要写入的数据量的情况下，写操作不进行任何拷贝工作，将发生阻塞，一旦缓冲区有足够的空间，内核将唤醒进程，将数据从用户缓冲区拷贝到相应的发送数据缓冲区。
注意：sendto没有写阻塞
1）无sendto函数的原因：
sendto不是阻塞函数，本身udp通信不是面向连接的，udp无发送缓冲区，即sendto没有发送缓冲区，send是有发送缓存区的，即sendto不是阻塞函数。
2）UDP不用等待确认，没有实际的发送缓冲区，所以UDP协议中不存在缓冲区满的情况，在UDP套接字上进行写操作永远不会阻塞。
•其他操作：accept、connect
udp与tcp缓存区 仅作为了解
UDP通信没有发送缓存区， 它不保证数据的可靠性。因此，UDP通信是将数据尽快发送出去，不关心数据是否到达目标主机. 但是UDP有接受缓存区, 因为数据发送过快, 如果接收缓存区内数据已满, 则继续发送数据, 可能会出现丢包。
丢包出现原因： 接收缓存区满 网络拥堵， 传输错误
相比之下，TCP是一种面向连接的传输协议，它需要保证数据的可靠性和顺序性。TCP有发送缓存区和接收缓存区， 如果发送频率过快， 且内容小于发送缓存区的大小 ， 可能会导致多个数据的粘包。如果发送的数据大于发送缓存区， 可能会导致拆包。
UDP不会造成粘包和拆包, TCP不会造成丢包
UDP是基于数据报文发送的，每次发送的数据包，在UDP的头部都会有固定的长度， 所以应用层能很好的将UDP的每个数据包分隔开， 不会造成粘包。
TCP是基于字节流的， 每次发送的数据报，在TCP的头部没有固定的长度限制，也就是没有边界，那么很容易在传输数据时，把多个数据包当作一个数据报去发送，成为了粘包，或者传输数据时， 要发送的数据大于发送缓存区的大小，或者要发送的数据大于最大报文长度， 就会拆包；
TCP不会丢包，因为TCP一旦丢包，将会重新发送数据包。（超时/错误重传）
TCP:
UDP:
2、非阻塞式IO(NIO)
特点：可以处理多路IO；需要轮询，浪费CPU资源
•当我们将一个套接字设置为非阻塞模式，我们相当于告诉了系统内核：“当我请求的I/O 操作不能够马上完成，你想让我的进程进行休眠等待的时候，不要这么做，请马上返回一个错误给我。”
•（引导着让大家说出来）当一个应用程序使用了非阻塞模式的套接字，它需要使用一个循环来不停地测试是否一个文件描述符有数据可读（称做polling）。---轮询
•应用程序不停的polling 内核来检查是否I/O操作已经就绪。这将是一个极浪费CPU 资源的操作。
•这种模式使用中不普遍。
如何设置非阻塞
1) 通过函数自带参数设置
2) 通过设置文件描述符属性fcntl (file control)
#include
#include
int fcntl(int fd, int cmd, ...);
功能：
获取/改变文件属性(linux中一切皆文件)
文件描述符：stdin 0、stdout 1、stderr 2
参数：fd：文件描述符
cmd: 操作功能选项 (可以定义个变量,通过vi -t F_GETFL 来找寻功能赋值 )
F_GETFL:获取文件描述符的原有的状态信息
//不需要第三个参数，返回值为获取到的属性
F_SETFL:设置文件描述符的状态信息 - 需要填充第三个参数
//需要填充第三个参数 O_RDONLY, O_RDWR ,O_WRONLY ,O_CREAT
O_NONBLOCK 非阻塞 O_APPEND追加
O_ASYNC 异步 O_SYNC 同步
F_SETOWN: 可以用于实现异步通知机制。
//当文件描述符上发生特定事件时（例如输入数据到达），内核会向拥有该 文件描述符的进程发送 SIGIO 信号（异步），以便进程能够及时处理这些事件。
第三个参数:由第二个参数决定，set时候需要设置的值,get时候填0
arg:文件描述符的属性 ----------同上参数，一般填0
返回值: 特殊选择:根据功能选择返回 (int 类型)
其他: 成功０ 失败: -1;
设置流程：
int flag;//文件状态的标志
flag = fcntl(fd, F_GETFL); //读
flag |= O_NONBLOCK;//改 O_NONBLOCK = 0x00004000
fcntl(fd, F_SETFL, flag);//写
3、信号驱动IO（异步IO模型 非重点）
特点：异步通知模式，需要底层驱动的支持
操作系统中的同步与异步
在操作系统中，特别是在Linux中，同步和异步是描述I/O操作方式的两个概念。它们主要区分在于操作完成的通知方式和程序执行的流程。
同步（Synchronous）：
同步I/O操作是指在执行I/O操作时，程序必须等待操作完成才能继续执行。在同步操作中，程序提交一个I/O请求后，操作系统会阻塞该程序，直到请求操作完成。此时，程序才能继续执行后续的代码。因此，同步操作会导致程序执行流程暂停，直至I/O操作完成。
同步I/O的例子：read(), write(), recv(), send() 等。
异步（Asynchronous）：
异步I/O操作是指程序在发起I/O请求后，无需等待操作完成，可以继续执行其他任务。当异步I/O操作完成时，程序会通过某种方式（如回调函数、事件通知、信号等）得到通知。因此，异步操作使程序执行流程得以继续，而不必等待I/O操作完成。
● 通过信号方式，当内核检测到设备数据后，会主动给应用发送信号SIGIO。
SIGIO
文件描述符准备就绪, 可以开始进行输入/输出操作.
● 应用程序收到信号后做异步处理即可。
● 应用程序需要把自己的进程号告诉内核，并打开异步通知机制。
● 标准模板
//将APP进程号告诉驱动程序
fcntl(fd, F_SETOWN, getpid());
//使能异步通知
int flag;
flag = fcntl(fd, F_GETFL);
flag |= O_ASYNC; //也可以用FASYNC标志
fcntl(fd, F_SETFL, flag);
signal(SIGIO, handler);
signal信号处理相关函数
头文件： #include
typedef void (*sighandler_t)(int);
sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler)
功能：信号处理函数(注册信号)
参数： int signum：要处理的信号(要修改的信号)
sighandler_t handler: 函数指针： void(*handler)(int) (修改的功能：)
handler：------void handler(int num) 自定义的信号处理函数指针
返回值： 成功：设置之前的信号处理方式
失败： SIG_ERR
用非阻塞方式监听鼠标的数据
查看自己使用的鼠标：/dev/input
检查鼠标设备：sudo cat /dev/input/mouse0
注意：执行的时候需要加sudo
#include
#include
#include
#include
#include
#include
int fd;
#define N 64
char buf[N] = {0};
void handler(int sig)
{
int ret;
ret = read(fd, buf, N);
if (ret < 0)
{
perror("READ ERR.");
return;
}
else
{
printf("len= %d\n", ret);
}
}
int main(int argc, char const *argv[])
{
fd = open("/dev/input/mouse0", O_RDONLY);
if (fd < 0)
{
perror("open err");
return -1;
}
// 将APP进程号告诉驱动程序
fcntl(fd, F_SETOWN, getpid());
// 使能异步通知
int flag;
flag = fcntl(fd, F_GETFL);
flag |= O_ASYNC; // 也可以用FASYNC标志
fcntl(fd, F_SETFL, flag);
signal(SIGIO, handler);
while (1)
{
printf("-----------\n");
sleep(1);
}
close(fd);
return 0;
}
4.IO多路复用
4.1、IO多路复用场景假设
假设妈妈有三个孩子，分别不同的房间里睡觉，需要及时获知每个孩子是否醒了，如何做？
1. 挨个房间跑
4.2、IO多路复用机制
I/O多路复用 - 帮助TCP实现并发服务器
1. 进程中若需要同时处理多路输入输出 ,在使用单进程和单线程的情况下, 可使用IO多路复用处理多个请求;
2. IO多路复用不需要创建新的进程和线程, 有效减少了系统的资源开销。
场景：就比如服务员给50个顾客点餐，分两步：
顾客思考要吃什么（等待客户端数据发送）
顾客想好了，开始点餐（接收客户端数据）
要提高效率有几种方法？
1. 安排50个服务员 (类似于多进程/多线程实现服务器连接多个客户端,太占用资源)
2. 哪个顾客想好了吃啥, 那个顾客来柜台点菜 (类似IO多路复用机制实现并发服务器)
实现IO多路复用的方式： select poll epoll
基本流程是：
1. 先构造一张有关文件描述符的表;
2. 清空表
3. 将你关心的文件描述符加入到这个表中;
4. 调用select函数。
5. 判断是哪一个或哪些文件描述符产生了事件(IO操作);
6. 做对应的逻辑处理;
● 使用I/O多路复用技术。其基本思想是：
○ 先构造一张有关描述符的表，然后调用一个函数。
○ 当这些文件描述符中的一个或多个已准备好进行I/O时函数才返回。
○ 函数返回时告诉进程哪个描述符已就绪，可以进行I/O操作。
基本流程：
1. 先构造一张有关文件描述符的表(集合、数组);
2. 将你关心的文件描述符加入到这个表中;
3. 然后循环调用一个函数。 select / poll
4. 当这些文件描述符中的一个或多个已准备好进行I/O操作的时候
该函数才返回(阻塞)。
5. 判断是哪一个或哪些文件描述符产生了事件(IO操作);
6. 做对应的逻辑处理;
4.3、select ：用于监测是哪个或哪些文件描述符产生事件;
#include
#include
#include
#include
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,
fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
功能：select用于监测是哪个或哪些文件描述符产生事件;
参数：
nfds：监测的最大文件描述个数(文件描述符从0开始,这里是个数,记得+1)
（这里是个数，使用的时候注意，与文件中最后一次打开的文件描述符所对应的值的关系是什么？）
readfds： 读事件集合; // 键盘鼠标的输入,客户端连接都是读事件
writefds： 写事件集合; //NULL表示不关心
exceptfds：异常事件集合; //NULL 表示不关心
timeout： 设为NULL，等待直到某个文件描述符发生变化；
设为大于0的值，有描述符变化或超时时间到才返回。
超时时间检测：如果规定时间内未完成函数功能，返回一个超时的信息，我们可以根据该信息设定相应需求；
如果设置了超时检测时间：&tv
select返回值：
<0 出错
>0 表示有事件产生;
==0 表示超时时间已到;
struct timeval
{
long tv_sec; /* seconds */以秒为单位,指定等待时间
long tv_usec; /* microseconds */以毫秒为单位,指定等待时间
};
void FD_CLR(int fd, fd_set *set);//将fd从表中清除
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set);//判断fd是否在表中
void FD_SET(int fd, fd_set *set);//将fd添加到表中
void FD_ZERO(fd_set *set);//清空表1
select特点：
1. 一个进程最多只能监听1024个文件描述符 （32位） [64位为 2048]
2. select被唤醒之后要重新轮询(0-1023)一遍驱动,效率低（消耗CPU资源）
3. select每次会清空未响应的文件描述符，每次都需要拷贝用户空间的表到内核空间，效率低,开销较大
(0~3G是用户态，3G~4G是内核态，两个状态来回切换 拷贝是非常耗时，耗资源的)
select机制(辅助理解):
1. 头文件检测1024个文件描述符 0-1023
2. 在select中0~2存储标准输入、标准输出、标准出错
3. 监测的最大文件描述个数为fd+1(如果fd = 3,则最大为 4) : //因为从0开始的
4. select只对置1的文件描述符感兴趣 假如事件产生，select检测时 , 产生的文件描述符会保持1,未产生事件的会置0;
5. select每次轮询都会清空表(置零的清空) //需要在select前备份临时表
练习1: 如何通过select实现 响应鼠标事件同时响应键盘事件
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
//响应鼠标的时候， 打印鼠标事件
//输入键盘的时候， 打印键盘内容
int main(int argc, char const *argv[])
{
//1.打开鼠标文件
int fd = open("/dev/input/mouse0",O_RDONLY);
if(fd < 0)
{
perror("open is err:");
return -1;
}
//1.创建文件描述符的表
fd_set readfds,tempfds;
//2.清空表
FD_ZERO(&readfds);
//3.添加关心的文件描述符
FD_SET(0,&readfds);
FD_SET(fd,&readfds);
int maxfd = fd;
char buf[128];
while(1)
{
tempfds = readfds;
//4.select检测 阻塞
select(maxfd+1,&tempfds,NULL,NULL,NULL);
if(FD_ISSET(0,&tempfds))
{
//1.键盘
fgets(buf,sizeof(buf),stdin);
if(buf[strlen(buf)-1] == '\n')
buf[strlen(buf)-1] = '\0';
printf("key: %s\n",buf);
}
if(FD_ISSET(fd,&tempfds))
{
//2.鼠标
int ret = read(fd,buf,sizeof(buf));
buf[ret] = '\0';
printf("mouse: %s\n",buf);
}
}
close(fd);
return 0;
}
练习：select实现客户端服务器全双工通信并发服务器的建立
在tcp的服务器端, 有两类文件描述符
监听的文件描述符
1.只需要有一个
2.不负责和客户端通信, 负责检测客户端的连接请求, 检测到之后调用accept就可以建立新的连接
通信的文件描述符
1.负责和建立连接的客户端通信
2.如果有N个客户端和服务器建立了新的连接, 通信的文件描述符就有N个，每个客户端和服务器都对应一个通信的文件描述符
总结select实现IO多路复用特点
1. 一个进程最多只能监听1024个文件描述符 （千级别）
2. select被唤醒之后需要重新轮询一遍驱动的poll函数，效率比较低（消耗CPU资源）;
3. select每次会清空表，每次都需要拷贝用户空间的表到内核空间，效率低（一个进程0~4G，0~3G是用户态，3G~4G是内核态，拷贝是非常耗时的）;
4.跨平台
(1)客户端
/*客户端创建代码 */
#include
#include /* See NOTES */
#include
#include
#include /* superset of previous */
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
// #include "head.h"
enum type_t
{
login, //登录
chat, //发送信息
quit, //退出
};
typedef struct mag_t
{
int type; //功能
char name[32]; //ip
char text[128]; //内容
} MSG_t;
int main(int argc, char const *argv[])
{
if (argc < 3)
{
printf("plase input ");
return -1;
}
//1.创建套接字,用于链接
int sockfd;
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
if (sockfd < 0)
{
perror("socket err");
return -1;
}
printf("sockfd:%d\n", sockfd);
//2.填充结构体
struct sockaddr_in saddr;
saddr.sin_family = AF_INET;//协议族
saddr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));//端口
saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);//IP
MSG_t msg; //消息包
socklen_t len = sizeof(saddr); //结构体大小
int num=0;//交互次数
pid_t pid = fork();//创建父子进程
if (pid < 0)
{
perror("fork err");
return -1;
}
else if (pid == 0) //子进程接收消息
{
while (1)
{
//接受信息
if (recvfrom(sockfd, &msg, sizeof(msg), 0, (struct sockaddr *)&saddr, &len) < 0)
{
perror("recvfrom err");
return -1;
}
printf("ip:%s 状态:%d 内容:%s\n", msg.name, msg.type, msg.text);
}
}
else //父进程发送消息
{
while (1)
{
strncpy(msg.name, "xiaoyang", 8);//客户端昵称
//发送信息
memset(msg.text, 0, sizeof(msg.text)); //清空数组内容
printf("发送内容:");
fgets(msg.text, sizeof(msg.text), stdin); //从终端获取内容存放到数组中
if (strncmp(msg.text, "quit", 4) == 0) //输入quit退出客户端
{
msg.type = quit;//退出状态
sendto(sockfd, &msg, sizeof(msg), 0, (struct sockaddr *)&saddr, len);
exit(0);
}
if (msg.text[strlen(msg.text)] == '\0')
{
msg.text[strlen(msg.text) - 1] = '\0';
}
if (num == 0) //第一次登入
{
msg.type == login;//登录状态
}
else
{
msg.type = chat;//交互状态
}
sendto(sockfd, &msg, sizeof(msg), 0, (struct sockaddr *)&saddr, len);//发送信号
}
}
close(sockfd);
return 0;
}
(2) 服务器
/*服务器创建代码 */
#include
#include /* See NOTES */
#include
#include
#include /* superset of previous */
#include
#include
#include
#include
enum type_t
{
login,//登录
chat,//发送信息
quit,//退出
};
typedef struct mag_t
{
int type;//功能
char name[32];//ip
char text[128];//内容
} MSG_t;
MSG_t msg;
//链表节点结构体
typedef struct node_t
{
struct sockaddr_in addr;//ip地址
struct node_t *next;//链表下一个地址
}list_t;
int main(int argc, char const *argv[])
{
if (argc < 2)
{
printf("plase input \n");
return -1;
}
//1.创建套接字,用于链接
int sockfd;
sockfd = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM, 0);
if (sockfd < 0)
{
perror("socket err");
return -1;
}
printf("sockfd:%d\n", sockfd);
//2.绑定 ip+port 填充结构体
struct sockaddr_in saddr;
saddr.sin_family = AF_INET;
saddr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));
saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("0.0.0.0");
socklen_t len = sizeof(saddr); //结构体大小
//bind绑定ip和端口
if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&saddr, len) < 0)
{
perror("bind err");
return -1;
}
printf("bind success\n");
// char buf[128] = {0};
while (1)
{
//接收信息
if (recvfrom(sockfd, &msg, sizeof(msg), 0, (struct sockaddr *)&saddr, &len) < 0)
{
perror("recvfrom err");
return -1;
}
switch (msg.type)
{
case login:
Loginrecv();break;
case chat:
Chatrecv();break;
case quit:
Quitrecv();break;
}
//发送信息
printf("server:");
fgets(msg.text, sizeof(msg.text), stdin); //从终端获取内容存放到数组中
if (strncmp(msg.text, "quit", 4) == 0) //输入quit退出客户端
{
break;
}
if (msg.text[strlen(msg.text)] == '\0')
{
msg.text[strlen(msg.text) - 1] = '\0';
}
sendto(sockfd, &msg, sizeof(msg), 0, (struct sockaddr *)&saddr, len);
}
close(sockfd);
return 0;
}
void Chatrecv()//chat 型
{
// printf("client ip:%s ,port:%d buf:%s\n", inet_ntoa(saddr.sin_addr), ntohs(saddr.sin_port),msg.text);
printf("ip:%s 状态:chat 内容:%s\n", msg.name,msg.text);
}
void Loginrecv()//login 型 首次链接
{
}
void Quitrecv()//quit 退出
{
//接收信息
if (recvfrom(sockfd, &msg, sizeof(msg), 0, (struct sockaddr *)&saddr, &len) < 0)
{
perror("recvfrom err");
return -1;
}
// printf("client ip:%s ,port:%d buf:%s\n", inet_ntoa(saddr.sin_addr), ntohs(saddr.sin_port),msg.text);
printf("ip:%s 状态:chat 内容:%s\n", msg.name,msg.text);
}