I/O多路复用服务器编程

一、实验目的

理解I/O多路复用技术的原理。

学会编写基本的单线程并发服务器程序和客户程序。

二、实验平台

ubuntu-8.04操作系统

三、实验内容

采用I/O多路复用技术实现单线程并发服务器，完成使用一个线程处理并发客户请求的功能。

四、实验原理

除了可以采用多进程和多线程方法实现并发服务器之外，还可以采用I/O多路复用技术。通过该技术，系统内核缓冲I/O数据，当某个I/O准备好后，系统通知应用程序该I/O可读或可写，这样应用程序可以马上完成相应的I/O操作，而不需要等待系统完成相应I/O操作，从而应用程序不必因等待I/O操作而阻塞。

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。

对于I/O复用典型的应用如下：

（1）当客户处理多个描述字时（一般是交互式输入和网络套接口），必须使用I/O复用。

（2）当一个客户同时处理多个套接口时，而这种情况是可能的，但很少出现。

（3）如果一个TCP服务器既要处理监听套接口，又要处理已连接套接口，一般也要用到I/O复用。

（4）如果一个服务器即要处理TCP，又要处理UDP，一般要使用I/O复用。

（5）如果一个服务器要处理多个服务或多个协议，一般要使用I/O复用。

I/O复用调用select()或poll()函数，并在该函数上阻塞，等待数据报套接口可读；当select()返回可读条件时，调用recvfrom()将数据报拷贝到应用程序缓冲区中，如图8.1所示。

图8.1 I/O多路复用工作过程

select()函数：

select()函数允许进程指示内核等待多个事件中的任意一个发生，并仅在一个或多个事件发生或经过指定的时间时才唤醒进程。这个函数的形式如下：

------------------------------------------------------------------- #include<sys/select.h> #include<sys/time.h> intselect(intmaxfdp1,fd_set*readset,fd_set*writeset,fd_set*execepset,conststructtimeval*timeout); 返回：返回值表示所有描述字集中已准备好的描述字个数。如定时到，则返回0；若出错，则返回-1。 -------------------------------------------------------------------

在上面的参数中可以看到一个timeval结构，这个结构可以提供秒数和毫秒数成员，形式如下：

structtimeval

{

long tv_sec; /second*/

long tv_usec; /*microsecond*/

}

这个timeval结构有以下3种可能：

（1）永远等待下去：仅在有一个描述字准备好I/O时才返回，因此可以将参数timeout设置为空指针。

（2）等待固定时间：在有一个描述字准备好I/O时返回，但不超过由timeout参数所指timeval结构中指定的秒数和微秒数。

（3）根本不用等待：检查描述字后立即返回，这称为轮询（polling）。

在前两种情况的等待中，如果进程捕获了一个信号并从信号处理程序返回，那么等待一般被中断。

参数readset、writeset和execeptset指定让内核测试读、写、异常条件的描述字。如果我们对它们不感兴趣，可将其设为空指针。

select()函数使用描述字集为参数readset（writeset或exceptset）指定多个描述字，描述字集是一个整数数组，每个数中的每一个对应于一个描述字，例如32位整数，则数组的第一个元素对应于0～31描述字，第二个元素对应于32～63描述字等。

参数readset、writeset、exceptset为值—结果参数，调用select时，指定我们所关心的描述字，返回时结果指示那些描述字已准备好。

参数maxfdp1指定被测试的描述字的个数，它是被测试的最大描述字加1。如要测试1，2，4描述字，则必须测试0，1，2，3，4共5个描述字。

采用select()函数实现I/O多路复用的基本步骤如下：

（1）清空描述符集合；

（2）建立需要监视的描述符与描述符集合的联系；

（3）调用select()函数；

（4）检查所有需要监视的描述符，利用FD_ISSET宏判断是否已经准备好；

（5）对已经准备好的描述符进行I/O操作。

五、实验步骤

1、登陆进入ubuntu操作系统，新建一个文件，命名为io.c。

2、在io.c中编写相应代码并保存，作为服务器端程序。客户端程序代码同上次的mproc_client.c一致，博客地址：http://blog.csdn.net/yueguanghaidao/article/details/7060350

3、打开一个“终端”，执行命令进入io.c和mproc_client.c所在目录。

4、执行命令g++ –oioio.c生成可执行文件io。

5、执行命令./io，运行服务器端。

6、打开第2个“终端”，执行命令进入io.c和mproc_client.c所在目录。

7、执行命令./mproc_client127.0.0.1，模拟客户1。

8、打开第3个“终端”，执行命令进入io.c和mproc_client.c所在目录。

9、执行命令./mproc_client127.0.0.1，模拟客户2。

10、程序运行结果如下：

服务器端：

客户1：

客户2：

11、在客户端按下Ctrl+D，关闭客户连接。

12、认真分析源代码，体会单线程并发服务器程序和客户程序的编写。

六、参考程序（io.c）

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<sys/time.h>
#define PORT 1234
#define BACKLOG 5
#define MAXDATASIZE  1000
typedef struct {
int fd;
char  *name;
struct  sockaddr_in   addr;
char *data;
}CLIENT;
void  process_cli(CLIENT  *client, char* recvbuf, int len);
void savedata(char*recvbuf, int len, char* data);

main()
{
int i, maxi,maxfd,sockfd;
int nready;
ssize_t  n;
fd_set  rset, allset;
int listenfd,connectfd;
struct sockaddr_in  server;
CLIENT  client[FD_SETSIZE];
char recvbuf[MAXDATASIZE];
socklen_t  sin_size;

if ((listenfd =socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1) {
perror("Creatingsocket failed.");
exit(1);
}

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

bzero(&server,sizeof(server));
server.sin_family=AF_INET;
server.sin_port=htons(PORT);
server.sin_addr.s_addr= htonl (INADDR_ANY);
if (bind(listenfd,(struct sockaddr *)&server, sizeof(struct sockaddr)) == -1) {
perror("Bind()error.");
exit(1);
}

if(listen(listenfd,BACKLOG)== -1){
perror("listen()error\n");
exit(1);
}

sin_size=sizeof(struct   sockaddr_in);
maxfd = listenfd;
maxi = -1;
for (i = 0; i <FD_SETSIZE; i++) {
client[i].fd =-1;
}
FD_ZERO(&allset);
FD_SET(listenfd,&allset);

while(1)
{
struct sockaddr_in   addr;
rset = allset;
nready =select(maxfd+1, &rset, NULL, NULL, NULL);

if(FD_ISSET(listenfd, &rset)) {
if ((connectfd =accept(listenfd,(struct sockaddr *)&addr,&sin_size))==-1) {
perror("accept() error\n");
continue;
}
for (i = 0; i <FD_SETSIZE; i++)
if(client[i].fd < 0) {
client[i].fd = connectfd;
client[i].name = new char[MAXDATASIZE];
client[i].addr = addr;
client[i].data = new char[MAXDATASIZE];
client[i].name[0] = '\0';
client[i].data[0] = '\0';
printf("You got a connection from %s. ",inet_ntoa(client[i].addr.sin_addr) );
break;
}
if (i ==FD_SETSIZE) printf("too many clients\n");
FD_SET(connectfd, &allset);
if (connectfd> maxfd) maxfd = connectfd;
if (i >maxi) maxi = i;
if (--nready<= 0) continue;
}

for (i = 0; i <=maxi; i++) {
if ( (sockfd= client[i].fd) < 0) continue;
if(FD_ISSET(sockfd, &rset)) {
if ( (n =recv(sockfd, recvbuf, MAXDATASIZE,0)) == 0) {
close(sockfd);
printf("Client( %s ) closed connection. User's data:%s\n",client[i].name,client[i].data);
FD_CLR(sockfd, &allset);
client[i].fd = -1;
delete  client[i].name;
delete  client[i].data;
}
else
process_cli(&client[i], recvbuf, n);
if(--nready <= 0) break;
}
}
}
close(listenfd);
}

void process_cli(CLIENT *client, char* recvbuf, int len)
{
char  sendbuf[MAXDATASIZE];
recvbuf[len-1] ='\0';
if(strlen(client->name) == 0) {
memcpy(client->name,recvbuf, len);
printf("Client'sname is %s.\n",client->name);
return;
}

printf("Receivedclient( %s ) message: %s\n",client->name, recvbuf);
savedata(recvbuf,len,client->data);
for (int i1 = 0; i1< len - 1; i1++) {
sendbuf[i1] =recvbuf[len - i1 -2];
}
sendbuf[len - 1] ='\0';

send(client->fd,sendbuf,strlen(sendbuf),0);
}

void savedata(char  *recvbuf, int len, char   *data)
{
int start =strlen(data);
for (int i = 0; i <len; i++) {
data[start + i]= recvbuf[i];
}
}