網絡io與select

我們知道網絡IO模型一共有5種，這里我們主要討論同步IO和select多路復用的情況。
我們先從一個簡單的TCP服務器的代碼出發，來討論一下這個是怎么實現的。

一個十分簡單的TCP服務器

一個簡單的TCP的服務器的建立流程是這樣

建立SOCKET
綁定端口
監聽
接受連接
接受消息
發送消息
關閉連接

#include<stdio.h>
#include<sys/socket.h>
#include<sys/types.h>
#include<netinet/in.h>
#include<fcntl.h>
#include <unistd.h>



#define BUFFER_LENGTH 128


int main()
{
    //socket有兩個參數，第一個參數指定我們要使用IPV4，還是IPV6，第二個參數表明我們要使用套接字類型，這里我們使用的是流格式的套接字，第三個參數就是我們需要使用傳輸協議
    //這里使用0，表示讓系統自動推導我們需要使用的傳輸協議。
    int listenfd= socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    //如果返回值為-1，說明我們創建SOCKET失敗，直接返回。
    if (listenfd==-1)
    {
        return -1;
    }
    //我們需要綁定的信息
    struct sockaddr_in serveraddr;
    //使用IPV4
    serveraddr.sin_family=AF_INET;
    //我們需要綁定的IP地址，INADDR_ANY 就是0.0.0.0 ，就是所有網卡的所有IP段都可以連接到我們的創建的TCP服務器上。
    serveraddr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
    //我們需要綁定的端口，這里我們綁定的端口為9999
    serveraddr.sin_port=htons(9999);
    //第一個參數我們創建的套接字，第二個是我們填寫的綁定信息，最后是我們的綁定信息結構體的大小。    
    if (-1==bind(listenfd,(const  sockaddr*)&serveraddr,sizeof(serveraddr)))
    {
        return -2;        
    }
    //監聽我們創建的套接字，請求的隊列數量，這里我們填寫為10個
    listen(listenfd,10);
    //定義客戶端的socket
    struct sockaddr_in client;
    //客戶端結構體的長度
    socklen_t len=sizeof(client);
    //等待接受連接
    //第一個參數服務器的套接字，第二個接收到的客戶端的socket，第三個函數就是結構體的長度
    int clientfd=accept(listenfd,(struct sockaddr*)&client,&len);
    //接受的緩沖區大小
    unsigned char buffer[BUFFER_LENGTH]={0};
    //收函數
    //第一個參數客戶端的套接字，第二個參數，接受的緩沖區，第三個參數緩沖區的大小，第4個參數接收到的字節數
    int ret = recv(clientfd,buffer,BUFFER_LENGTH,0);
    if (ret==0)
    {
       close(clientfd);

    }
    printf("buffer: %s , ret : %d\n",buffer,ret);
    //發函數
    //第一個參數客戶端的套接字，第二個參數，發送的緩沖區，第三個參數發送的字節數，第4個參數實際發送的字節數
    ret = send(clientfd,buffer,ret,0);


}

上面的代碼已經把每個函數的參數的作用，還有參數的意義都已經注釋上了，
運行一下上面的代碼，并使用我們的網絡調試助手，發現我們的客戶端已經可以收發數據了。
現在就遇到了一個問題，如果我們想一直接受和發送數據，我們需要做什么處理那？
可能大多數人都可以想到，我們添加一個while循環的就可以一直接受數據了，因此我們改變一下我們的代碼。
讓它可以一直收發數據，知道我們的客戶端退出為止。

#include<stdio.h>
#include<sys/socket.h>
#include<sys/types.h>
#include<netinet/in.h>
#include<fcntl.h>
#include <unistd.h>



#define BUFFER_LENGTH 128


int main()
{
    //socket有兩個參數，第一個參數指定我們要使用IPV4，還是IPV6，第二個參數表明我們要使用套接字類型，這里我們使用的是流格式的套接字，第三個參數就是我們需要使用傳輸協議
    //這里使用0，表示讓系統自動推導我們需要使用的傳輸協議。
    int listenfd= socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    //如果返回值為-1，說明我們創建SOCKET失敗，直接返回。
    if (listenfd==-1)
    {
        return -1;
    }
    //我們需要綁定的信息
    struct sockaddr_in serveraddr;
    //使用IPV4
    serveraddr.sin_family=AF_INET;
    //我們需要綁定的IP地址，INADDR_ANY 就是0.0.0.0 ，就是所有網卡的所有IP段都可以連接到我們的創建的TCP服務器上。
    serveraddr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
    //我們需要綁定的端口，這里我們綁定的端口為9999
    serveraddr.sin_port=htons(9999);
    //第一個參數我們創建的套接字，第二個是我們填寫的綁定信息，最后是我們的綁定信息結構體的大小。    
    if (-1==bind(listenfd,(const  sockaddr*)&serveraddr,sizeof(serveraddr)))
    {
        return -2;        
    }
    //監聽我們創建的套接字，請求的隊列數量，這里我們填寫為10個
    listen(listenfd,10);
    //定義客戶端的socket
    struct sockaddr_in client;
    //客戶端結構體的長度
    socklen_t len=sizeof(client);
    //等待接受連接
    //第一個參數服務器的套接字，第二個接收到的客戶端的socket，第三個函數就是結構體的長度
    int clientfd=accept(listenfd,(struct sockaddr*)&client,&len);
    //接受的緩沖區大小
    unsigned char buffer[BUFFER_LENGTH]={0};
    while (1)
    {
       //收函數
        //第一個參數客戶端的套接字，第二個參數，接受的緩沖區，第三個參數緩沖區的大小，第4個參數接收到的字節數
        int ret = recv(clientfd,buffer,BUFFER_LENGTH,0);
        if (ret<=0)
        {
            close(clientfd);
            break;
        }
        printf("buffer: %s , ret : %d\n",buffer,ret);
        //發函數
        //第一個參數客戶端的套接字，第二個參數，發送的緩沖區，第三個參數發送的字節數，第4個參數實際發送的字節數
        ret = send(clientfd,buffer,ret,0);
    }
    
    
    return 0;

}

這樣我們就達到了我們的要求，那么還有新的問題，就是我創建一個TCP server不能只使用一個。
下面就是如果我這個TCPserver想要連接多個客戶端我應該怎么去做？
有兩個可行的方案，供我們使用:

多線程、多進程的方式
select，poll,epoll多路復用的方式。
我們首先看一下第一種的方式
多進程的方式，創建一個服務器，實現一個TCP 服務器可以連接多個TCP 客戶端

#include<stdio.h>
#include<sys/socket.h>
#include<sys/types.h>
#include<netinet/in.h>
#include<fcntl.h>
#include <unistd.h>



#define BUFFER_LENGTH 128


int main()
{

     unsigned char buffer[BUFFER_LENGTH]={0};
    //socket有兩個參數，第一個參數指定我們要使用IPV4，還是IPV6，第二個參數表明我們要使用套接字類型，這里我們使用的是流格式的套接字，第三個參數就是我們需要使用傳輸協議
    //這里使用0，表示讓系統自動推導我們需要使用的傳輸協議。
    int listenfd= socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    //如果返回值為-1，說明我們創建SOCKET失敗，直接返回。
    if (listenfd==-1)
    {
        return -1;
    }
    //我們需要綁定的信息
    struct sockaddr_in serveraddr;
    //使用IPV4
    serveraddr.sin_family=AF_INET;
    //我們需要綁定的IP地址，INADDR_ANY 就是0.0.0.0 ，就是所有網卡的所有IP段都可以連接到我們的創建的TCP服務器上。
    serveraddr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
    //我們需要綁定的端口，這里我們綁定的端口為9999
    serveraddr.sin_port=htons(9999);
    //第一個參數我們創建的套接字，第二個是我們填寫的綁定信息，最后是我們的綁定信息結構體的大小。    
    if (-1==bind(listenfd,(const  sockaddr*)&serveraddr,sizeof(serveraddr)))
    {
        return -2;        
    }
    //監聽我們創建的套接字，請求的隊列數量，這里我們填寫為10個
    listen(listenfd,10);
    //定義客戶端的socket
    ;
    while (1)
    {
        struct sockaddr_in client;
        //客戶端結構體的長度
        socklen_t len=sizeof(client);
        //等待接受連接
        //第一個參數服務器的套接字，第二個接收到的客戶端的socket，第三個函數就是結構體的長度
        int clientfd=accept(listenfd,(struct sockaddr*)&client,&len);
        if (clientfd<0)
        {
            close(listenfd);
            return -3;
        }
        
        pid_t id=fork();
        if (id<0)
        {
            perror("fork");
        }else if (id==0)
        {
           close(listenfd);
           pid_t idd= fork();
           if (idd<0)
           {
             perror("second fork");
             _exit(5);
           }
           else if (idd==0)
           {
                while (1)
            {
                //收函數
                //第一個參數客戶端的套接字，第二個參數，接受的緩沖區，第三個參數緩沖區的大小，第4個參數接收到的字節數
                 int ret = recv(clientfd,buffer,BUFFER_LENGTH,0);
                if (ret<=0)
                {
                    close(clientfd);
                    break;
                }
                 printf("buffer: %s , ret : %d\n",buffer,ret);
        //發函數
        //第一個參數客戶端的套接字，第二個參數，發送的緩沖區，第三個參數發送的字節數，第4個參數實際發送的字節數
                 ret = send(clientfd,buffer,ret,0);
        }
           }else{
             _exit(6);
           }
           

           
        }
        

#if 0
        //接受的緩沖區大小
        unsigned char buffer[BUFFER_LENGTH]={0};
        while (1)
        {
           //收函數
            //第一個參數客戶端的套接字，第二個參數，接受的緩沖區，第三個參數緩沖區的大小，第4個參數接收到的字節數
            int ret = recv(clientfd,buffer,BUFFER_LENGTH,0);
            if (ret<=0)
            {
             close(clientfd);
                break;
            }
            printf("buffer: %s , ret : %d\n",buffer,ret);
        //發函數
        //第一個參數客戶端的套接字，第二個參數，發送的緩沖區，第三個參數發送的字節數，第4個參數實際發送的字節數
            ret = send(clientfd,buffer,ret,0);
        }
#endif
    }
   
    
    
    return 0;

}

然后我們在看看通過第一種方式的多線程的方式來完成我們的TCP服務器

#include<stdio.h>
#include<sys/socket.h>
#include<sys/types.h>
#include<netinet/in.h>
#include<fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include<thread>


#define BUFFER_LENGTH 128

void routine(void *arg) {

	int clientfd = *(int *)arg;

	while (1) {
		
		unsigned char buffer[BUFFER_LENGTH] = {0};
		int ret = recv(clientfd, buffer, BUFFER_LENGTH, 0);
		if (ret == 0) {
			close(clientfd);
			break;
			
		}
		printf("buffer : %s, ret: %d\n", buffer, ret);

		ret = send(clientfd, buffer, ret, 0); // 

	}

}

int main()
{

     unsigned char buffer[BUFFER_LENGTH]={0};
    //socket有兩個參數，第一個參數指定我們要使用IPV4，還是IPV6，第二個參數表明我們要使用套接字類型，這里我們使用的是流格式的套接字，第三個參數就是我們需要使用傳輸協議
    //這里使用0，表示讓系統自動推導我們需要使用的傳輸協議。
    int listenfd= socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    //如果返回值為-1，說明我們創建SOCKET失敗，直接返回。
    if (listenfd==-1)
    {
        return -1;
    }
    //我們需要綁定的信息
    struct sockaddr_in serveraddr;
    //使用IPV4
    serveraddr.sin_family=AF_INET;
    //我們需要綁定的IP地址，INADDR_ANY 就是0.0.0.0 ，就是所有網卡的所有IP段都可以連接到我們的創建的TCP服務器上。
    serveraddr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
    //我們需要綁定的端口，這里我們綁定的端口為9999
    serveraddr.sin_port=htons(9999);
    //第一個參數我們創建的套接字，第二個是我們填寫的綁定信息，最后是我們的綁定信息結構體的大小。    
    if (-1==bind(listenfd,(const  sockaddr*)&serveraddr,sizeof(serveraddr)))
    {
        return -2;        
    }
    //監聽我們創建的套接字，請求的隊列數量，這里我們填寫為10個
    listen(listenfd,10);
    //定義客戶端的socket
    ;
    while (1)
    {
        struct sockaddr_in client;
        //客戶端結構體的長度
        socklen_t len=sizeof(client);
        //等待接受連接
        //第一個參數服務器的套接字，第二個接收到的客戶端的socket，第三個函數就是結構體的長度
        int clientfd=accept(listenfd,(struct sockaddr*)&client,&len);
        if (clientfd<0)
        {
            close(listenfd);
            return -3;
        }
        
        std::thread t{&routine,&clientfd};
        t.detach();

           
    }
        

#if 0
        //接受的緩沖區大小
        unsigned char buffer[BUFFER_LENGTH]={0};
        while (1)
        {
           //收函數
            //第一個參數客戶端的套接字，第二個參數，接受的緩沖區，第三個參數緩沖區的大小，第4個參數接收到的字節數
            int ret = recv(clientfd,buffer,BUFFER_LENGTH,0);
            if (ret<=0)
            {
             close(clientfd);
                break;
            }
            printf("buffer: %s , ret : %d\n",buffer,ret);
        //發函數
        //第一個參數客戶端的套接字，第二個參數，發送的緩沖區，第三個參數發送的字節數，第4個參數實際發送的字節數
            ret = send(clientfd,buffer,ret,0);
        }
#endif   
    
    return 0;

}

這樣我們的就完成了我們TCP 單進程多線程服務器的創建，這里會有一個問題：如果我們就想要通過單線程完成我們的可以接受多個客戶端的連接，我們應該怎么去實現那？
在這里，我大概講一下我自己的理解，可能理解的不對，也是剛開始學，我是這樣去理解，當我們使用單線程只能接受一個客戶端的TCP服務器的時候，當我們連接第2個客戶端的時候，ACCEPT是可以接收的，但是沒有辦法進行消息的收發，因此我們就有這樣的一個思路去完成我們的需求，就是通過類似哈希表一樣的結構，有一個新的連接連入我們的時候，我們就插入這個表，然后我們開始輪詢遍歷這個表中的連接，如果有讀寫的事件產生，我們就調用recv和send函數進行調用，完成我們的需求。

類似圖片中的輪詢，下面我們看一下使用select函數的代碼是怎么樣的。

#include<stdio.h>
#include<sys/socket.h>
#include<sys/types.h>
#include<netinet/in.h>
#include<fcntl.h>
#include <unistd.h>


#define BUFFER_LENGTH 128



int main()
{

     unsigned char buffer[BUFFER_LENGTH]={0};
     int ret=0;
    //socket有兩個參數，第一個參數指定我們要使用IPV4，還是IPV6，第二個參數表明我們要使用套接字類型，這里我們使用的是流格式的套接字，第三個參數就是我們需要使用傳輸協議
    //這里使用0，表示讓系統自動推導我們需要使用的傳輸協議。
    int listenfd= socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    //如果返回值為-1，說明我們創建SOCKET失敗，直接返回。
    if (listenfd==-1)
    {
        return -1;
    }
    //我們需要綁定的信息
    struct sockaddr_in serveraddr;
    //使用IPV4
    serveraddr.sin_family=AF_INET;
    //我們需要綁定的IP地址，INADDR_ANY 就是0.0.0.0 ，就是所有網卡的所有IP段都可以連接到我們的創建的TCP服務器上。
    serveraddr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
    //我們需要綁定的端口，這里我們綁定的端口為9999
    serveraddr.sin_port=htons(9999);
    //第一個參數我們創建的套接字，第二個是我們填寫的綁定信息，最后是我們的綁定信息結構體的大小。    
    if (-1==bind(listenfd,(const  sockaddr*)&serveraddr,sizeof(serveraddr)))
    {
        return -2;        
    }
    //監聽我們創建的套接字，請求的隊列數量，這里我們填寫為10個
    listen(listenfd,10);
    //定義客戶端的socket
   
    //定義可讀序列和可寫序列
    fd_set rfds,wfds,rset,wset;
    //清空序列
    FD_ZERO(&rfds);
    //設置讀的序列
    FD_SET(listenfd,&rfds);
    //清空可寫的序列
    FD_ZERO(&wfds);

    int maxfd=listenfd;
    
    while (1)
    {
        //開始進行序列的賦值，
        rset=rfds;
        wset=wfds;

        //select開始多路服用
        //第一個參數是所有文件描述符的范圍，第二個參數監控讀的文件描述符的序列，第三個參數監控寫的文件描述符的序列， 第4個參數監控異常的序列，第5個參數等待的時間，0是指無限等待
        int nready=select(maxfd+1,&rset,&wset,NULL,NULL);
        //判斷listenfd服務器socket是否被設置，設置代表有效。
        if (FD_ISSET(listenfd,&rset))
        {
            printf("listen --> \n");
            struct sockaddr_in client;
			socklen_t len = sizeof(client);
            	//開始接受客戶端得連接
			int clientfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)&client, &len);
            //添加可讀列表中
			FD_SET(clientfd, &rfds);
            //如果客戶端的文件描述符的序號大于最大的文件描述符的編號
			if (clientfd > maxfd) maxfd = clientfd;
        }
        int i = 0;
        //開始輪詢監聽的已經連接的客戶端的socket
		for (i = listenfd+1; i <= maxfd;i ++) {
            //如果有可讀的事件
			if (FD_ISSET(i, &rset)) { //
                //開始接受信息
				ret = recv(i, buffer, BUFFER_LENGTH, 0);
				if (ret <= 0) {
					close(i);
					FD_CLR(i, &rfds);
					
				} else if (ret > 0) {
                    //打印接受到信息
					printf("buffer : %s, ret: %d\n", buffer, ret);
                    //設置可寫的事件
					FD_SET(i, &wfds);
				}
				//如果有可寫的事件
			} else if (FD_ISSET(i, &wset)) {
				//開發發送消息
				ret = send(i, buffer, ret, 0); // 
				//清空可寫的事件
				FD_CLR(i, &wfds); 
                //設置可讀事件，因為并沒有斷開連接
				FD_SET(i, &rfds);
				

			}

		}
		
    }
        
    return 0;

}

這樣就完成了我們的select選擇模型的代碼。今天我們就介紹到這里。

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posted @ 2022-10-08 21:04 飄雨的河閱讀(46) 評論(0) 收藏舉報

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網絡io與select

一個十分簡單的TCP服務器

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