TCP/IP LINUX/windows下 socket 基于I/O复用的服务器端代码 解决多进程服务端创建进程资源浪费问题

原文作者：aircraft

原文链接：https://www.cnblogs.com/DOMLX/p/9613861.html

好了，继上一篇说到多进程服务端也是有缺点的，每创建一个进程就代表大量的运算与内存空间占用，相互进程数据交换也很麻烦。

本章的I/O模型就是可以解决这个问题的其中一种模型。。。废话不多说进入主题--

I/O复用技术主要就是select函数的使用。

一.I/O复用预备知识--select()函数用法与作用

select()用来确定一个或多个套接字的状态（更为本质一点来讲是文件描述符的状态）。

使用select()所需要包含的头文件是:#include

函数原型为：int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, const struct timeval *timeout);

接下来根据函数原型一点点的介绍一下select（）函数。

（1），struct fd_set 这是一个集合，这个集合中存放的是文件描述符（在unix、linux系统中任何的设备、管道、FIFO等都可通过文件描述符的形式来访问）。当然一个socket也是一个文件描述符啦。相关的操作有：

FD_ZERO(fd_set *)将某一个集合清空

FD_SET(int, fd_set *)将一个给定的文件描述符加入到集合之中

FD_CLR(int, fd_set *)从集合中删除指定的文件描述符。

FD_ISSET(int, fd_set *)检查集合中指定的文件描述符是否准备好（可读或可写）

（2），struct timeval这是常用的一个结构体，用来表示时间值，有两个结构体成员：tv_sec表示秒数和tv_usec表示毫秒数。

接下来具体解释一下select的参数：

nfds:一个整数值，表示的是所要监视的文件描述符的范围。即你所要监听的文件描述符的最大值+1（因为select()函数进行遍历的时候是从0-文件描述符开始遍历的）。

readfds:是指向fd_set结构的指针，这个集合中加入我们所需要监视的文件可读操作的文件描述符。

writefds:指向fd_set结构的指针，这个集合中加入我们所需要监视的文件可写操作的文件描述符。

exceptfds:指向fd_set结构的指针，这个集合中加入我们所需要监视的文件错误异常的文件描述符。

timeout:指向timeval结构体的指针，通过传入的这个timeout参数来决定select()函数的三种执行方式：

1.传入的timeout为NULL，则表示将select()函数置为阻塞状态，直到我们所监视的文件描述符集合中某个文件描述符发生变化是，才会返回结果。

2.传入的timeout为0秒0毫秒，则表示将select()函数置为非阻塞状态，不管文件描述符是否发生变化均立刻返回继续执行。

3.传入的timeout为一个大于0的值，则表示这个值为select()函数的超时时间，在timeout时间内一直阻塞，超过时间即返回结果。

然后该说一说select()函数的返回值了:

返回-1：select()函数错误,并将所有描述符集合清0，具体的错误可以通过errno输出来查看（在windows下通过GetLastError获取相应的错误代码）。

返回0：表示select()函数超时。

返回正数：返回的正数值表示已经准备好的描述符数。

注意在每次select()函数调用以后，都需要将集合清空，因为状态已经改变，若需要重新监视就需要重新清空后在加入需要监视的文件描述符。

下面通过示例把select函数所有知识点进行整合，希望各位通过如下示例完全理解之前的内容。

linux下监控键盘数据:

    #include   
    #include   
    #include   
    #include   
    #include   
    #include   
    int main ()  
    {  
        int keyboard;  
        int ret,i;  
        char c;  
        fd_set readfd;  
        struct timeval timeout;  
        keyboard = open("/dev/tty",O_RDONLY | O_NONBLOCK);  
        assert(keyboard>0);  
        while(1)  
        {  
            //设置select函数的超时
            timeout.tv_sec=1;  
            timeout.tv_usec=0;          //初始化fd_set结构体变量
            FD_ZERO(&readfd);  
            FD_SET(keyboard,&readfd);  
      
            ///监控函数  
            ret=select(keyboard+1,&readfd,NULL,NULL,&timeout);  
            if(ret == -1)   //错误情况  
                cout<<"error"<
 
好了大概对select函数有一定的认知了，下面通过select函数实现I/O复用服务端。
 
二.基于I/O复用的回声服务端
 
什么是I/O复用？通俗点讲，其实就是一个事件监听，只是这个监听的事件一般是I/O操作里的读(read)与写(write)，只要发生了监听的事件它就会响应。注意与一般服务器的区别，一般服务器是连接请求先进入请求队列里，然后，服务端套接字一个个有序去受理。而I/O复用服务器是事件监听，只要对应监听事件发生就会响应，是属于并发服务器的一种。
I/O复用的使用 
1，I/O复用的使用其实就是对select函数的使用，说select函数是I/O复用的全部内容也不为过。但这个函数与一般函数不同，它很难使用，我们先来看看它的调用顺序，分为3步： 
步骤一：
步骤二：
步骤三：
查看调用结果，FD_ISSET(0, &reads)发生变化返回真。
调用select函数
设置文件描述符，即注册要监听的文件描述符，如监听标准输入的文件描述符0 -> FD_SET(0, &reads)
指定监视范围，Linux上创建文件对象生成的对应文件描述符是从0开始递增的，所以最大监视范围为最后创建的文件描述符+1。
设置超时，因为select函数是一个阻塞函数，只有监视的文件描述符发生变化才会返回，设置超时就是为了防止阻塞，如果不想设置超时，则传递NULL。
 
下面给出LINUX下基于I/O复用服务端实现代码：
#include #include #include #include #include #include #include #include #define BUF_SIZE 100void error_handling(char *message);int main(int argc, const char * argv[]) {    int serv_sock, clnt_sock;    struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;    struct timeval timeout;
    fd_set reads, cpy_reads;

    socklen_t adr_sz;    int fd_max, str_len, fd_num;    char buf[BUF_SIZE];    if (argc != 2) {
        printf("Usage: %s  n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
    serv_adr.sin_family = AF_INET;
    serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));    if(bind(serv_sock, (struct sockaddr *) &serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1)
        error_handling("bind() error");    if(listen(serv_sock, 5) == -1)
        error_handling("listen() error");

    FD_ZERO(&reads);    //向要传到select函数第二个参数的fd_set变量reads注册服务器端套接字
    FD_SET(serv_sock, &reads);
    fd_max = serv_sock;    while (1)
    {
        cpy_reads = reads;
        timeout.tv_sec = 5;
        timeout.tv_usec = 5000;        //监听服务端套接字和与客服端连接的服务端套接字的read事件
        if ((fd_num = select(fd_max + 1, &cpy_reads, 0, 0, &timeout)) == -1)            break;        if(fd_num == 0)            continue;        if (FD_ISSET(serv_sock, &cpy_reads))//受理客服端连接请求        {
            adr_sz = sizeof(clnt_adr);
            clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr *)&clnt_adr, &adr_sz);
            FD_SET(clnt_sock, &reads);            if(fd_max < clnt_sock)
                fd_max = clnt_sock;
            printf("connected client: %d n", clnt_sock);
        }        else//转发客服端数据        {
            str_len = read(clnt_sock, buf, BUF_SIZE);            if (str_len == 0)//客服端发送的退出EOF            {
                FD_CLR(clnt_sock, &reads);
                close(clnt_sock);
                printf("closed client: %d n", clnt_sock);
            }            else
            {                //接收数据为字符串时执行回声服务                write(clnt_sock, buf, str_len);
            }
        }
    }

    close(serv_sock);    return 0;
}void error_handling(char *message)
{
    fputs(message, stderr);
    fputc('n', stderr);
    exit(1);
}
下面给出LINUX下基于I/O复用客户端实现代码：
#include #include #include #include #include #include #define BUF_SIZE 1024void error_handling(char *message)
{
    fputs(message, stderr);
    fputc('n', stderr);
    exit(1);
}int main(int argc, const char * argv[]) {    int sock;    char message[BUF_SIZE];    int str_len, recv_len, recv_cnt;    struct sockaddr_in serv_adr;    if(argc != 3)
    {
        printf("Usage: %s   n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);    if(sock == -1)
        error_handling("socket() error");

    memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
    serv_adr.sin_family = AF_INET;
    serv_adr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));    if (connect(sock, (struct sockaddr *) &serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1)
        error_handling("connect() error");    else
        puts("Connected ...............");    while (1) {
        fputs("Input message(Q to quit): ", stdout);
        fgets(message, BUF_SIZE, stdin);        if (!strcmp(message, "qn") || !strcmp(message, "Qn"))            break;

        str_len = write(sock, message, strlen(message));        
        recv_len = 0;        while (recv_len < str_len) {
            recv_cnt = read(sock, &message[recv_len], BUF_SIZE - 1);            if(recv_cnt == -1)
                error_handling("read() error");
            recv_len += recv_cnt;
        }
        message[recv_len] = 0;
        printf("Message from server: %s", message);
    }

    close(sock);    return 0;
}
 
 
下面给出windows下I/O复用socket服务端代码：
#include#include#pragma comment(lib,"ws2_32.lib")#define bufsize 1024using namespace std;void main() {
    WSADATA wsadata;
    SOCKET serverSocket,clientSocket;    int szClientAddr,fdnum,str_len;
    SOCKADDR_IN  serverAddr, clientAddr;
    fd_set reads, cpyReads;
    TIMeval timeout;    char message[bufsize] = ""; 
    if(WSAStartup(MAKEWORd(2, 2), &wsadata)!=0)
        cout<<"WSAStartup() error"<
 
下面给出windows下I/O复用socket客户端代码：
 
#include#include#pragma comment(lib,"ws2_32.lib")#define bufsize 1024using namespace std;void main() {
    WSADATA wsadata;
    SOCKET clientSocket;
    SOCKADDR_IN  serverAddr;    int  recvCnt; 
    char message[bufsize] = "";    if (WSAStartup(MAKEWORd(2, 2), &wsadata) != 0)
        cout << "WSAStartup() error" << endl; 
    if ((clientSocket = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == INVALID_SOCKET)
        cout << "socket()  error" << endl;
 
    serverAddr.sin_family = AF_INET;
    serverAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
    serverAddr.sin_port = htons(9999); 
    if(connect(clientSocket, (SOCKADDR*)&serverAddr, sizeof(serverAddr))==SOCKET_ERROR)
        cout<<"connect() error"<> message;        if (!strcmp(message, "Q") || !strcmp(message, "q")) break;
        send(clientSocket, message, strlen(message), 0);
        memset(message, 0, sizeof(message));
        recv(clientSocket, message, bufsize, 0);
        cout << "服务器结果：" << message << endl;
    }
    closesocket(clientSocket);
    WSACleanup();
}
 
 
最后说一句啦。本网络编程入门系列博客是连载学习的，有兴趣的可以看我博客其他篇。。。。
 
 
参考博客：https://blog.csdn.net/zl908760230/article/details/70257229
参考博客：https://blog.csdn.net/hshl1214/article/details/45872243
参考博客：https://blog.csdn.net/u010223072/article/details/48133725
参考书籍：《TCP/IP 网络编程 --尹圣雨》
原文出处：https://www.cnblogs.com/DOMLX/p/9613861.html