【Linux篇】网络编程—

一、初识复用

1. 认识复用

2. 复用的优点

3. 复用技术在服务端的应用

二、select 技术

1. 设置文件描述符（fd_set）

2. 文件描述符的控制

（1）FD_ZERO

（2）FD_SET

（3）FD_CLR

（4）FD_ISSET

3. select 函数

4. select 实例

（1）客户端

（2）服务器端

三、epoll 技术

1. 认识 epoll

2. epoll 优点

3. epoll 中的事件保存

4. epoll_create

5. epoll_ctl

6. epoll_wait

7. 条件触发和边缘触发

8. epoll 实例

（1）客户端

（2）服务端（边缘触发模式）

一、初识复用

1. 认识复用

“复用” 的含义：为了提高物理设备的效率，用最少的物理要素传递最多数据时使用的技术。

上图远距离的 3 人可以同时通话的 3 方对话纸杯电话系统。为使 3 人同时对话，需准备图中所示系统。

另外，为了完成 3 人对话，说话时需同时对着两个纸杯，接听时也需要耳朵同时对准两个纸杯。此时引入复用技术会使通话更加方便，如下图。

2. 复用的优点

减少连线长度。
减少纸杯个数。

3. 复用技术在服务端的应用

纸杯电话系统引入复用技术后，可以减少纸杯数和连线长度。同样，服务器端引入复用技术
可以减少所需进程数。

下图模型中引入复用技术，可以减少进程数。重要的是，无论连接多少客户端，提供服务的进程只有1个。

二、select 技术

上图为从调用 select 函数到获取结果所经过程。

1. 设置文件描述符（fd_set）

利用 select 函数可以同时监视多个文件描述符。

监视文件描述符可以视为监视套接字。此时首先需要将要监视的文件描述符集中到一起。集中时也要按照监视项（接收、传输、异常）进行区分，即按照上述 3 种监视项分成 3 类。

图中最左端的位表示文件描述符 0（所在位置）。如果该位设置为 1，则表示该文件描述符是监视对象。

2. 文件描述符的控制

（1）FD_ZERO

FD_ZERO（fd_set * fdset）

将 fd_set 变量的所有位初始化为 0。

（2）FD_SET

FD_SET（int fad, fd_set * fdset）

在参数 fdset 指向的变量中注册文件描述符 fd 的信息。

（3）FD_CLR

FD_CLR（int fd, fd_set * fdset）

从参数 fdset 指向的变量中清除文件描述符 fd 的信息。

（4）FD_ISSET

FD_ISSET（int fd, fd_set * fdset）

用于验证select函数的调用结果。若参数 fdset 指向的变量中包含文件描述符 fd 的信息，则返回“真”。

3. select 函数

#include <sys/select.h>
#include<sys/time.h>int select（int maxfd,fd_set * readset,fd_set * writeset,fd_set * exceptset,const struct timeval * timeout）；

① maxfd

监视对象文件描述符数量。文件描述符的监视范围与这个参数有关。

② readset

将所有关注 “是否存在待读取数据” 的文件描述符注册到 fd_set 型变量，并传递其地址值。

③ writeset

将所有关注 “是否可传输无阻塞数据” 的文件描述符注册到 fd_set 型变量，并传递其地址值。

④ exceptset

将所有关注 “是否发生异常” 的文件描述符注册到 fd_set 型变量，并传递其地址值。

⑤ timeout

调用 select 函数后，为防止陷入无限阻塞的状态，传递超时（time-out）信息。

struct timeval
｛long tv_sec；	// seconds（秒）long tv_usec；  // microseconds（毫秒）
}

⑥ 返回值

发生错误时返回 -1，超时返回时返回 0。因发生关注的事件返回时，返回大于 0 的值，该值是发生事件的文件描述符数。

补充：

① select 函数用来验证 3 种监视项的变化情况。根据监视项声明 3 个 fd_set 型变量，分别向其注册文件描述符信息，并把变量的地址值传递到上述函数的第二到第四个参数。

② select 函数要求通过第一个参数传递监视对象文件描述符的数量。因此，需要得到注册在 fd_set 变量中的文件描述符数。但每次新建文件描述符时，其值都会增 1，故只需将最大的文件描述符值加 1 再传递到 select 函数即可。加 1 是因为文件描述符的值从 0 开始。

③ 由上图可知，select函数调用完成后，向其传递的 fd_set 变量中将发生变化。原来为 1 的所有位均变为 0，但发生变化的文件描述符对应位除外。因此，可以认为值仍为 1 的位置上的文件描述符发生了变化。

4. select 实例

（1）客户端

#include <string.h>
#include <sys/select.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <iostream>
#include <unistd.h>
using namespace std;#define MAX_LEN  1024int main(int argc, char const *argv[])
{int client_sock;struct sockaddr_in server_addr;socklen_t server_addr_len;char message[MAX_LEN];if (argc != 3) {cout << "Using: " << argv[0] << " 10.211.55.8 <port>" << endl;exit(1);}// 定义客户端 socketclient_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (client_sock == -1) {perror("socket()");exit(1);}// 连接服务器memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));server_addr.sin_family = AF_INET;server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);server_addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));server_addr_len = sizeof(server_addr);if (connect(client_sock, (struct sockaddr *)&server_addr, server_addr_len) == -1) {perror("connect()");exit(1);}else {cout << "connect success ·······" << endl;}for (int i = 0; i < 3; i++) {memset(&message, 0, sizeof(message));cout << "client send: ";cin >> message;send(client_sock, message, sizeof(message), 0);recv(client_sock, message, MAX_LEN, 0);cout << "client recv: " << message << endl;}close(client_sock);return 0;
}

（2）服务器端

#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/select.h>
#include <iostream>
#include <unistd.h>
using namespace std;#define MAX_LEN  1024int main(int argc, char const *argv[])
{int server_sock, client_sock;struct sockaddr_in server_addr, client_addr;struct timeval timeset;socklen_t client_addr_len;int fd_max, df_num, str_len;char message[MAX_LEN];if (argc != 2) {cout << "Using: " << argv[0] << " <port>" << endl;exit(1);}// 创建服务端 socketserver_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (server_sock == -1) {perror("socket()");exit(1);}// 绑定 IP和端口memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));server_addr.sin_family = AF_INET;server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);server_addr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));if (bind(server_sock, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {perror("bind()");exit(1);}// 开启监听if (listen(server_sock, 5) == -1) {perror("listen()");exit(1);}// 初始化监听窗口fd_set fdset, copy_fdset;FD_ZERO(&fdset);FD_SET(server_sock, &fdset);fd_max = server_sock;while (1) {// 设置超时// timeset.tv_sec = 5;     // 5秒后超时// timeset.tv_usec = 0; copy_fdset = fdset;if(df_num = select(fd_max+1, &copy_fdset, 0, 0, 0) == -1) {perror("select()");break;} // if (df_num == 0) {//     cout << "not client ·······" << endl;//     continue;// }for (int i = 0; i < fd_max + 1; i++) {  // 循环到最大的文件标识符的索引处if (FD_ISSET(i, &copy_fdset)) {if (i == server_sock) {// 检测到的标识符为 服务端的// 表示服务端的 socket 接收到连接请求client_addr_len = sizeof(client_addr);if ((client_sock = accept(server_sock, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_addr_len)) == -1) {perror("accept()");exit(1);}FD_SET(client_sock, &fdset);   // 将新添加的客户端 socket 加入监视队列中if (client_sock > fd_max) fd_max = client_sock;     // 更新最大文件标识符char client_ip[16];inet_ntop(AF_INET, &client_addr.sin_addr.s_addr, client_ip, 16);cout << "connected client IP: " << client_ip << " post: " << ntohs(client_addr.sin_port) << endl;// cout << "continue ··········" << endl;}else {// 检测到的标识符不是服务端// 表示为客户端向服务端 传输数据，或者是 发送的断开连接请求str_len = recv(i, message, MAX_LEN, 0);if (str_len == -1) {perror("recv");exit(1);}else if (str_len > 0) {cout << "receive " << i << " client data: " << message << endl;send(i, message, sizeof(message), 0);}else if (str_len == 0) {// 断开连接FD_CLR(i, &fdset);cout << "closed client: " << i << " successed ········" << endl;}}}}}close(server_sock);return 0;
}

三、epoll 技术

1. 认识 epoll

每次调用 select 函数时向操作系统传递监视对象信息。应用程序向操作系统传递数据将对程序造成很大负担，而且无法通过优化代码解决，因此将成为 性能上的致命弱点。

有些函数不需要操作系统的帮助就能完成功能，而有些则必须借助于操作系统。select 函数与文件描述符有关，更准确地说，是监视套接字变化的函数。而套接字是由操作系统管理的，所以 select 函数绝对需要借助于操作系统才能完成功能。select 函数的这一缺点可以通过如下方式弥补：

仅向操作系统传递1次监视对象，监视范围或内容发生变化时只通知发生变化的事项。

2. epoll 优点

无需编写以监视状态变化为目的的针对所有文件描述符的循环语句。
调用对应于 select 函数的 epoll_wait 函数时无需每次传递监视对象信息。

3. epoll 中的事件保存

epoll 方式中通过如下结构体 epoll_event 将发生变化的（发生事件的）文件描述符单独集中到一起。

struct epoll_event
{__uint32_t events；epoll_data_t data；
}typedef union epol1_data
{void * ptr；int fd；__uint32_t u32；__uint64_t u64；
} epoll_data_t；

声明足够大的 epoll_event 结构体数组后，传递给 epoll_ wait 函数时，发生变化的文件描述符信息将被填人该数组。因此，无需像 select 函数那样针对所有文件描述符进行循环。

4. epoll_create

#include <sys/epoll.h>int epol1_create(int size);

① size

epoll 实例的大小。

② 返回

成功时返回 epoll 文件描述符，失败时返回 -1。

补充：

调用 epoll_create 函数时创建的文件描述符保存空间称为 “epoll 例程 ” ，但有些情况下名称不同。
通过参数 size 传递的值决定 epoll 例程的大小，但该值只是向操作系统提的建议。换言之，size 并非用来决定 epoll 例程的大小，而仅供操作系统参考。
epoll_create 函数创建的资源与套接字相同，也由操作系统管理。因此，该函数和创建套接字的情况相同，也会返回文件描述符。也就是说，该函数返回的文件描述符主要用与于区分 epoll 例程。需要终止时，与其他文件描述符相同，也要调用 close 函数。

5. epoll_ctl

#include <sys/epoll.h>int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event * event);

① epfd

用于注册监视对象的epoll例程的文件描述符。

② op

EPOLL_CTL_ADD： 将文件描述符注册到epoll例程。
EPOLL_CTL_DEL： 从epoll例程中删除文件描述符。
EPOLL_CTL_MOD： 更改注册的文件描述符的关注事件发生情况。

用于指定监视对象的添加、删除或更改等操作。

③ fd

需要注册的监视对象文件描述符。

④ event

监视对象的事件类型。

⑤ 返回

成功时返回 0，失败时返回 -1。

补充：

epoll_ctl(A, EPOLL_CTL_ADD, B, C);表示为：从epoll例程A中注册文件描述符B，主要目的是监视参数C中的事件。

struct epoll_event event；
······
event.events = EPOLLIN；//发生需要读取数据的情况（事件）时
event.data.fd = sockfd；
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, sockfd，&event);
······

EPOLLIN：需要读取数据的情况。
EPOLLOUT：输出缓冲为空，可以立即发送数据的情况。
EPOLLPRI： 收到OOB数据的情况。
EPOLLRDHUP：断开连接或半关闭的情况，这在边缘触发方式下非常有用。
EPOLLERR：发生错误的情况。
EPOLLET：以边缘触发的方式得到事件通知。
EPOLLONESHOT：发生一次事件后，相应文件描述符不再收到事件通知。因此需要向epoll_ctl函数的第二个参数传递EPOLL_CTL_MOD，再次设置事件。

6. epoll_wait

#include <sys/epoll.h>int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);

① epfd

表示事件发生监视范围的 epoll 例程的文件描述符。

② events

保存发生事件的文件描述符集合的结构体地址值。

③ maxevents

第二个参数中可以保存的最大事件数。

④ timeout

以 1/1000 秒为单位的等待时间，传递 -1 时，一直等待直到发生事件。

⑤ 返回

成功时返回发生事件的文件描述符数，失败时返回 -1。同时在第二个参数指向的缓冲中保存发生事件的文件描述符集合。因此，无需像select那样插入针对所有文件描述符的循环。

补充：

第二个参数所指缓冲需要动态分配。

int event_cnt；
struct epoll_event * ep_events；
······
ep_events = malloc(sizeof(struct epoll_event)*EPOLL_SIZE); // EPOLL_SIZE 是宏常量
event_Cnt = epoll_wait(epfd, ep_events, EPOLL_SIZE，-1);
······

7. 条件触发和边缘触发

条件触发（Level Trigger）方式中，只要输入缓冲有数据就会一直通知该事件，就将以事件方式再次注册。

边缘触发（Edge Trigger）中输入缓冲收到数据时仅注册 1 次该事件。即使输入缓冲中还留有数据，也不会再进行注册。

8. epoll 实例

（1）客户端

#include <string.h>
#include <sys/select.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <iostream>
#include <unistd.h>
using namespace std;#define MAX_LEN  1024int main(int argc, char const *argv[])
{int client_sock;struct sockaddr_in server_addr;socklen_t server_addr_len;char message[MAX_LEN];if (argc != 3) {cout << "Using: " << argv[0] << " 10.211.55.8 <port>" << endl;exit(1);}// 定义客户端 socketclient_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (client_sock == -1) {perror("socket()");exit(1);}// 连接服务器memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));server_addr.sin_family = AF_INET;server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);server_addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));server_addr_len = sizeof(server_addr);if (connect(client_sock, (struct sockaddr *)&server_addr, server_addr_len) == -1) {perror("connect()");exit(1);}else {cout << "connect success ·······" << endl;}for (int i = 0; i < 3; i++) {memset(&message, 0, sizeof(message));cout << "client send: ";cin >> message;send(client_sock, message, sizeof(message), 0);recv(client_sock, message, MAX_LEN, 0);cout << "client recv: " << message << endl;}close(client_sock);return 0;
}

（2）服务端（边缘触发模式）

#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
using namespace std;#define MAX_LEN  4
#define EPOLL_SIZE  50void setnonblockingmode(int fd);int main(int argc, char const *argv[])
{int server_sock, client_sock;struct sockaddr_in server_addr, client_addr;socklen_t client_addr_len;int epfd, event_cnt;struct epoll_event * ep_events;     // 单独保存发生的事件struct epoll_event event;   // 单个时间int str_len;char message[MAX_LEN];if (argc != 2) {cout << "Using: " << argv[0] << " <port>" << endl;exit(1);}// 定义服务端 socketserver_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (server_sock == -1) {perror("socket()");exit(1);}// 绑定 IP和端口memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));server_addr.sin_family = AF_INET;server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);server_addr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));if (bind(server_sock, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {perror("bind()");exit(1);}// 开启监听if (listen(server_sock, 5) == -1) {perror("listen()");exit(1);}epfd = epoll_create(EPOLL_SIZE);    // 创建文件描述符保存空间ep_events = (struct epoll_event *)malloc(sizeof(struct epoll_event) * EPOLL_SIZE);  // 为储存事件的空间开辟内存setnonblockingmode(server_sock);event.events = EPOLLIN;event.data.fd = server_sock;epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, server_sock, &event);    // 将服务器的 socket 注册进去while (1) {event_cnt = epoll_wait(epfd, ep_events, EPOLL_SIZE, -1);    // 等待有 socket 被填入到 ep_events 中if (event_cnt == -1) {perror("epoll_wait()");break;}cout << "return epoll_wait" << endl;for (int i = 0; i < event_cnt; i++) {if (ep_events[i].data.fd == server_sock) {// 客户端发来了连接请求client_addr_len = sizeof(client_addr);client_sock = accept(server_sock, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_addr_len);if (client_sock == -1) {perror("accept()");exit(1);}setnonblockingmode(client_sock);event.events = EPOLLIN | EPOLLET;   // 边缘触发模式event.data.fd = client_sock;epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, client_sock, &event);    // 将新的客户端注册进去char client_ip[16];inet_ntop(AF_INET, &client_addr.sin_addr.s_addr, client_ip, 16);cout << "client connected: IP " << client_ip << " port " << ntohs(client_addr.sin_port) << endl;}else {// 发送信息或者断开连接while (1) {     // 循环把输入缓存中的数据全都读完str_len = recv(ep_events[i].data.fd, message, MAX_LEN, 0);if (str_len == 0) {// 断开连接epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, ep_events[i].data.fd, NULL);close(ep_events[i].data.fd);    // 关闭断开连接的 socketcout << "closed client: " << ep_events[i].data.fd << endl;}else if (str_len < 0) {if (errno == EAGAIN) {  // 没有数据可读break;}}else {// cout << "receive client " << ep_events[i].data.fd << " : " << message << endl;send(ep_events[i].data.fd, message, sizeof(message), 0);}}}}}close(server_sock);close(epfd);return 0;
}void setnonblockingmode(int fd) {// 设置非阻塞模式int flag = fcntl(fd, F_GETFL, 0);   // 获取之前设置的属性信息fcntl(fd, F_SETFL, flag | O_NONBLOCK);  // 在此基础上添加非阻塞的 O_NONBLOCK
}