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技术系列之 网络模型(一)基础篇

2008-08-28 19:01 337 查看
作者:CppExplore 地址:http://www.cppblog.com/CppExplore/

全文针对linux环境。tcp/udp两种server种,tcp相对较复杂也相对比较常用。本文就从tcp server开始讲起。先从基本说起,看一个单线程的网络模型,处理流程如下:


socket-->bind-->listen-->[accept-->read-->write-->close]-->close
[]中代码循环运行,[]外的是对监听socket的处理,[]内的是对accept返回的客户socket的处理。这些系统调用的参数以及需要的头文件等,只需要在linux下man就好。

一、注意事项。
(1)包裹宏使用。这些系统调用返回-1表示失败。检测系统调用的返回值是个好习惯,应该说必须检测,如果系统调用总是成功的话,它为何又要有返回值呢?。每次检查的话,代码写起来又很是罗唆,并且容易遗漏检测。使用宏包裹系统调用或者使用包裹函数是不错的方案。下面给出几个预定义包裹宏:


#define NOERROR_FUNC(func,opt) if((func)<0) /


{ /


printf("Line[%d] error[%d:%s]/n",__LINE__,errno,strerror(errno)); /


opt; /


}


#define NOERROR_FUNC_1(func) NOERROR_FUNC(func,return -1)


#define NOERROR_FUNC_NULL(func) NOERROR_FUNC(func,return NULL)
不知道strerror?,刚说了,去linux下:man strerror
以后使用就可以类似于这样:


NOERROR_FUNC_1((fd=socket(AF_INET,SOCKET_STREAM,0)));


NOERROR_FUNC_1(bind(fd,(struct sockaddr *)&serverAddr,sizeof(struct sockaddr_in)));

(2)不能返回失败的错误。大多数阻塞式系统调用要处理EINTR错误,另accept还要处理ECONNABORTED。与(1)同样道理,预定义宏如下:


#define NOERROR_FUNC_BUT_ERR(func,opt,err,erropt) if((func)<0) /


{ /


printf("Line[%d] error[%d:%s]/n",__LINE__,errno,strerror(errno)); /


if(errno==err) { erropt;} /


else {opt;} /


}


#define NOERROR_FUNC_BUT_ERR_2(func,opt,err1,err2,erropt) if((func)<0) /


{ /


printf("Line[%d] error[%d:%s]/n",__LINE__,errno,strerror(errno)); /


if(errno==err1||errno==err2) { erropt;} /


else {opt;} /


}
调用accept的代码就可以如此写:


while(1)






{


client_sockfd=accept(fd,(struct sockaddr *)&clientAddr,&lenAddr);


NOERROR_FUNC_BUT_ERR_2(client_sockfd,retun -1,EINTR,ECONNABORTED,continue);







(3)涉及到系统调用分两类:从用户态到内核态,该类系统调用使用值参数,有:bind/setsockopt/connect;从内核态到用户态,该类系统调用使用值-结果参数,有:accept/getsockopt。
看下两者函数原型,从用户态到内核态:


int setsockopt(int s, int level, int optname, const void *optval, socklen_t optlen);


int connect(int sockfd, const struct sockaddr *serv_addr, socklen_t addrlen);


int bind(int sockfd,struct sockaddr *Addr,socklen_t addrlen);
从内核态到用户态:


int getsockopt(int s, int level, int optname, void *optval, socklen_t *optlen);


int accept(int sockfd,struct sockaddr *Addr,socklen_t *addrlen);
看最后一个参数,从用户态到内核态只要告诉内核参数长度的值就可以了,因此是值方式。从内核态到用户态,要事先准备好变量保存内核态返回的结果长度值,因此是指针方式,称之为值-结果参数。

二、系统调用
(1)socket


int fd;
NOERROR_FUNC_1(fd=socket(AF_INET,SOCKET_STREAM,0));
创建一个ipv4的tcp socket
(2)bind
把socket绑定到一个地址,首先要指明地址,如下:


struct sockaddr_in addr;


addr.sin_family=AF_INET;//协议类型


addr.sin_port=htons(5000);//端口地址


addr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);//此处表示任意ip(主机有多个网卡,则将环路地址127.0.0.1以及各网卡ip都指定)。


NOERROR_FUNC_1(bind(fd,(struct sockaddr *)addr,sizeof(struct sockaddr_in)));
创建ipv4协议的地址,使用5000端口,接收任何地址的connect,把该地址和fd绑定。
注意:
1、地址声明的时候使用struct sockaddr_in,使用的时候总是强制转化为struct sockaddr。
2、struct sockaddr_in结构中端口和ip都必须是网络序。htons把主机序的short int转化为网络序,htonl把主机序的long int转化为网络序。
3、除任意ip地址为常量外,一般习惯用点分字符串表示ip地址,而addr.sin_addr.s_addr要使用网络序整型。
因此有两个函数可以在字符串和网络序ip地址之间做转换:


const char *inet_ntop(int af, const void *src,char *dst, socklen_t cnt);


int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);
这里是需要网络序,因此使用ton(to net)那个函数,比如:


NOERROR_FUNC_1(inet_pton(AF_INET,"172.168.0.45", &addr.sin_addr.s_addr));
(3)setsockopt


long val;


socklen_t len=sizeof(val);


NOERROR_FUNC_1(setsockopt(fd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&(val=1),len));
给socket设置选项,常用的不多,SO_REUSEADDR是一个,服务器一般使用,其它还有SO_RCVBUF,SO_SNDBUF。accept返回的对端socket继承监听socket的发送缓存、接收缓存选项。一般也不需要设置SO_RCVBUF,SO_SNDBUF,默认的足够了,带宽很大的情况下,需要设置,以免其称为瓶颈,貌似默认的是8092字节。哦,还有要在listen前设置。
(4)listen


NOERROR_FUNC_1(listen(fd,SOMAXCONN));
把fd从主动端口变为被动端口,等待client connect。第二个参数是表示三次握手中队列以及完成了三次握手等待accept系统函数来取的队列的相加值,有的系统不是简单相加,还有一个系数,也就是如果设置5,系数是2,那么两个队列的和就是10。如果队列满,而accept没来取(很忙的情况下,来不及调用accept),再有连接来就会被拒绝掉,要想系统能处理超大爆发的连接,就加大这个参数值,加快accept的处理。SOMAXCONN表示取系统允许的最大值。
(5)accept
前面已经举例了,这里就不再列例子了。
阻塞式调用,需要处理EINTR(被信号终止),ECONNABORTED(返回前client异常终止),处理的方式就是重新accept。
(6)read


int read(int fd,char *buf,size_t len);
这是针对文件描述符的一个系统调用,socket也属于文件描述符。tcp协议中传输的数据都是流字节,没有什么结束符的标志,只能由协议提供结束方式,比如http协议使用"/r/n/r/n"或者"/n/n"标识一条信令结束,这样的话,我们只能一个字节一个字节的读取,然后结合已经读取的字节,判断是否应该结束读。而网络模型中要提高性能,一个重要方面就是要减少系统调用的次数。因此tcp中都要使用缓存区一次读取尽可能多的数据,然后再从该缓存区一个字节一个字节的读取,缓存区数据被读完而没有到结束位置的时候,再次调用系统调用read。
返回值为0表示对端正常关闭,大于0表示读取到的字节数。示例见最后例子。
(7)write


int write(int fd,char *buf,size_t len);
两个需要注意的地方:
1、对EINTR处理。防止被信号中断,没有正确写入需求的字符数。
2、signal(SIGPIPE, SIG_IGN);这句代码的意思是忽略SIGPIPE信号。
write写被重置(对端意外关闭)的套接口,产生SIGPIPE信号,不处理的话程序被终止。忽略的话,继续写会产生EPIPE错误,检查write系统调用的返回结果就好了。示例见最后例子。
signal的使用,man下就看到了,回调函数的原型等都有,SIG_IGN也会出现,呵呵。
(8)close就不说了
(9)fcntl
要对socket设置为非阻塞方式,setsockopt没有提供相应的选项,只能用fcntl函数设置。


int flags;


NOERROR_FUNC_1(flags=fcntl(client_sockfd,F_GETFL,0));


NOERROR_FUNC_1(fcntl(client_sockfd,F_SETFL,flags|O_NONBLOCK));
多路分离I/O(select/poll/epoll)通常设置为非阻塞方式。
设置为阻塞方式(默认方式)代码:


int flags;


NOERROR_FUNC_1(flags=fcntl(client_sockfd,F_GETFL,0));


NOERROR_FUNC_1(fcntl(client_sockfd,F_SETFL,flags&~O_NONBLOCK));
对于阻塞方式的套接口,如果要避免read write永远阻塞,设置等待时间的方式有3种:信号方式,不推荐,不说了;select方式,每次调用read前调用select监视该套接口是否在指定时间内可写,超时select返回0,这样每次执行read都要调用两个系统调用,不推荐;最后就是设置套接口选项SO_RECVTIMEO和SO_SNDTIMEO,其实这个也不推荐,总之不推荐阻塞式的方式,呵呵。实用的网络模型都是多路分离的。
非阻塞方式下的connect函数要说下,当然是就客户端而言,connect后如果没有立即返回连接成功的话,把这个socket加入select的 fd_set(poll的pollfd,epoll的EPOLL_CTL_ADD操作),要监视是否可写事件,可写的时候用getsockopt获取SO_ERROR选项,如果非负(其实就是0值)就标示connect成功,否则就是失败。EPOLL中测试结果是connect失败的返回事件是EPOLLERR|EPOLLHUP,并不是加入时的EPOLLOUT,成功的时候是EPOLLOUT。

三、示例
最后给个单线程的服务器,虽说没什么实用意义,不过就象“hello world!”,入门第一课。
这个例子,读取数据,回写response,关闭clientfd。不管read write是否出错,都执行close,因此代码很简单。
先来main函数:


int main()






{


int server_sockfd;


int client_sockfd;


struct sockaddr_in serverAddr;


struct sockaddr_in clientAddr;


size_t lenAddr;
int val;




memset(&serverAddr,0,sizeof(serverAddr));


serverAddr.sin_family=AF_INET;


serverAddr.sin_port=htons(5000);


serverAddr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);




NOERROR_FUNC_1((server_sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0)));


NOERROR_FUNC_1(setsockopt(server_sockfd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&(val=1),sizeof(val)));


NOERROR_FUNC_1(bind(server_sockfd,(struct sockaddr *)&serverAddr,sizeof(struct sockaddr_in)));


NOERROR_FUNC_1(listen(server_sockfd,SOMAXCONN));




const static char * response="HTTP/1.1 200 OK/r/n/r/n";


char buf[BUF_LEN];


signal(SIGPIPE, SIG_IGN);


while(1)






{


client_sockfd=accept(server_sockfd,(struct sockaddr *)&clientAddr,&lenAddr);


NOERROR_FUNC_BUT_ERR_2(client_sockfd,return -1,EINTR,ECONNABORTED,continue);


BuffCache cache;


if(read_double_enter(client_sockfd,buf,BUF_LEN,&cache)>0)


writen(client_sockfd,response,19);


close(client_sockfd);


}


close(server_sockfd);


return 0;


}
下面是包含的头文件和宏:


#include <unistd.h>


#include <sys/types.h>


#include <sys/socket.h>


#include <arpa/inet.h>


#include <stdio.h>


#include <errno.h>


#include <signal.h>


#include <stdlib.h>


#include <string.h>


#include <stdarg.h>






#define NOERROR_FUNC(func,opt) if((func)<0) /






{ /


printf("Line[%d] error[%d:%s]/n",__LINE__,errno,strerror(errno)); /


opt; /


}


#define NOERROR_FUNC_BUT_ERR(func,opt,err,erropt) if((func)<0) /






{ /


printf("Line[%d] error[%d:%s]/n",__LINE__,errno,strerror(errno)); /




if(errno==err)

{ erropt;} /




else

{opt;} /


}


#define NOERROR_FUNC_BUT_ERR_2(func,opt,err1,err2,erropt) if((func)<0) /






{ /


printf("Line[%d] error[%d:%s]/n",__LINE__,errno,strerror(errno)); /




if(errno==err1||errno==err2)

{ erropt;} /




else

{opt;} /


}




#define NOERROR_FUNC_1(func) NOERROR_FUNC(func,return -1)


#define NOERROR_FUNC_NULL(func) NOERROR_FUNC(func,return NULL)




#define BUF_LEN 1024
下面是缓存区和读写代码:


class BuffCache






{


public:




BuffCache():count(0)

{}


int read_socket(int fd,char * pCh)






{


if(count<=0)






{


again:


if((count=read(fd,buf,BUF_LEN))<0)






{


if(errno==EINTR)


goto again;


*pCh='/0';


return -1;


}


else if(count==0)






{


*pCh='/0';


return 0;


}


ptrBuf=buf;


}


count--;


*pCh=*(ptrBuf++);


return 1;


}


private:


char buf[BUF_LEN];


char * ptrBuf;


int count;


};


inline int read_double_enter(int fd,char * pCh, int maxsize,BuffCache *cache)






{


int i=0;


char *ptr=pCh;


int res=0;


int sum=0;


for(i=0;i<maxsize;i++)






{


if((res=cache->read_socket(fd,ptr))<0)


return -1;


else if(res==0)






{


*ptr='/0';


return sum;


}


else






{


if(*ptr=='/n'&&


((ptr-pCh>=1&&*(ptr-1)=='/n')||


(ptr-pCh>=3&&*(ptr-1)=='/r'&&*(ptr-2)=='/n'&&*(ptr-3)=='/r')))






{


*(ptr+1)='/0';


return ++sum;


}


}


ptr++;


sum++;


}


}




inline int writen(int fd,const char * buf, int len)






{


int count=0;


int leftlen=len;


const char * ptr=buf;


while(leftlen>0)






{


again:


NOERROR_FUNC_BUT_ERR((count=write(fd,ptr,leftlen)),return -1,EINTR,goto again);


leftlen-=count;


ptr+=count;


}


}随便写的一个程序,凑合着看吧。
四、其它基础性知识的说明
(1)read write外 还有recv send recvfrom sendto recvmsg sendmsg不说了
(2)信号处理不说了
(3)多路分离后面讲各种模型的时候详细写
(4)信号方式的多路分离不细说了,在tcp中只能accept除使用信号SIGIO,但是该信号为非可靠信号,当大量client连接到来的时候,经常丢失信号,10并发都支持不了,实在没什么实际意义。
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