Linux网络编程基础-06_IO模型和多路复用模型
2019-05-20 16:02
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非阻塞模式I/O 多路复用I/O TCP多路复用 IO复用select()示例
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IO模型
在UNIX/Linux下主要有4种I/O 模型:
- 阻塞I/O:
最常用 - 非阻塞I/O:
可防止进程阻塞在I/O操作上,需要轮询 - I/O 多路复用:
允许同时对多个I/O进行控制 - 信号驱动I/O:
一种异步通信模型
阻塞I/O 模式
- 阻塞I/O 模式是最普遍使用的I/O 模式,大部分程序使用的都是阻塞模式的I/O 。
- 缺省情况下,套接字建立后所处于的模式就是阻塞I/O 模式。
- 前面学习的很多读写函数在调用过程中会发生阻塞。
读操作中的read、recv、recvfrom
写操作中的write、send
其他操作:accept、connect
读阻塞-以read函数为例:
进程调用read函数从套接字上读取数据,当套接字的接收缓冲区中还没有数据可读,函数read将发生阻塞。
它会一直阻塞下去,等待套接字的接收缓冲区中有数据可读。
经过一段时间后,缓冲区内接收到数据,于是内核便去唤醒该进程,通过read访问这些数据。
如果在进程阻塞过程中,对方发生故障,那这个进程将永远阻塞下去。
写阻塞
- 在写操作时发生阻塞的情况要比读操作少。主要发生在要写入的缓冲区的大小小于要写入的数据量的情况下。
- 这时,写操作不进行任何拷贝工作,将发生阻塞。
- 一量发送缓冲区内有足够的空间,内核将唤醒进程,将数据从用户缓冲区中拷贝到相应的发送数据缓冲区。
- UDP不用等待确认,没有实际的发送缓冲区,所以UDP协议中不存在发送缓冲区满的情况,在UDP套接字上执行的写操作永远都不会阻塞。
非阻塞模式I/O
- 当我们将一个套接字设置为非阻塞模式,我们相当于告诉了系统内核:“当我请求的I/O 操作不能够马上完成,你想让我的进程进行休眠等待的时候,不要这么做,请马上返回一个错误给我。”
- 当一个应用程序使用了非阻塞模式的套接字,它需要使用一个循环来不停地测试是否一个文件描述符有数据可读(称做polling)。
- 应用程序不停的polling 内核来检查是否I/O操作已经就绪。这将是一个极浪费CPU 资源的操作。
- 这种模式使用中不普遍。
非阻塞模式的实现
fcntl()函数
当你一开始建立一个套接字描述符的时候,系统内核将其设置为阻塞IO模式。
可以使用函数fcntl()设置一个套接字的标志为O_NONBLOCK 来实现非阻塞。
代码实现;
fcntl( )函数int fcntl(int fd, int cmd, long arg);
int flag; flag = fcntl(sockfd, F_GETFL, 0); flag |= O_NONBLOCK; fcntl(sockfd, F_SETFL, flag);
2.ioctl() 函数
int b_on =1; ioctl(sock_fd, FIONBIO, &b_on);
多路复用I/O
- 应用程序中同时处理多路输入输出流,若采用阻塞模式,将得不到预期的目的;
- 若采用非阻塞模式,对多个输入进行轮询,但又太浪费CPU时间;
- 若设置多个进程,分别处理一条数据通路,将新产生进程间的同步与通信问题,使程序变得更加复杂;
- 比较好的方法是使用I/O多路复用。其基本思想是:
先构造一张有关描述符的表,然后调用一个函数。当这些文件描述符中的一个或多个已准备好进行I/O时函数才返回。
函数返回时告诉进程那个描述符已就绪,可以进行I/O操作。 - 多路复用不止针对套接字fd,也针对普通的文件描述符fd
select() 实现多路复用
#include <sys/time.h> #include <sys/types.h> #include <unistd.h> int select(int n, fd_set *read_fds, fd_set *write_fds, fd_set *except_fds, struct timeval *timeout);
select()参数
- maxfd
所有监控的文件描述符中最大的那一个加1 - read_fds
所有要读的文件文件描述符的集合 - write_fds
所有要的写文件文件描述符的集合 - except_fds
其他要向我们通知的文件描述符 - timeout
超时设置.
Null:一直阻塞,直到有文件描述符就绪或出错
时间值为0:仅仅检测文件描述符集的状态,然后立即返回
时间值不为0:在指定时间内,如果没有事件发生,则超时返回。
- 在我们调用select时进程会一直阻塞直到以下的一种情况发生.
- 有文件可以读.
- 有文件可以写.
- 超时所设置的时间到.
- 为了设置文件描述符我们要使用几个宏:
- FD_SET 将fd加入到fdset
- FD_CLR 将fd从fdset里面清除
- FD_ZERO 从fdset中清除所有的文件描述符
- FD_ISSET 判断fd是否在fdset集合中
-
宏的形式:
void FD_ZERO(fd_set *fdset)
void FD_SET(int fd,fd_set *fdset)
void FD_CLR(int fd,fd_set *fdset)
int FD_ISSET(int fd,fd_set *fdset)
TCP多路复用
TCP多路复用I/O | 关键点 |
---|---|
1. select( )函数里面的各个文件描述符fd_set集合的参数在select( )前后发生了变化 前:表示关心的文件描述符集合 后:有数据的集合(如不是在超时还回情况下)2.kernel使fd_set集合发生了变化 3.若是监听套接字上有数据,则有新客户端连接,就去调用accept()函数 4. 若是已建立连接的套接字上有数据,则去读数据 |
int main(void) { fd_set rset; int maxfd = -1; struct timeval tout; fd = socket(...); bind(fd,...); listen(fd,...); while(1) { maxfd = fd; FD_ZERO(&rset); FD_SET(fd,&rset); /*依次把已经建立好连接的fd加入到集合中,记录下来最大的文件描述符maxfd*/ #if 0 select(maxfd+1,&rset,NULL,NULL,NULL); #else struct timeval tout; tout.tv_sec = 5; tout.tv_usec = 0; select(maxfd+1,&rset,NULL,NULL,&tout); #endif int newfd; if(FD_ISSET(fd,&rset))//依次判断 { newfd = accept(fd,...);//若是监听套接字上有数据,则有新客户端连接,就去调用accept()函数 } /* 若是已建立连接的套接字上有数据,则去读数据 */ /* ... */ } }
IO复用select()示例
头文件
#ifndef __MAKEU_NET_H__ #define __MAKEU_NET_H__ #include <stdio.h> #include <string.h> #include <unistd.h> #include <errno.h> #include <stdlib.h> #include <strings.h> #include <sys/types.h> /* See NOTES */ #include <sys/socket.h> #include <netinet/in.h> #include <netinet/ip.h> /* superset of previous */ #include <sys/select.h> #include <sys/time.h> //#include <sys/types.h> #include <unistd.h> #define SERV_PORT 5002 #define SERV_IP_ADDR "192.168.2.246" #define BACKLOG 5 #define QUIT_STR "quit" #define SERV_RESP_STR "SERVER:" #endif
Server.c
#include <pthread.h> #include <signal.h> #include "net.h" void cli_data_handle (void *arg); void sig_child_handle(int signo) { if(SIGCHLD == signo) { waitpid(-1, NULL, WNOHANG); } } int main (void) { int fd = -1; struct sockaddr_in sin; signal(SIGCHLD, sig_child_handle); /* 1. 创建socket fd */ if ((fd = socket (AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) { perror ("socket"); exit (1); } /*优化4: 允许绑定地址快速重用 */ int b_reuse = 1; setsockopt (fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &b_reuse, sizeof (int)); /*2. 绑定 */ /*2.1 填充struct sockaddr_in结构体变量 */ bzero (&sin, sizeof (sin)); sin.sin_family = AF_INET; sin.sin_port = htons (SERV_PORT); //网络字节序的端口号 /*优化1: 让服务器程序能绑定在任意的IP上 */ #if 1 sin.sin_addr.s_addr = htonl (INADDR_ANY); #else if (inet_pton (AF_INET, SERV_IP_ADDR, (void *) &sin.sin_addr) != 1) { perror ("inet_pton"); exit (1); } #endif /*2.2 绑定 */ if (bind (fd, (struct sockaddr *) &sin, sizeof (sin)) < 0) { perror ("bind"); exit (1); } /*3. 调用listen()把主动套接字变成被动套接字 */ if (listen (fd, BACKLOG) < 0) { perror ("listen"); exit (1); } printf ("Server starting....OK!\n"); int newfd = -1; /*4. 阻塞等待客户端连接请求 */ struct sockaddr_in cin; socklen_t addrlen = sizeof (cin); while(1) { pid_t pid = -1; if ((newfd = accept (fd, (struct sockaddr *) &cin, &addrlen)) < 0) { perror ("accept"); break; } /*创建一个子进程用于处理已建立连接的客户的交互数据*/ if((pid = fork()) < 0) { perror("fork"); break; } if(0 == pid) { //子进程中 close(fd); char ipv4_addr[16]; if (!inet_ntop (AF_INET, (void *) &cin.sin_addr, ipv4_addr, sizeof (cin))) { perror ("inet_ntop"); exit (1); } printf ("Clinet(%s:%d) is connected!\n", ipv4_addr, ntohs(cin.sin_port)); cli_data_handle(&newfd); return 0; } else { //实际上此处 pid >0, 父进程中 close(newfd); } } close (fd); return 0; } void cli_data_handle (void *arg) { int newfd = *(int *) arg; printf ("Child handling process: newfd =%d\n", newfd); //..和newfd进行数据读写 int ret = -1; char buf[BUFSIZ]; char resp_buf[BUFSIZ+10]; while (1) { bzero (buf, BUFSIZ); do { ret = read (newfd, buf, BUFSIZ - 1); } while (ret < 0 && EINTR == errno); if (ret < 0) { perror ("read"); exit (1); } if (!ret) { //对方已经关闭 break; } printf ("Receive data: %s\n", buf); if (!strncasecmp (buf, QUIT_STR, strlen (QUIT_STR))) { //用户输入了quit字符 printf ("Client(fd=%d) is exiting!\n", newfd); break; } bzero(resp_buf, BUFSIZ+10); strncpy(resp_buf, SERV_RESP_STR, strlen(SERV_RESP_STR)); strcat(resp_buf, buf); do { ret = write(newfd, resp_buf, strlen(resp_buf)); }while(ret < 0 && EINTR == errno); } close (newfd); }
Client.c
/*./client serv_ip serv_port */ #include "net.h" void usage (char *s) { printf ("\n%s serv_ip serv_port", s); printf ("\n\t serv_ip: server ip address"); printf ("\n\t serv_port: server port(>5000)\n\n"); } int main (int argc, char **argv) { int fd = -1; int port = -1; struct sockaddr_in sin; if (argc != 3) { usage (argv[0]); exit (1); } /* 1. 创建socket fd */ if ((fd = socket (AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) { perror ("socket"); exit (1); } port = atoi (argv[2]); if (port < 5000) { usage (argv[0]); exit (1); } /*2.连接服务器 */ /*2.1 填充struct sockaddr_in结构体变量 */ bzero (&sin, sizeof (sin)); sin.sin_family = AF_INET; sin.sin_port = htons (port); //网络字节序的端口号 #if 0 sin.sin_addr.s_addr = inet_addr (SERV_IP_ADDR); #else if (inet_pton (AF_INET, argv[1], (void *) &sin.sin_addr) != 1) { perror ("inet_pton"); exit (1); } #endif if (connect (fd, (struct sockaddr *) &sin, sizeof (sin)) < 0) { perror ("connect"); exit (1); } printf ("Client staring...OK!\n"); int ret = -1; fd_set rset; int maxfd = -1; struct timeval tout; char buf[BUFSIZ]; while (1) { FD_ZERO (&rset); FD_SET (0, &rset); FD_SET (fd, &rset); maxfd = fd; tout.tv_sec = 5; tout.tv_usec = 0; select (maxfd + 1, &rset, NULL, NULL, &tout); if (FD_ISSET (0, &rset)) { //标准键盘上有输入 //读取键盘输入,发送到网络套接字fd bzero (buf, BUFSIZ); do { ret = read (0, buf, BUFSIZ - 1); } while (ret < 0 && EINTR == errno); if (ret < 0) { perror ("read"); continue; } if (!ret) continue; if (write (fd, buf, strlen (buf)) < 0) { perror ("write() to socket"); continue; } if (!strncasecmp (buf, QUIT_STR, strlen (QUIT_STR))) { //用户输入了quit字符 printf ("Client is exiting!\n"); break; } } if (FD_ISSET (fd, &rset)) { //服务器给发送过来了数据 //读取套接字数据,处理 bzero (buf, BUFSIZ); do { ret = read (fd, buf, BUFSIZ - 1); } while (ret < 0 && EINTR == errno); if (ret < 0) { perror ("read from socket"); continue; } if (!ret) break; /* 服务器关闭 */ //There is a BUG,FIXME!! printf ("server said: %s\n", buf); if ((strlen(buf) > strlen(SERV_RESP_STR)) && !strncasecmp (buf+strlen(SERV_RESP_STR), QUIT_STR, strlen (QUIT_STR))) { //用户输入了quit字符 printf ("Sender Client is exiting!\n"); break; } } } /*4.关闭套接字 */ close (fd); }
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