《网络编程》I/O 多路复用

红太狼 2022-08-06 02:15 120阅读 0赞

在前面的文章中介绍了五种 I/O 模型《[I/O 模型][I_O]》，这里介绍 I/O 模型中 I/O 多路复用在 TCP 套接字编程中的使用。在 I/O 多路复用中主要是 select 和 poll 函数的使用。

### select 函数 ###

该函数允许进程指示内核等待多个事件中的任何一个发生，并只在一个或多个事件发生或超过指定时间后才被唤醒。进程调用 select 函数是告知内核，进程对哪些描述符（读、写或异常）感兴趣以及等待的时间。

/* IO多路复用 */
    
    /*
     * 函数功能：
     * 返回值：准备就绪的描述符数，若超时则返回0，出错则返回-1；
     * 函数原型：
     */
    #include <sys/select.h>
    int select(int maxfdpl, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, const struct timeval *tvptr);
    /*
     * 说明：
     * 参数maxfdpl是“最大描述符加1”，即指定待测试的描述符个数；
     * 参数readfds、writefds、exceptfds是指向描述符集的指针，即让内核测试读、写或异常条件的描述符；
     * 时间参数有三种取值：
     * tvptr == NULL;
     *      永远等待；若捕获到信号则中断此无限期等待；当所指定的描述符中的一个已准备好或捕获到信号则返回；
     *      若捕获到信号，则select返回-1，errno设置为EINTR；
     *
     * tvptr->tv_sec == 0 && tvptr->tv_usec == 0;
     *      完全不等待；测试所有描述符并立即返回，这是得到多个描述符的状态而不阻塞select函数的轮回方法；
     *
     * tvptr->sec != 0 || tvptr->usec != 0;
     *      等待指定的秒数和微妙数；当指定的描述符已准备好，或超过指定的时间立即返回；
     *      若超过指定的时间还没有描述符准备好，则返回0；
     *
     * tvptr的结构如下：
     */
    struct timeval
    {
        long tv_sec;    /* seconds */
        long tv_usec;   /* and microseconds */
    };

我们可以通过以下函数对 fd\_set 数据结构进行处理。声明了一个描述符集后，必须使用 FD\_ZERO 清空其所有位达到初始化，然后才可以设置各个位；从 select 返回时，使用 FD\_ISSET 测试该集中的一个给定位是否仍旧设置；

#include <sys/select.h>
    int  FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset); //测试描述符fd是否在描述符集中设置；若fd在描述符集中则返回非0值，否则返回0
    void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset); //清除在fdset中指定的位fd；
    void FD_SET(int fd, fd_set *fdset); //设置fd在fdset中指定的位；
    void FD_ZERO(fd_set *fdset); //清除整个fdset；即所有描述符位都为0；

select 函数有三个可能的返回值：

1.  返回值 -1 表示出错。这种情况下，将不修改其中任何描述符集。
2.  返回值 0 表示没有描述符准备就绪。若指定的描述符都没有准备就绪，而且指定的时间已经超过，则发生这种情况。此时描述符集都被清 0。
3.  正返回值表示已经准备就绪的描述符数，该值是三个描述符集中已准备好的描述符之和。三个描述符集中仍旧打开的位对应与已准备就绪的描述符。

### 描述符就绪条件 ###

套接字描述符准备好读，必须满足以下条件之一：

1.  该套接字接收缓冲区中的数据字节数 **不小于** 套接字接收缓冲区低水位标记的当前大小。对这样的套接字执行读操作不会阻塞并将返回一个大于 0 的值。可以通过 SO\_RCVLOWAT 套接字选项设置该套接字的低水位标记；
2.  该连接的**读半部分关闭**（即一端已接收到 FIN 的 TCP 连接）。对这样的套接字的读操作将不阻塞并返回 0（即 EOF 字符）；
3.  该套接字是一个**监听套接字且已完成的连接数不为 0** 。对这样的套接字的 accept 通常不会阻塞；
4.  其上有一个**套接字错误待处理**。对这样的套接字的读操作将不阻塞并返回 -1（即返回一个错误），并把 errno 设置为确切的错误条件；

套接字描述符准备好写，必须满足以下条件之一：

1.  该套接字发送缓冲区中的可用空间字节数 **不小于** 套接字发送缓冲区低水位标记的当前大小，并且**或**该套接字已连接，**或**该套接字不需要连接（如 UDP 套接字）。这意味着若把这样的套接字设置为非阻塞，写操作将不阻塞并返回一个正值；
2.  该链接的**写半部关闭**。对这样的套接字的写操作将产生 SIGPIPE 信号；
3.  使用非阻塞式 connect 的套接字已建立连接，**或**connect 已经连接失败；
4.  其上有一个**套接字错误待处理**。对这样的套接字的写操作将不阻塞并返回 -1，同时把 errno 设置成确切的错误条件；

若一个套接字存在带外数据 或仍处于 带外标记，那么它有异常条件待处理。 注：当某个套接字发生错误时，它将由 select 标记为既可读又可写。

在前面《 [基于 TCP 套接字编程的分析][TCP]》我们知道，当杀死服务器子进程时，同时客户端阻塞于 fgets 调用。客户端 TCP 已经接收到来自服务器子进程的 FIN 报文段，当服务器 TCP 接收到来自客户端的数据时，因为先前打开的套接字的进程已经通过 kill 函数终止，于是响应一个 RST 。然而客户端阻塞于从标准输入读入过程，并没有收到 RST，因此 readline 返回 0（表示 EOF ），则客户端此时并未预期收到 EOF ，则以出错信息”server terminated prematurely“退出。若要避免这种情况，可以使用 I/O 多路复用解决。则使用 select 函数修改前面文章的客户端处理函数 str\_cli 函数。这样服务器进程一终止，客户端立即得到通知。

客户端处理函数修改后具有以下的功能：

1.  若对端 TCP 发送数据，那么套接字变为可读，并且 read 返回一个大于 0 的值；
2.  若对端 TCP 发送一个 FIN ，那么套接字变为可读，并且 read 返回 0（即 EOF 字符）；
3.  若对端 TCP 发送一个 RST，那么套接字变为可读，并且 read 返回 -1，而 errno 中含有确切的错误代码；

#include	"unp.h"
    
    void
    str_cli(FILE *fp, int sockfd)
    {
    	int			maxfdp1;
    	fd_set		rset;
    	char		sendline[MAXLINE], recvline[MAXLINE];
    
    	FD_ZERO(&rset);/* 初始化 */
    	for ( ; ; ) {
    		FD_SET(fileno(fp), &rset);/* 打开标准文件指针 fp 描述符位 */
    		FD_SET(sockfd, &rset);/* 打开套接字 sockfd 位 */
    		maxfdp1 = max(fileno(fp), sockfd) + 1;
    		Select(maxfdp1, &rset, NULL, NULL, NULL);
    
    		if (FD_ISSET(sockfd, &rset)) {	/* socket is readable */
    			if (Readline(sockfd, recvline, MAXLINE) == 0) /* 若返回时套接字可读，则先读入从服务器回射的文本，并显示到标准输出 */
    				err_quit("str_cli: server terminated prematurely");
    			Fputs(recvline, stdout);
    		}
    
    		if (FD_ISSET(fileno(fp), &rset)) {  /* input is readable */
    			if (Fgets(sendline, MAXLINE, fp) == NULL) /* 若返回时标准输入可读，就先用 fgets 读入文本行，再用 writen 把它写到套接字中 */
    				return;		/* all done */
    			Writen(sockfd, sendline, strlen(sendline));
    		}
    	}
    }

### shutdown 函数 ###

终止网络连接通常使用 close 函数，但是 close 有自己的缺陷，我们可以使用 shutdown 函数来避免这些缺陷：

1.  close 把描述符的引用计数减 1，仅在该计数变为 0 时才关闭套接字。然而使用 shutdown 函数可以不管引用计数就激发 TCP 的正常连接终止序列；
2.  close 终止读和写两个方向的数据传送，而 shutdown 函数可以只关闭读或写的一端，或两端都关闭；

/*
     * 函数功能：关闭套接字上的输入或输出；
     * 返回值：若成功则返回0，若出错返回-1；
     * 函数原型：
     */
    #include <sys/socket.h>
    int shutdown(int sockfd, int how);
    /*
     * 说明：
     * sockfd表示待操作的套接字描述符；
     * how表示具体操作，取值如下：
     * （1）SHUT_RD     关闭读端，即不能接收数据
     * （2）SHUT_WR     关闭写端，即不能发送数据
     * （3）SHUT_RDWR   关闭读、写端，即不能发送和接收数据
     *
     */

### str\_cli 函数 ###

这是最终的版本：

#include	"unp.h"
    
    void
    str_cli(FILE *fp, int sockfd)
    {
    	int			maxfdp1, stdineof;
    	fd_set		rset;
    	char		buf[MAXLINE];
    	int		n;
    
    	stdineof = 0;/* 表示在主循环中 select 标准输入为可读 */
    	FD_ZERO(&rset);
    	for ( ; ; ) {
    		if (stdineof == 0)
    			FD_SET(fileno(fp), &rset);
    		FD_SET(sockfd, &rset);
    		maxfdp1 = max(fileno(fp), sockfd) + 1;
    		Select(maxfdp1, &rset, NULL, NULL, NULL);
    <span style="white-space:pre">		</span>/* 当在套接字上读到 EOF 字符，若我们已在标准输入键入 EOF，则正常终止，若没有在标准输入键入 EOF，表示服务器已过早终止 */
    		if (FD_ISSET(sockfd, &rset)) {	/* socket is readable */
    			if ( (n = Read(sockfd, buf, MAXLINE)) == 0) {
    				if (stdineof == 1)
    					return;		/* normal termination */
    				else
    					err_quit("str_cli: server terminated prematurely");
    			}
    
    			Write(fileno(stdout), buf, n);
    		}
    <span style="white-space:pre">		</span>/* 当在标准输入遇到 EOF，则关闭写端，即客户端不能向服务器发送数据 */
    		if (FD_ISSET(fileno(fp), &rset)) {  /* input is readable */
    			if ( (n = Read(fileno(fp), buf, MAXLINE)) == 0) {
    				stdineof = 1;
    				Shutdown(sockfd, SHUT_WR);	/* send FIN */
    				FD_CLR(fileno(fp), &rset);
    				continue;
    			}
    
    			Writen(sockfd, buf, n);
    		}
    	}
    }

### poll 函数 ###

该函数与 select 函数类似，只是程序员接口不同。该函数不是为每个状态构造描述符集，而是构造一个 pollfd 结构数组，每个数组元素指定一个描述符编号以及对其所关心的状态。

/*
     * 函数功能：和select函数类似；
     * 函数原型：
     */
    #include <poll.h>
    int poll(struct pollfd fdarray[], nfds_t nfds, int timeout);
    /*
     * 说明：
     * timeout == -1;   永远等待。
     * timeout == 0;    不等待，测试所有的描述符并立即返回。
     * timeout > 0;     等待timeout毫秒，当指定的描述符之一已经准备好，或指定的时间值已经超过时立即返回。
     */

struct pollfd{
    int fd; /* file descriptor to check,or <0 to ignore */
    short events; /* events of interest on fd */
    short revents;  /* events that occurred on fd */
    };

参考资料：

《Unix 网络编程》

[I_O]: http://blog.csdn.net/chenhanzhun/article/details/41908045
[TCP]: http://blog.csdn.net/chenhanzhun/article/details/41867959