UNIX网络编程——使用select 实现套接字I/O超时

     下面程序包含read_timeout、write_timeout、accept_timeout、connect_timeout 四个函数封装：
/* read_timeout - 读超时检测函数，不含读操作
* fd:文件描述符
* wait_seconds:等待超时秒数， 如果为0表示不检测超时；
* 成功（未超时）返回0，失败返回-1，超时返回-1并且errno = ETIMEDOUT
*/

int read_timeout(int fd, unsigned int wait_seconds)
{
int ret = 0;
if (wait_seconds > 0)
{

fd_set read_fdset;
struct timeval timeout;

FD_ZERO(&read_fdset);
FD_SET(fd, &read_fdset);

timeout.tv_sec = wait_seconds;
timeout.tv_usec = 0;

do
{
ret = select(fd + 1, &read_fdset, NULL, NULL, &timeout); //select会阻塞直到检测到事件或者超时
// 如果select检测到可读事件发送，则此时调用read不会阻塞
}
while (ret < 0 && errno == EINTR);

if (ret == 0)
{
ret = -1;
errno = ETIMEDOUT;
}
else if (ret == 1)
return 0;

}

return ret;
}

/* write_timeout - 写超时检测函数，不含写操作
* fd:文件描述符
* wait_seconds:等待超时秒数， 如果为0表示不检测超时；
* 成功（未超时）返回0，失败返回-1，超时返回-1并且errno = ETIMEDOUT
*/

int write_timeout(int fd, unsigned int wait_seconds)
{
int ret = 0;
if (wait_seconds > 0)
{

fd_set write_fdset;
struct timeval timeout;

FD_ZERO(&write_fdset);
FD_SET(fd, &write_fdset);

timeout.tv_sec = wait_seconds;
timeout.tv_usec = 0;

do
{
ret = select(fd + 1, NULL, &write_fdset, NULL, &timeout);
}
while (ret < 0 && errno == EINTR);

if (ret == 0)
{
ret = -1;
errno = ETIMEDOUT;
}
else if (ret == 1)
return 0;

}

return ret;
}

/* accept_timeout - 带超时的accept
* fd: 套接字
* addr: 输出参数，返回对方地址
* wait_seconds: 等待超时秒数，如果为0表示正常模式
* 成功（未超时）返回已连接套接字，失败返回-1，超时返回-1并且errno = ETIMEDOUT
*/

int accept_timeout(int fd, struct sockaddr_in *addr, unsigned int wait_seconds)
{
int ret;
socklen_t addrlen = sizeof(struct sockaddr_in);

if (wait_seconds > 0)
{

fd_set accept_fdset;
struct timeval timeout;
FD_ZERO(&accept_fdset);
FD_SET(fd, &accept_fdset);

timeout.tv_sec = wait_seconds;
timeout.tv_usec = 0;

do
{
ret = select(fd + 1, &accept_fdset, NULL, NULL, &timeout);
}
while (ret < 0 && errno == EINTR);

if (ret == -1)
return -1;
else if (ret == 0)
{
errno = ETIMEDOUT;
return -1;
}
}

if (addr != NULL)
ret = accept(fd, (struct sockaddr *)addr, &addrlen);
else
ret = accept(fd, NULL, NULL);
if (ret == -1)
ERR_EXIT("accpet error");

return ret;
}

/* activate_nonblock - 设置IO为非阻塞模式
* fd: 文件描述符
*/
void activate_nonblock(int fd)
{
int ret;
int flags = fcntl(fd, F_GETFL);
if (flags == -1)
ERR_EXIT("fcntl error");

flags |= O_NONBLOCK;
ret = fcntl(fd, F_SETFL, flags);
if (ret == -1)
ERR_EXIT("fcntl error");
}

/* deactivate_nonblock - 设置IO为阻塞模式
* fd: 文件描述符
*/
void deactivate_nonblock(int fd)
{
int ret;
int flags = fcntl(fd, F_GETFL);
if (flags == -1)
ERR_EXIT("fcntl error");

flags &= ~O_NONBLOCK;
ret = fcntl(fd, F_SETFL, flags);
if (ret == -1)
ERR_EXIT("fcntl error");
}

/* connect_timeout - 带超时的connect
* fd: 套接字
* addr: 输出参数，返回对方地址
* wait_seconds: 等待超时秒数，如果为0表示正常模式
* 成功（未超时）返回0，失败返回-1，超时返回-1并且errno = ETIMEDOUT
*/
int connect_timeout(int fd, struct sockaddr_in *addr, unsigned int wait_seconds)
{
int ret;
socklen_t addrlen = sizeof(struct sockaddr_in);

if (wait_seconds > 0)
activate_nonblock(fd);

ret = connect(fd, (struct sockaddr *)addr, addrlen);
if (ret < 0 && errno == EINPROGRESS)
{

fd_set connect_fdset;
struct timeval timeout;
FD_ZERO(&connect_fdset);
FD_SET(fd, &connect_fdset);

timeout.tv_sec = wait_seconds;
timeout.tv_usec = 0;

do
{
/* 一旦连接建立，套接字就可写 */
ret = select(fd + 1, NULL, &connect_fdset, NULL, &timeout);
}
while (ret < 0 && errno == EINTR);

if (ret == 0)
{
errno = ETIMEDOUT;
return -1;
}
else if (ret < 0)
return -1;

else if (ret == 1)
{
/* ret返回为1，可能有两种情况，一种是连接建立成功，一种是套接字产生错误
* 此时错误信息不会保存至errno变量中（select没出错）,因此，需要调用
* getsockopt来获取 */
int err;
socklen_t socklen = sizeof(err);
int sockoptret = getsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_ERROR, &err, &socklen);
if (sockoptret == -1)
return -1;
if (err == 0)//连接建立成功
ret = 0;
else//套接字错误
{
errno = err;
ret = -1;
}
}
}

if (wait_seconds > 0)
deactivate_nonblock(fd);

return ret;
}下面来解析一下这些函数的封装：

1、read_timeout ：如注释所写，这只是读超时检测函数，并不包含读操作，如果从此函数成功返回，则此时调用read将不再阻塞，测试代码可以这样写：
int ret;
ret = read_timeout(fd, 5);
if (ret == 0)
read(fd, buf, sizeof(buf));
else if (ret == -1 && errno == ETIMEOUT)
printf("timeout...\n");
else
ERR_EXIT("read_timeout");
     如果 read_timeout(fd, 0); 则表示不检测超时，函数直接返回为0，此时再调用read 将会阻塞。     当wait_seconds 参数大于0，则进入if 括号执行，将超时时间设置为select函数的超时时间结构体，select会阻塞直到检测到事件发生或者超时。如果select返回-1且errno 为EINTR，说明是被信号中断，需要重启select；如果select返回0表示超时；如果select返回1表示检测到可读事件；否则select返回-1 表示出错。
2、write_timeout ：此函数跟read_timeout 函数类似，只是select 关心的是可写事件，不再赘述。
3、accept_timeout ：此函数是带超时的accept 函数，如果能从if (wait_seconds > 0) 括号执行后向下执行，说明select 返回为1，检测到已连接队列不为空，此时再调用accept 不再阻塞，当然如果wait_seconds == 0 则像正常模式一样，accept 阻塞等待，注意，accept 返回的是已连接套接字。
4、connect_timeout ：在调用connect前需要使用fcntl 函数将套接字标志设置为非阻塞，如果网络环境很好，则connect立即返回0，不进入if 大括号执行；如果网络环境拥塞，则connect返回-1且errno == EINPROGRESS，表示正在处理。此后调用select与前面3个函数类似，但这里关注的是可写事件，因为一旦连接建立，套接字就可写。还需要注意的是当select 返回1，可能有两种情况，一种是连接成功，一种是套接字产生错误，由这里可知，这两种情况都会产生可写事件，所以需要使用getsockopt来获取一下。退出之前还需重新将套接字设置为阻塞。
我们可以写个小程序测试一下connect_timeout 函数，客户端程序如下：#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<netinet/in.h>
#include<string.h>
#include<signal.h>
#include <fcntl.h>
#define ERR_EXIT(m) \
do { \
perror(m); \
exit(EXIT_FAILURE); \
} while (0)

/* activate_nonblock - 设置IO为非阻塞模式
* fd: 文件描述符
*/
void activate_nonblock(int fd)
{
int ret;
int flags = fcntl(fd, F_GETFL);
if (flags == -1)
ERR_EXIT("fcntl error");

flags |= O_NONBLOCK;
ret = fcntl(fd, F_SETFL, flags);
if (ret == -1)
ERR_EXIT("fcntl error");
}

/* deactivate_nonblock - 设置IO为阻塞模式
* fd: 文件描述符
*/
void deactivate_nonblock(int fd)
{
int ret;
int flags = fcntl(fd, F_GETFL);
if (flags == -1)
ERR_EXIT("fcntl error");

flags &= ~O_NONBLOCK;
ret = fcntl(fd, F_SETFL, flags);
if (ret == -1)
ERR_EXIT("fcntl error");
}

/* connect_timeout - 带超时的connect
* fd: 套接字
* addr: 输出参数，返回对方地址
* wait_seconds: 等待超时秒数，如果为0表示正常模式
* 成功（未超时）返回0，失败返回-1，超时返回-1并且errno = ETIMEDOUT
*/
int connect_timeout(int fd, struct sockaddr_in *addr, unsigned int wait_seconds)
{
int ret;
socklen_t addrlen = sizeof(struct sockaddr_in);

if (wait_seconds > 0)
activate_nonblock(fd);

ret = connect(fd, (struct sockaddr *)addr, addrlen);
if (ret < 0 && errno == EINPROGRESS)
{

fd_set connect_fdset;
struct timeval timeout;
FD_ZERO(&connect_fdset);
FD_SET(fd, &connect_fdset);

timeout.tv_sec = wait_seconds;
timeout.tv_usec = 0;

do
{
/* 一旦连接建立，套接字就可写 */
ret = select(fd + 1, NULL, &connect_fdset, NULL, &timeout);
}
while (ret < 0 && errno == EINTR);

if (ret == 0)
{
errno = ETIMEDOUT;
return -1;
}
else if (ret < 0)
return -1;

else if (ret == 1)
{
/* ret返回为1，可能有两种情况，一种是连接建立成功，一种是套接字产生错误
* 此时错误信息不会保存至errno变量中（select没出错）,因此，需要调用
* getsockopt来获取 */
int err;
socklen_t socklen = sizeof(err);
int sockoptret = getsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_ERROR, &err, &socklen);
if (sockoptret == -1)
return -1;
if (err == 0)//连接建立成功
ret = 0;
else//套接字错误
{
errno = err;
ret = -1;
}
}
}

if (wait_seconds > 0)
deactivate_nonblock(fd);

return ret;
}

int main(void)
{
int sock;
if ((sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP)) < 0)
ERR_EXIT("socket");

struct sockaddr_in servaddr;
memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_port = htons(5188);
servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.2.103");

int ret = connect_timeout(sock, &servaddr, 5);
if (ret == -1 && errno == ETIMEDOUT)
{
printf("timeout...\n");
return 1;
}
else if (ret == -1)
ERR_EXIT("connect_timeout");

struct sockaddr_in localaddr;
socklen_t addrlen = sizeof(localaddr);
if (getsockname(sock, (struct sockaddr *)&localaddr, &addrlen) < 0)
ERR_EXIT("getsockname");

printf("ip=%s port=%d\n", inet_ntoa(localaddr.sin_addr), ntohs(localaddr.sin_port));

return 0;
}     因为是在本机上测试，所以不会出现超时的情况，但出错的情况还是可以看到的，比如不要启动服务器端程序，而直接启动客户端程序，输出如下：huangcheng@ubuntu:~$ ./cli
connect_timeout: Connection refused     很明显是connect_timeout 函数返回了-1，我们也可以推算出connect_timeout 函数中，select返回1，但却是套接字发生错误的情况，errno = ECONNREFUSED，所以打印出Connection refused。