服务器与客户端的模型之select的多路转接
2016-12-08 22:23
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在使用TCP协议进行客户端和服务器通信的时候可以利用select的I/O多路转接,实现服务器仅仅在检查到有客户在等待连接的时候接受连接,否则就继续做其他事情,即在accept之前放一个监听者,这样可以在循环服务器和并发式服务器的基础上有效地利用CPU。
我先是参读了其他人的博客总结,出处:http://blog.csdn.net/skp127/article/details/52042393,内容如下:
1、基本概念
IO多路复用是指内核一旦发现进程指定的一个或者多个IO条件准备读取,它就通知该进程。IO多路复用适用如下场合:
(1)当客户处理多个描述字时(一般是交互式输入和网络套接口),必须使用I/O复用。
(2)当一个客户同时处理多个套接口时,而这种情况是可能的,但很少出现。
(3)如果一个TCP服务器既要处理监听套接口,又要处理已连接套接口,一般也要用到I/O复用。
(4)如果一个服务器即要处理TCP,又要处理UDP,一般要使用I/O复用。
(5)如果一个服务器要处理多个服务或多个协议,一般要使用I/O复用。
与多进程和多线程技术相比,I/O多路复用技术的最大优势是系统开销小,系统不必创建进程/线程,也不必维护这些进程/线程,从而大大减小了系统的开销。
2、select函数
该函数准许进程指示内核等待多个事件中的任何一个发送,并只在有一个或多个事件发生或经历一段指定的时间后才唤醒。函数原型如下:
函数参数介绍如下:
(1)第一个参数maxfdp1指定待测试的描述字个数,它的值是待测试的最大描述字加1(因此把该参数命名为maxfdp1),描述字0、1、2...maxfdp1-1均将被测试。
因为文件描述符是从0开始的。
(2)中间的三个参数readset、writeset和exceptset指定我们要让内核测试读、写和异常条件的描述字。如果对某一个的条件不感兴趣,就可以把它设为空指针。struct fd_set可以理解为一个集合,这个集合中存放的是文件描述符,可通过以下四个宏进行设置:
void FD_ZERO(fd_set *fdset); //清空集合
void FD_SET(int fd, fd_set *fdset); //将一个给定的文件描述符加入集合之中
void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset); //将一个给定的文件描述符从集合中删除
int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset); // 检查集合中指定的文件描述符是否可以读写
(3)timeout告知内核等待所指定描述字中的任何一个就绪可花多少时间。其timeval结构用于指定这段时间的秒数和微秒数。
struct timeval{
long tv_sec; //seconds
long tv_usec; //microseconds
};
这个参数有三种可能:
(1)永远等待下去:仅在有一个描述字准备好I/O时才返回。为此,把该参数设置为空指针NULL。
(2)等待一段固定时间:在有一个描述字准备好I/O时返回,但是不超过由该参数所指向的timeval结构中指定的秒数和微秒数。
(3)根本不等待:检查描述字后立即返回,这称为轮询。为此,该参数必须指向一个timeval结构,而且其中的定时器值必须为0。
原理图:
3、测试程序
写一个TCP回射程序,程序的功能是:客户端向服务器发送信息,服务器接收并原样发送给客户端,客户端显示出接收到的信息。
服务端程序如下所示:
我先是参读了其他人的博客总结,出处:http://blog.csdn.net/skp127/article/details/52042393,内容如下:
1、基本概念
IO多路复用是指内核一旦发现进程指定的一个或者多个IO条件准备读取,它就通知该进程。IO多路复用适用如下场合:
(1)当客户处理多个描述字时(一般是交互式输入和网络套接口),必须使用I/O复用。
(2)当一个客户同时处理多个套接口时,而这种情况是可能的,但很少出现。
(3)如果一个TCP服务器既要处理监听套接口,又要处理已连接套接口,一般也要用到I/O复用。
(4)如果一个服务器即要处理TCP,又要处理UDP,一般要使用I/O复用。
(5)如果一个服务器要处理多个服务或多个协议,一般要使用I/O复用。
与多进程和多线程技术相比,I/O多路复用技术的最大优势是系统开销小,系统不必创建进程/线程,也不必维护这些进程/线程,从而大大减小了系统的开销。
2、select函数
该函数准许进程指示内核等待多个事件中的任何一个发送,并只在有一个或多个事件发生或经历一段指定的时间后才唤醒。函数原型如下:
#include <sys/select.h> #include <sys/time.h> int select(int maxfdp1,fd_set *readset,fd_set *writeset,fd_set *exceptset,const struct timeval *timeout) 返回值:就绪描述符的数目,超时返回0,出错返回-1
函数参数介绍如下:
(1)第一个参数maxfdp1指定待测试的描述字个数,它的值是待测试的最大描述字加1(因此把该参数命名为maxfdp1),描述字0、1、2...maxfdp1-1均将被测试。
因为文件描述符是从0开始的。
(2)中间的三个参数readset、writeset和exceptset指定我们要让内核测试读、写和异常条件的描述字。如果对某一个的条件不感兴趣,就可以把它设为空指针。struct fd_set可以理解为一个集合,这个集合中存放的是文件描述符,可通过以下四个宏进行设置:
void FD_ZERO(fd_set *fdset); //清空集合
void FD_SET(int fd, fd_set *fdset); //将一个给定的文件描述符加入集合之中
void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset); //将一个给定的文件描述符从集合中删除
int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset); // 检查集合中指定的文件描述符是否可以读写
(3)timeout告知内核等待所指定描述字中的任何一个就绪可花多少时间。其timeval结构用于指定这段时间的秒数和微秒数。
struct timeval{
long tv_sec; //seconds
long tv_usec; //microseconds
};
这个参数有三种可能:
(1)永远等待下去:仅在有一个描述字准备好I/O时才返回。为此,把该参数设置为空指针NULL。
(2)等待一段固定时间:在有一个描述字准备好I/O时返回,但是不超过由该参数所指向的timeval结构中指定的秒数和微秒数。
(3)根本不等待:检查描述字后立即返回,这称为轮询。为此,该参数必须指向一个timeval结构,而且其中的定时器值必须为0。
原理图:
3、测试程序
写一个TCP回射程序,程序的功能是:客户端向服务器发送信息,服务器接收并原样发送给客户端,客户端显示出接收到的信息。
服务端程序如下所示:
1 #include <stdio.h> 2 #include <stdlib.h> 3 #include <string.h> 4 #include <errno.h> 5 #include <netinet/in.h> 6 #include <sys/socket.h> 7 #include <sys/select.h> 8 #include <sys/types.h> 9 #include <netinet/in.h> 10 #include <arpa/inet.h> 11 #include <unistd.h> 12 #include <assert.h> 13 14 #define IPADDR "127.0.0.1" 15 #define PORT 8787 16 #define MAXLINE 1024 17 #define LISTENQ 5 18 #define SIZE 10 19 20 21 typedef struct server_context_st 22 { 23 int cli_cnt; /*客户端个数*/ 24 int clifds[SIZE]; /*客户端的个数*/ 25 fd_set allfds; /*句柄集合*/ 26 int maxfd; /*句柄最大值*/ 27 } server_context_st; 28 29 30 static server_context_st *s_srv_ctx = NULL; 31 32 33 /*=========================================================================== 34 * ==========================================================================*/ 35 static int create_server_proc(const char* ip,int port) 36 { 37 int fd; 38 struct sockaddr_in servaddr; 39 fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM,0); 40 if (fd == -1) { 41 fprintf(stderr, "create socket fail,erron:%d,reason:%s\n", 42 errno, strerror(errno)); 43 return -1; 44 } 45 46 int yes = 1; 47 if (setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &yes, sizeof(int)) == -1) { 48 return -1; 49 } 50 51 int reuse = 1; 52 if (setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &reuse, sizeof(reuse)) == -1) { 53 return -1; 54 } 55 56 bzero(&servaddr,sizeof(servaddr)); 57 servaddr.sin_family = AF_INET; 58 inet_pton(AF_INET,ip,&servaddr.sin_addr); 59 servaddr.sin_port = htons(port); 60 61 if (bind(fd,(struct sockaddr*)&servaddr,sizeof(servaddr)) == -1) { 62 perror("bind error: "); 63 return -1; 64 } 65 66 listen(fd,LISTENQ); 67 68 return fd; 69 } 70 71 static int accept_client_proc(int srvfd) 72 { 73 struct sockaddr_in cliaddr; 74 socklen_t cliaddrlen; 75 cliaddrlen = sizeof(cliaddr); 76 int clifd = -1; 77 78 printf("accpet clint proc is called.\n"); 79 80 ACCEPT: 81 clifd = accept(srvfd,(struct sockaddr*)&cliaddr,&cliaddrlen); 82 83 if (clifd == -1) { 84 if (errno == EINTR) { 85 goto ACCEPT; 86 } else { 87 fprintf(stderr, "accept fail,error:%s\n", strerror(errno)); 88 return -1; 89 } 90 } 91 92 fprintf(stdout, "accept a new client: %s:%d\n", 93 inet_ntoa(cliaddr.sin_addr),cliaddr.sin_port); 94 95 //将新的连接描述符添加到数组中 96 int i = 0; 97 for (i = 0; i < SIZE; i++) { 98 if (s_srv_ctx->clifds[i] < 0) { 99 s_srv_ctx->clifds[i] = clifd; 100 s_srv_ctx->cli_cnt++; 101 break; 102 } 103 } 104 105 if (i == SIZE) { 106 fprintf(stderr,"too many clients.\n"); 107 return -1; 108 } 109 110 } 111 112 static int handle_client_msg(int fd, char *buf) 113 { 114 assert(buf); 115 116 printf("recv buf is :%s\n", buf); 117 118 write(fd, buf, strlen(buf) +1); 119 120 return 0; 121 } 122 123 static void recv_client_msg(fd_set *readfds) 124 { 125 int i = 0, n = 0; 126 int clifd; 127 char buf[MAXLINE] = {0}; 128 for (i = 0;i <= s_srv_ctx->cli_cnt;i++) { 129 clifd = s_srv_ctx->clifds[i]; 130 if (clifd < 0) { 131 continue; 132 } 133 134 if (FD_ISSET(clifd, readfds)) { 135 //接收客户端发送的信息 136 n = read(clifd, buf, MAXLINE); 137 if (n <= 0) { 138 FD_CLR(clifd, &s_srv_ctx->allfds); 139 close(clifd); 140 s_srv_ctx->clifds[i] = -1; 141 continue; 142 } 143 144 handle_client_msg(clifd, buf); 145 } 146 } 147 } 148 static void handle_client_proc(int srvfd) 149 { 150 int clifd = -1; 151 int retval = 0; 152 fd_set *readfds = &s_srv_ctx->allfds; 153 struct timeval tv; 154 int i = 0; 155 156 while (1) { 157 158 /*每次调用select前都要重新设置文件描述符和时间,因为事件发生后,文件描述符和时间都被内核修改啦*/ 159 /*添加监听套接字*/ 160 FD_ZERO(readfds); 161 FD_SET(srvfd, readfds); 162 s_srv_ctx->maxfd = srvfd; 163 164 tv.tv_sec = 30; 165 tv.tv_usec = 0; 166 167 /*添加客户端套接字*/ 168 for (i = 0; i < s_srv_ctx->cli_cnt; i++) { 169 clifd = s_srv_ctx->clifds[i]; 170 FD_SET(clifd, readfds); 171 s_srv_ctx->maxfd = (clifd > s_srv_ctx->maxfd ? clifd : s_srv_ctx->maxfd); 172 } 173 174 retval = select(s_srv_ctx->maxfd + 1, readfds, NULL, NULL, &tv); 175 176 if (retval == -1) { 177 fprintf(stderr, "select error:%s.\n", strerror(errno)); 178 return; 179 } 180 181 if (retval == 0) { 182 fprintf(stdout, "select is timeout.\n"); 183 continue; 184 } 185 186 if (FD_ISSET(srvfd, readfds)) { 187 /*监听客户端请求*/ 188 accept_client_proc(srvfd); 189 } else { 190 /*接受处理客户端消息*/ 191 recv_client_msg(readfds); 192 } 193 } 194 } 195 196 197 static void server_uninit() 198 { 199 if (s_srv_ctx) { 200 free(s_srv_ctx); 201 s_srv_ctx = NULL; 202 } 203 } 204 205 static int server_init() 206 { 207 s_srv_ctx = (server_context_st *)malloc(sizeof(server_context_st)); 208 if (s_srv_ctx == NULL) { 209 return -1; 210 } 211 212 memset(s_srv_ctx, 0, sizeof(server_context_st)); 213 214 int i = 0; 215 for (;i < SIZE; i++) { 216 s_srv_ctx->clifds[i] = -1; 217 } 218 219 return 0; 220 } 221 222 int main(int argc,char *argv[]) 223 { 224 int srvfd; 225 226 if (server_init() < 0) { 227 return -1; 228 } 229 230 srvfd = create_server_proc(IPADDR, PORT); 231 if (srvfd < 0) { 232 fprintf(stderr, "socket create or bind fail.\n"); 233 goto err; 234 } 235 236 handle_client_proc(srvfd); 237 238 return 0; 239 240 err: 241 server_uninit(); 242 return -1; 243 }
客户端程序如下:1 #include <netinet/in.h> 2 #include <sys/socket.h> 3 #include <stdio.h> 4 #include <string.h> 5 #include <stdlib.h> 6 #include <sys/select.h> 7 #include <time.h> 8 #include <unistd.h> 9 #include <sys/types.h> 10 #include <errno.h> 11 12 #define MAXLINE 1024 13 #define IPADDRESS "127.0.0.1" 14 #define SERV_PORT 8787 15 16 #define max(a,b) (a > b) ? a : b 17 18 static void handle_recv_msg(int sockfd, char *buf) 19 { 20 printf("client recv msg is:%s\n", buf); 21 sleep(5); 22 write(sockfd, buf, strlen(buf) +1); 23 } 24 25 static void handle_connection(int sockfd) 26 { 27 char sendline[MAXLINE],recvline[MAXLINE]; 28 int maxfdp,stdineof; 29 fd_set readfds; 30 int n; 31 struct timeval tv; 32 int retval = 0; 33 34 while (1) { 35 36 FD_ZERO(&readfds); 37 FD_SET(sockfd,&readfds); 38 maxfdp = sockfd; 39 40 tv.tv_sec = 5; 41 tv.tv_usec = 0; 42 43 retval = select(maxfdp+1,&readfds,NULL,NULL,&tv); 44 45 if (retval == -1) { 46 return ; 47 } 48 49 if (retval == 0) { 50 printf("client timeout.\n"); 51 continue; 52 } 53 54 if (FD_ISSET(sockfd, &readfds)) { 55 n = read(sockfd,recvline,MAXLINE); 56 if (n <= 0) { 57 fprintf(stderr,"client: server is closed.\n"); 58 close(sockfd); 59 FD_CLR(sockfd,&readfds); 60 return; 61 } 62 63 handle_recv_msg(sockfd, recvline); 64 } 65 } 66 } 67 68 int main(int argc,char *argv[]) 69 { 70 int sockfd; 71 struct sockaddr_in servaddr; 72 73 sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0); 74 75 bzero(&servaddr,sizeof(servaddr)); 76 servaddr.sin_family = AF_INET; 77 servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT); 78 inet_pton(AF_INET,IPADDRESS,&servaddr.sin_addr); 79 80 int retval = 0; 81 retval = connect(sockfd,(struct sockaddr*)&servaddr,sizeof(servaddr)); 82 if (retval < 0) { 83 fprintf(stderr, "connect fail,error:%s\n", strerror(errno)); 84 return -1; 85 } 86 87 printf("client send to server .\n"); 88 write(sockfd, "hello server", 32); 89 90 handle_connection(sockfd); 91 92 return 0; 93 }
以下是我在课堂上学习编写的程序代码:
服务器:#include <stdlib.h> #include <stdio.h> #include <errno.h> #include <string.h> #include <netdb.h> #include <sys/types.h> #include <netinet/in.h> #include <sys/socket.h> #include<unistd.h> #include<arpa/inet.h> #include<ctype.h> /* 宏定义端口号 */ #define portnumber 8000 #define MAX_LINE 80 int main(void) { int lfd; int cfd; int sfd; int rdy; struct sockaddr_in sin; struct sockaddr_in cin; int client[FD_SETSIZE]; /* 客户端连接的套接字描述符数组 */ int maxi; int maxfd; /* 最大连接数 */ fd_set rset; fd_set allset; socklen_t addr_len; /* 地址结构长度 */ char buffer[MAX_LINE]; int i; int n; int len; int opt = 1; /* 套接字选项 */ char addr_p[20]; /* 对server_addr_in 结构进行赋值 */ bzero(&sin,sizeof(struct sockaddr_in)); /* 先清零 */ sin.sin_family=AF_INET; // sin.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY); //表示接受任何ip地址 将ip地址转换成网络字节序 sin.sin_port=htons(portnumber); //将端口号转换成网络字节序 /* 调用socket函数创建一个TCP协议套接口 */ if((lfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==-1) // AF_INET:IPV4;SOCK_STREAM:TCP { fprintf(stderr,"Socket error:%s\n\a",strerror(errno)); exit(1); } printf("socket!\n"); /*设置套接字选项 使用默认选项*/ setsockopt(lfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt)); /* 调用bind函数 将serer_addr结构绑定到sockfd上 */ if(bind(lfd,(struct sockaddr *)(&sin),sizeof(struct sockaddr))==-1) { fprintf(stderr,"Bind error:%s\n\a",strerror(errno)); exit(1); } printf("bind!\n"); /* 开始监听端口 等待客户的请求 */ if(listen(lfd,20)==-1) { fprintf(stderr,"Listen error:%s\n\a",strerror(errno)); exit(1); } printf("listen!\n"); printf("Accepting connections .......\n"); maxfd = lfd; /*对最大文件描述符进行初始化*/ maxi = -1; /*初始化客户端连接描述符集合*/ for(i = 0;i < FD_SETSIZE;i++) { client[i] = -1; } FD_ZERO(&allset); /* 清空文件描述符集合 */ FD_SET(lfd,&allset); /* 将监听字设置在集合内 */ /* 开始服务程序的死循环 */ while(1) { rset = allset; printf("selecting!\n"); /*得到当前可以读的文件描述符数*/ rdy = select(maxfd + 1, &rset, NULL, NULL, NULL); printf("selected!\n"); if(FD_ISSET(lfd, &rset)) { addr_len = sizeof(sin); printf("accepting!\n"); /* 接受客户端的请求 */ if((cfd=accept(lfd,(struct sockaddr *)(&cin),&addr_len))==-1) { fprintf(stderr,"Accept error:%s\n\a",strerror(errno)); exit(1); } printf("accepted!\n"); /*查找一个空闲位置*/ for(i = 0; i<FD_SETSIZE; i++) { //printf("%d\t",client[i]); if(client[i] <= 0) { client[i] = cfd; /* 将处理该客户端的连接套接字设置到该位置 */ break; } } /* 太多的客户端连接 服务器拒绝俄请求 跳出循环 */ if(i == FD_SETSIZE) { printf("too many clients"); exit(1); } FD_SET(cfd, &allset); /* 设置连接集合 */ if(cfd > maxfd) /* 新的连接描述符 */ { maxfd = cfd; } if(i > maxi) { maxi = i; } if(--rdy <= 0) /* 减少一个连接描述符 */ { continue; } } /* 对每一个连接描述符做处理 */ for(i = 0;i< FD_SETSIZE;i++) { if((sfd = client[i]) < 0) { continue; } if(FD_ISSET(sfd, &rset)) { printf("reading!\n"); n = read(sfd,buffer,MAX_LINE); printf("%s\n",buffer); printf("read!\n"); if(n == 0) { printf("the other side has been closed. \n"); fflush(stdout); /* 刷新 输出终端 */ close(sfd); FD_CLR(sfd, &allset); /*清空连接描述符数组*/ client[i] = -1; } else { /* 将客户端地址转换成字符串 */ inet_ntop(AF_INET, &cin.sin_addr, addr_p, sizeof(addr_p)); addr_p[strlen(addr_p)] = '\0'; /*打印客户端地址 和 端口号*/ printf("Client Ip is %s, port is %d\n",addr_p,ntohs(cin.sin_port)); /* 谐函数出错 */ if(n == 1) { exit(1); } } /*如果没有可以读的套接字 退出循环*/ if(--rdy <= 0) { break; } } } } close(lfd); /* 关闭链接套接字 */ return 0; }
客户端:#include <stdlib.h> #include <stdio.h> #include <errno.h> #include <string.h> #include <netdb.h> #include <sys/types.h> #include <netinet/in.h> #include <sys/socket.h> #define portnumber 8000 int main(int argc, char *argv[]) { int nbytes; int sockfd; char buffer[80]; char buffer_2[80]; struct sockaddr_in server_addr; struct hostent *host; if(argc!=2) { fprintf(stderr,"Usage:%s hostname \a\n",argv[0]); exit(1); } if((host=gethostbyname(argv[1]))==NULL) { fprintf(stderr,"Gethostname error\n"); exit(1); } /* 调用socket函数创建一个TCP协议套接口 */ if((sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==-1) // AF_INET:Internet;SOCK_STREAM:TCP { fprintf(stderr,"Socket Error:%s\a\n",strerror(errno)); exit(1); } bzero(&server_addr,sizeof(server_addr)); // server_addr.sin_family=AF_INET; server_addr.sin_port=htons(portnumber); server_addr.sin_addr = *((struct in_addr *)host->h_addr);//ַ if(connect(sockfd,(struct sockaddr *)(&server_addr),sizeof(struct sockaddr))==-1) { fprintf(stderr,"Connect Error:%s\a\n",strerror(errno)); exit(1); } while(1){ printf("Please input char:\n"); fgets(buffer,1024,stdin); write(sockfd,buffer,strlen(buffer)); #if 1 if((nbytes=read(sockfd,buffer_2,81))==-1) { fprintf(stderr,"Read Error:%s\n",strerror(errno)); exit(1); } buffer_2[nbytes]='\0'; printf("Client received from Server %s\n",buffer_2); #endif } close(sockfd); exit(0); }
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