c++ 网络编程（四） LINUX/windows下 socket 基于I/O复用的服务器端代码 解决多进程服务端创建进程资源浪费问题

原文作者：aircraft

原文链接：https://www.cnblogs.com/DOMLX/p/9613861.html

好了，继上一篇说到多进程服务端也是有缺点的，每创建一个进程就代表大量的运算与内存空间占用，相互进程数据交换也很麻烦。

本章的I/O模型就是可以解决这个问题的其中一种模型。。。废话不多说进入主题--

I/O复用技术主要就是select函数的使用。

                                          

一.I/O复用预备知识--select()函数用法与作用

select()用来确定一个或多个套接字的状态（更为本质一点来讲是文件描述符的状态）。

使用select()所需要包含的头文件是:#include<sys/select.h>

函数原型为：int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, const struct timeval *timeout);

接下来根据函数原型一点点的介绍一下select（）函数。

（1），struct fd_set 这是一个集合，这个集合中存放的是文件描述符（在unix、linux系统中任何的设备、管道、FIFO等都可通过文件描述符的形式来访问）。当然一个socket也是一个文件描述符啦。相关的操作有：

FD_ZERO(fd_set *)将某一个集合清空

FD_SET(int, fd_set *)将一个给定的文件描述符加入到集合之中

FD_CLR(int, fd_set *)从集合中删除指定的文件描述符。

FD_ISSET(int, fd_set *)检查集合中指定的文件描述符是否准备好（可读或可写）

（2），struct timeval这是常用的一个结构体，用来表示时间值，有两个结构体成员：tv_sec表示秒数和tv_usec表示毫秒数。

 

接下来具体解释一下select的参数：

 

nfds:一个整数值，表示的是所要监视的文件描述符的范围。即你所要监听的文件描述符的最大值+1（因为select()函数进行遍历的时候是从0-文件描述符开始遍历的）。

readfds:是指向fd_set结构的指针，这个集合中加入我们所需要监视的文件可读操作的文件描述符。

writefds:指向fd_set结构的指针，这个集合中加入我们所需要监视的文件可写操作的文件描述符。

exceptfds:指向fd_set结构的指针，这个集合中加入我们所需要监视的文件错误异常的文件描述符。

timeout:指向timeval结构体的指针，通过传入的这个timeout参数来决定select()函数的三种执行方式：

1.传入的timeout为NULL，则表示将select()函数置为阻塞状态，直到我们所监视的文件描述符集合中某个文件描述符发生变化是，才会返回结果。

2.传入的timeout为0秒0毫秒，则表示将select()函数置为非阻塞状态，不管文件描述符是否发生变化均立刻返回继续执行。

3.传入的timeout为一个大于0的值，则表示这个值为select()函数的超时时间，在timeout时间内一直阻塞，超过时间即返回结果。

 

然后该说一说select()函数的返回值了:

返回-1：select()函数错误,并将所有描述符集合清0，具体的错误可以通过errno输出来查看（在windows下通过GetLastError获取相应的错误代码）。

返回0：表示select()函数超时。

返回正数：返回的正数值表示已经准备好的描述符数。

注意在每次select()函数调用以后，都需要将集合清空，因为状态已经改变，若需要重新监视就需要重新清空后在加入需要监视的文件描述符。

下面通过示例把select函数所有知识点进行整合，希望各位通过如下示例完全理解之前的内容。

linux下监控键盘数据:

    #include <sys/time.h>  
    #include <stdio.h>  
    #include <sys/types.h>  
    #include <sys/stat.h>  
    #include <fcntl.h>  
    #include <assert.h>  
    int main ()  
    {  
        int keyboard;  
        int ret,i;  
        char c;  
        fd_set readfd;  
        struct timeval timeout;  
        keyboard = open("/dev/tty",O_RDONLY | O_NONBLOCK);  
        assert(keyboard>0);  
        while(1)  
        {  
            //设置select函数的超时
            timeout.tv_sec=1;  
            timeout.tv_usec=0;
          //初始化fd_set结构体变量
            FD_ZERO(&readfd);  
            FD_SET(keyboard,&readfd);  
      
            ///监控函数  
            ret=select(keyboard+1,&readfd,NULL,NULL,&timeout);  
            if(ret == -1)   //错误情况  
                cout<<"error"<<endl ;  
            else if(ret)    //返回值大于0 有数据到来  
                if(FD_ISSET(keyboard,&readfd))  
                {  
                    i=read(keyboard,&c,1);  
                    if('
'==c)  
                        continue;  
                    printf("hehethe input is %c
",c);  
                    if ('q'==c)  
                        break;  
                }  
            else    //超时情况  
            {  
                cout<<"time out"<<endl;  
                continue;  
            }  
        }  
    }  

好了大概对select函数有一定的认知了，下面通过select函数实现I/O复用服务端。

二.基于I/O复用的回声服务端

• 什么是I/O复用？通俗点讲，其实就是一个事件监听，只是这个监听的事件一般是I/O操作里的读(read)与写(write)，只要发生了监听的事件它就会响应。注意与一般服务器的区别，一般服务器是连接请求先进入请求队列里，然后，服务端套接字一个个有序去受理。而I/O复用服务器是事件监听，只要对应监听事件发生就会响应，是属于并发服务器的一种。

• I/O复用的使用
  1，I/O复用的使用其实就是对select函数的使用，说select函数是I/O复用的全部内容也不为过。但这个函数与一般函数不同，它很难使用，我们先来看看它的调用顺序，分为3步：
  步骤一：

  • 设置文件描述符，即注册要监听的文件描述符，如监听标准输入的文件描述符0 -> FD_SET(0, &reads)
  • 指定监视范围，Linux上创建文件对象生成的对应文件描述符是从0开始递增的，所以最大监视范围为最后创建的文件描述符+1。
  • 设置超时，因为select函数是一个阻塞函数，只有监视的文件描述符发生变化才会返回，设置超时就是为了防止阻塞，如果不想设置超时，则传递NULL。

  步骤二：

  • 调用select函数

  步骤三：

  • 查看调用结果，FD_ISSET(0, &reads)发生变化返回真。

下面给出LINUX下基于I/O复用服务端实现代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/select.h>

#define BUF_SIZE 100
void error_handling(char *message);

int main(int argc, const char * argv[]) {
    int serv_sock, clnt_sock;
    struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;
    struct timeval timeout;
    fd_set reads, cpy_reads;

    socklen_t adr_sz;
    int fd_max, str_len, fd_num;
    char buf[BUF_SIZE];
    if (argc != 2) {
        printf("Usage: %s <port> 
", argv[0]);
        exit(1);
    }

    serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
    serv_adr.sin_family = AF_INET;
    serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));

    if(bind(serv_sock, (struct sockaddr *) &serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1)
        error_handling("bind() error");
    if(listen(serv_sock, 5) == -1)
        error_handling("listen() error");

    FD_ZERO(&reads);
    //向要传到select函数第二个参数的fd_set变量reads注册服务器端套接字
    FD_SET(serv_sock, &reads);
    fd_max = serv_sock;

    while (1)
    {
        cpy_reads = reads;
        timeout.tv_sec = 5;
        timeout.tv_usec = 5000;

        //监听服务端套接字和与客服端连接的服务端套接字的read事件
        if ((fd_num = select(fd_max + 1, &cpy_reads, 0, 0, &timeout)) == -1)
            break;
        if(fd_num == 0)
            continue;

        if (FD_ISSET(serv_sock, &cpy_reads))//受理客服端连接请求
        {
            adr_sz = sizeof(clnt_adr);
            clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr *)&clnt_adr, &adr_sz);
            FD_SET(clnt_sock, &reads);
            if(fd_max < clnt_sock)
                fd_max = clnt_sock;
            printf("connected client: %d 
", clnt_sock);
        }
        else//转发客服端数据
        {
            str_len = read(clnt_sock, buf, BUF_SIZE);
            if (str_len == 0)//客服端发送的退出EOF
            {
                FD_CLR(clnt_sock, &reads);
                close(clnt_sock);
                printf("closed client: %d 
", clnt_sock);
            }
            else
            {
                //接收数据为字符串时执行回声服务
                write(clnt_sock, buf, str_len);
            }
        }
    }

    close(serv_sock);
    return 0;
}


void error_handling(char *message)
{
    fputs(message, stderr);
    fputc('
', stderr);
    exit(1);
}    

下面给出LINUX下基于I/O复用客户端实现代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>

#define BUF_SIZE 1024
void error_handling(char *message)
{
    fputs(message, stderr);
    fputc('
', stderr);
    exit(1);
}

int main(int argc, const char * argv[]) {
    int sock;
    char message[BUF_SIZE];
    int str_len, recv_len, recv_cnt;
    struct sockaddr_in serv_adr;

    if(argc != 3)
    {
        printf("Usage: %s <IP> <port> 
", argv[0]);
        exit(1);
    }

    sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(sock == -1)
        error_handling("socket() error");

    memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
    serv_adr.sin_family = AF_INET;
    serv_adr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));

    if (connect(sock, (struct sockaddr *) &serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1)
        error_handling("connect() error");
    else
        puts("Connected ...............");

    while (1) {
        fputs("Input message(Q to quit): ", stdout);
        fgets(message, BUF_SIZE, stdin);
        if (!strcmp(message, "q
") || !strcmp(message, "Q
"))
            break;

        str_len = write(sock, message, strlen(message));

        /*这里需要循环读取，因为TCP没有数据边界，不循环读取可能出现一个字符串一次发送
         但分多次读取而导致输出字符串不完整*/
        recv_len = 0;
        while (recv_len < str_len) {
            recv_cnt = read(sock, &message[recv_len], BUF_SIZE - 1);
            if(recv_cnt == -1)
                error_handling("read() error");
            recv_len += recv_cnt;
        }
        message[recv_len] = 0;
        printf("Message from server: %s", message);
    }

    close(sock);
    return 0;
}

下面给出windows下I/O复用socket服务端代码：

#include<iostream>
#include<WinSock2.h>
#pragma comment(lib,"ws2_32.lib")
#define bufsize 1024
using namespace std;
void main() {
    WSADATA wsadata;
    SOCKET serverSocket,clientSocket;
    int szClientAddr,fdnum,str_len;
    SOCKADDR_IN  serverAddr, clientAddr;
    fd_set reads, cpyReads;
    TIMEVAL timeout;
    char message[bufsize] = "";
 
    if(WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsadata)!=0)
        cout<<"WSAStartup() error"<<endl;
 
    serverSocket = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(serverSocket == INVALID_SOCKET)
        cout<<"socket()  error"<<endl;
 
    memset(&serverAddr, 0, sizeof(serverAddr));
    serverAddr.sin_family = AF_INET;
    serverAddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    serverAddr.sin_port = htons(9999);
 
    if (bind(serverSocket, (SOCKADDR*)&serverAddr, sizeof(serverAddr)) == SOCKET_ERROR)
        cout << "bind () error" << endl;
 
    listen(serverSocket, 5);
    cout << "服务器启动成功！" << endl;
 
    FD_ZERO(&reads);  //所有初始化为0
    FD_SET(serverSocket, &reads);  //将服务器套接字存入
 
    while (1) {
        cpyReads = reads;   
        timeout.tv_sec = 5;      //5秒
        timeout.tv_usec = 5000;   //5000毫秒
 
        //找出监听中发出请求的套接字
        if ((fdnum = select(0, &cpyReads, 0, 0, &timeout)) == SOCKET_ERROR)
            break;
        if (fdnum == 0) {
            cout << "time out!" << endl; 
            continue;
        }
        for (unsigned int i = 0; i < reads.fd_count; i++) {
            if (FD_ISSET(reads.fd_array[i], &cpyReads)) { //判断是否为发出请求的套接字
                if (reads.fd_array[i] == serverSocket) {  //是否为服务器套接字
                    szClientAddr = sizeof(clientAddr);
                    clientSocket = accept(serverSocket, (SOCKADDR*)&clientAddr, &szClientAddr);
                    if (clientSocket == INVALID_SOCKET)  cout << "accept() error" << endl;
                    FD_SET(clientSocket, &reads);
                    cout << "连接的客户端是：" << clientSocket << endl;
                }
                else {//否  就是客户端
                    str_len = recv(reads.fd_array[i], message, bufsize - 1, 0);
                    if (str_len == 0) {//根据接受数据的大小 判断是否是关闭
                        FD_CLR(reads.fd_array[i], &reads);  //清除数组中该套接字
                        closesocket(cpyReads.fd_array[i]);
                        cout << "关闭的客户端是：" << cpyReads.fd_array[i] << endl;
                    }
                    else {
                        send(reads.fd_array[i], message, str_len, 0);
                    }
                }
            }
        }    
    }
    closesocket(clientSocket);
    closesocket(serverSocket);
    WSACleanup();
}

下面给出windows下I/O复用socket客户端代码：

#include<iostream>
#include<WinSock2.h>
#pragma comment(lib,"ws2_32.lib")
#define bufsize 1024
using namespace std;
void main() {
    WSADATA wsadata;
    SOCKET clientSocket;
    SOCKADDR_IN  serverAddr;
    int  recvCnt;
 
    char message[bufsize] = "";
    if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsadata) != 0)
        cout << "WSAStartup() error" << endl;
 
    if ((clientSocket = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == INVALID_SOCKET)
        cout << "socket()  error" << endl;
 
    serverAddr.sin_family = AF_INET;
    serverAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
    serverAddr.sin_port = htons(9999);
 
    if(connect(clientSocket, (SOCKADDR*)&serverAddr, sizeof(serverAddr))==SOCKET_ERROR)
        cout<<"connect() error"<<endl;
 
    while (1) {
        cout << "输入Q或q退出：";
        cin >> message;
        if (!strcmp(message, "Q") || !strcmp(message, "q")) break;
        send(clientSocket, message, strlen(message), 0);
        memset(message, 0, sizeof(message));
        recv(clientSocket, message, bufsize, 0);
        cout << "服务器结果：" << message << endl;
    }
    closesocket(clientSocket);
    WSACleanup();
}

最后说一句啦。本网络编程入门系列博客是连载学习的，有兴趣的可以看我博客其他篇。。。。c++ 网络编程课设入门超详细教程 ---目录

参考博客：https://blog.csdn.net/zl908760230/article/details/70257229

参考博客：https://blog.csdn.net/hshl1214/article/details/45872243

参考博客：https://blog.csdn.net/u010223072/article/details/48133725

参考书籍：《TCP/IP 网络编程 --尹圣雨》

若有兴趣交流分享技术，可关注本人公众号，里面会不定期的分享各种编程教程，和共享源码，诸如研究分享关于c/c++,python,前端，后端，opencv,halcon,opengl,机器学习深度学习之类有关于基础编程，图像处理和机器视觉开发的知识