1、基本概念
IO多路複用是指內核一旦發現進程指定的一個或者多個IO條件準備讀取,它就通知該進程。IO多路複用適用如下場合:
(1)當客戶處理多個描述字時(一般是交互式輸入和網絡套接口),必須使用I/O複用。
(2)當一個客戶同時處理多個套接口時,而這種情況是可能的,但很少出現。
(3)如果一個TCP服務器既要處理監聽套接口,又要處理已連接套接口,一般也要用到I/O複用。
(4)如果一個服務器即要處理TCP,又要處理UDP,一般要使用I/O複用。
(5)如果一個服務器要處理多個服務或多個協議,一般要使用I/O複用。
與多進程和多線程技術相比,I/O多路複用技術的最大優勢是系統開銷小,系統不必創建進程/線程,也不必維護這些進程/線程,從而大大減小了系統的開銷。
2、select函數
該函數准許進程指示內核等待多個事件中的任何一個發送,並只在有一個或多個事件發生或經歷一段指定的時間後才喚醒。函數原型如下:
1 #include <sys/select.h>
2 #include <sys/time.h>
3
4 int select(int maxfdp1,fd_set *readset,fd_set *writeset,fd_set *exceptset,const struct timeval *timeout)
返回值:就緒描述符的數目,超時返回0,出錯返回-1
函數參數介紹如下:
(1)第一個參數maxfdp1指定待測試的描述字個數,它的值是待測試的最大描述字加1(因此把該參數命名爲maxfdp1),描述字0、1、2…maxfdp1-1均將被測試。
因爲文件描述符是從0開始的。
(2)中間的三個參數readset、writeset和exceptset指定我們要讓內核測試讀、寫和異常條件的描述字。如果對某一個的條件不感興趣,就可以把它設爲空指針。struct fd_set可以理解爲一個集合,這個集合中存放的是文件描述符,可通過以下四個宏進行設置:
void FD_ZERO(fd_set *fdset); //清空集合
void FD_SET(int fd, fd_set *fdset); //將一個給定的文件描述符加入集合之中
void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset); //將一個給定的文件描述符從集合中刪除
int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset); // 檢查集合中指定的文件描述符是否可以讀寫
(3)timeout告知內核等待所指定描述字中的任何一個就緒可花多少時間。其timeval結構用於指定這段時間的秒數和微秒數。
struct timeval{
long tv_sec; //seconds
long tv_usec; //microseconds
};
這個參數有三種可能:
(1)永遠等待下去:僅在有一個描述字準備好I/O時才返回。爲此,把該參數設置爲空指針NULL。
(2)等待一段固定時間:在有一個描述字準備好I/O時返回,但是不超過由該參數所指向的timeval結構中指定的秒數和微秒數。
(3)根本不等待:檢查描述字後立即返回,這稱爲輪詢。爲此,該參數必須指向一個timeval結構,而且其中的定時器值必須爲0。
原理圖:
3、測試程序
寫一個TCP回射程序,程序的功能是:客戶端向服務器發送信息,服務器接收並原樣發送給客戶端,客戶端顯示出接收到的信息。
服務端程序如下:
複製代碼
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 typedef struct server_context_st
21 {
22 int cli_cnt; /*客戶端個數*/
23 int clifds[SIZE]; /*客戶端的個數*/
24 fd_set allfds; /*句柄集合*/
25 int maxfd; /*句柄最大值*/
26 } server_context_st;
27 static server_context_st *s_srv_ctx = NULL;
28 /*===========================================================================
29 * ==========================================================================*/
30 static int create_server_proc(const char* ip,int port)
31 {
32 int fd;
33 struct sockaddr_in servaddr;
34 fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM,0);
35 if (fd == -1) {
36 fprintf(stderr, "create socket fail,erron:%d,reason:%s\n",
37 errno, strerror(errno));
38 return -1;
39 }
40
41 /*一個端口釋放後會等待兩分鐘之後才能再被使用,SO_REUSEADDR是讓端口釋放後立即就可以被再次使用。*/
42 int reuse = 1;
43 if (setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &reuse, sizeof(reuse)) == -1) {
44 return -1;
45 }
46
47 bzero(&servaddr,sizeof(servaddr));
48 servaddr.sin_family = AF_INET;
49 inet_pton(AF_INET,ip,&servaddr.sin_addr);
50 servaddr.sin_port = htons(port);
51
52 if (bind(fd,(struct sockaddr*)&servaddr,sizeof(servaddr)) == -1) {
53 perror("bind error: ");
54 return -1;
55 }
56
57 listen(fd,LISTENQ);
58
59 return fd;
60 }
61
62 static int accept_client_proc(int srvfd)
63 {
64 struct sockaddr_in cliaddr;
65 socklen_t cliaddrlen;
66 cliaddrlen = sizeof(cliaddr);
67 int clifd = -1;
68
69 printf("accpet clint proc is called.\n");
70
71 ACCEPT:
72 clifd = accept(srvfd,(struct sockaddr*)&cliaddr,&cliaddrlen);
73
74 if (clifd == -1) {
75 if (errno == EINTR) {
76 goto ACCEPT;
77 } else {
78 fprintf(stderr, "accept fail,error:%s\n", strerror(errno));
79 return -1;
80 }
81 }
82
83 fprintf(stdout, "accept a new client: %s:%d\n",
84 inet_ntoa(cliaddr.sin_addr),cliaddr.sin_port);
85
86 //將新的連接描述符添加到數組中
87 int i = 0;
88 for (i = 0; i < SIZE; i++) {
89 if (s_srv_ctx->clifds[i] < 0) {
90 s_srv_ctx->clifds[i] = clifd;
91 s_srv_ctx->cli_cnt++;
92 break;
93 }
94 }
95
96 if (i == SIZE) {
97 fprintf(stderr,"too many clients.\n");
98 return -1;
99 }
100
101 }
102
103 static int handle_client_msg(int fd, char *buf)
104 {
105 assert(buf);
106 printf("recv buf is :%s\n", buf);
107 write(fd, buf, strlen(buf) +1);
108 return 0;
109 }
110
111 static void recv_client_msg(fd_set *readfds)
112 {
113 int i = 0, n = 0;
114 int clifd;
115 char buf[MAXLINE] = {0};
116 for (i = 0;i <= s_srv_ctx->cli_cnt;i++) {
117 clifd = s_srv_ctx->clifds[i];
118 if (clifd < 0) {
119 continue;
120 }
121 /*判斷客戶端套接字是否有數據*/
122 if (FD_ISSET(clifd, readfds)) {
123 //接收客戶端發送的信息
124 n = read(clifd, buf, MAXLINE);
125 if (n <= 0) {
126 /*n==0表示讀取完成,客戶都關閉套接字*/
127 FD_CLR(clifd, &s_srv_ctx->allfds);
128 close(clifd);
129 s_srv_ctx->clifds[i] = -1;
130 continue;
131 }
132 handle_client_msg(clifd, buf);
133 }
134 }
135 }
136 static void handle_client_proc(int srvfd)
137 {
138 int clifd = -1;
139 int retval = 0;
140 fd_set *readfds = &s_srv_ctx->allfds;
141 struct timeval tv;
142 int i = 0;
143
144 while (1) {
145 /*每次調用select前都要重新設置文件描述符和時間,因爲事件發生後,文件描述符和時間都被內核修改啦*/
146 FD_ZERO(readfds);
147 /*添加監聽套接字*/
148 FD_SET(srvfd, readfds);
149 s_srv_ctx->maxfd = srvfd;
150
151 tv.tv_sec = 30;
152 tv.tv_usec = 0;
153 /*添加客戶端套接字*/
154 for (i = 0; i < s_srv_ctx->cli_cnt; i++) {
155 clifd = s_srv_ctx->clifds[i];
156 /*去除無效的客戶端句柄*/
157 if (clifd != -1) {
158 FD_SET(clifd, readfds);
159 }
160 s_srv_ctx->maxfd = (clifd > s_srv_ctx->maxfd ? clifd : s_srv_ctx->maxfd);
161 }
162
163 /*開始輪詢接收處理服務端和客戶端套接字*/
164 retval = select(s_srv_ctx->maxfd + 1, readfds, NULL, NULL, &tv);
165 if (retval == -1) {
166 fprintf(stderr, "select error:%s.\n", strerror(errno));
167 return;
168 }
169 if (retval == 0) {
170 fprintf(stdout, "select is timeout.\n");
171 continue;
172 }
173 if (FD_ISSET(srvfd, readfds)) {
174 /*監聽客戶端請求*/
175 accept_client_proc(srvfd);
176 } else {
177 /*接受處理客戶端消息*/
178 recv_client_msg(readfds);
179 }
180 }
181 }
182
183 static void server_uninit()
184 {
185 if (s_srv_ctx) {
186 free(s_srv_ctx);
187 s_srv_ctx = NULL;
188 }
189 }
190
191 static int server_init()
192 {
193 s_srv_ctx = (server_context_st *)malloc(sizeof(server_context_st));
194 if (s_srv_ctx == NULL) {
195 return -1;
196 }
197
198 memset(s_srv_ctx, 0, sizeof(server_context_st));
199
200 int i = 0;
201 for (;i < SIZE; i++) {
202 s_srv_ctx->clifds[i] = -1;
203 }
204
205 return 0;
206 }
207
208 int main(int argc,char *argv[])
209 {
210 int srvfd;
211 /*初始化服務端context*/
212 if (server_init() < 0) {
213 return -1;
214 }
215 /*創建服務,開始監聽客戶端請求*/
216 srvfd = create_server_proc(IPADDR, PORT);
217 if (srvfd < 0) {
218 fprintf(stderr, "socket create or bind fail.\n");
219 goto err;
220 }
221 /*開始接收並處理客戶端請求*/
222 handle_client_proc(srvfd);
223 server_uninit();
224 return 0;
225 err:
226 server_uninit();
227 return -1;
228 }
複製代碼
客戶端程序如下:
複製代碼
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 }
4、程序結果
啓動服務程序,執行三個個客戶程序進行測試,結果如下圖所示: