linux-socket編程（七）五種IO模型

1. 五種I/O模型

阻塞I/O

       

當套接口完成連接，可以使用recv函數向系統提出receive請求，來接收數據，這個請求是阻塞的，直到對等方發送數據過來。

非阻塞I/O

使用fcntl函數來將套接字改爲非阻塞模式。fcntl(fd, F_SETFL, flag|O_NONBLOCK);這時候recv函數即使沒有收到數據，也不會阻塞，會返回一個錯誤，返回值爲-1，錯誤代碼爲EWOULDBLOCK。如果還想獲取到數據，就再次提出請求。這個很少使用，由於它接受的過程相當於一個循環，對cpu資源的一種浪費，這種循環接收被稱之爲忙等待。

I/O複用（select和poll）

主要是通過select來實現的，select是用來管理多個文件描述符，當其中的一個或者多個檢測到有數據到來，select就返回，這時候在調用recv就不會阻塞了。實際上就是將阻塞的位置提前到了select上。核心思想就是使用select來管理多個文件描述符。

信號驅動I/O

當數據到來，它是以信號的方式來通知應用進程，應用進程要在信號處理程序中去處理接收數據的細節。

異步I/O

這個模型是效率最高的。使用aio_read來實現的。該函數提交一個請求，會遞交一個應用層緩存區，即使沒有數據到來，該函數也立刻返回，這時候應用進程就可以處理其它的事情達到異步處理的效果。當有數據到達時，就會將數據拷貝到該函數提供的緩存區中，複製完成後，會通過一個信號來通知應用進程的程序來處理數據。數據直接從內核推送到用戶的緩存區中。

2.select

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, 
fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

參數分析：
fd_set *readfds 讀集合檢測到有數據可讀的套接口就會存放在這裏。
fd_set *writefds 可寫集合
fd_set *exceptfds 異常集合
struct timeval *timeout （超時結構體）超時時間，如果設置爲NULL表示必須等到有事件發生才返回，
如果設置了時間，就表示在這個時間範圍內如果沒有事件發生也會返回，返回事件個數爲0。
如果select返回失敗返回-1.
int nfds 存放在集合中的描述符的最大值+1,有關文件描述符的含義可以查看https://www.jianshu.com/p/a2df1d402b4d這篇文章。

select函數的作用相當於一個管理者，用來管理多個I/O一旦其中的一個I/O或者多個I/O檢測到我們感興趣的事件，select函數返回，返回值爲檢測到的事件個數。並且會返回那些I/O發生的事件。這樣就可以去遍歷這些事件，進而去處理這些事件。該函數的後四個參數都是輸入輸出參數，會根據實際情況，來修改內部的值。

使用到的函數：

void FD_CLR(int fd, fd_set *set);
作用是將fd這個文件描述符號，從這個set中移除。
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set);
作用是判定fd該文件描述符，是否在這個集合當中
void FD_SET(int fd,fd_set *set);
作用是將fd添加到集合當中。
void FD_ZERO(fd_set *set);
作用是清空集合

使用select改進回射客戶端程序

使用select來管理標準輸入I/O和套接口I/O

#include <iostream>
#include <stdio.h>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <signal.h>
#include <sys/wait.h>


using namespace std;

struct packet
{
    int len;
    char buf[1024];
};

#define ERR_EXIT(m) \
        do  \
        {   \
            perror(m);  \
            exit(EXIT_FAILURE); \
        } while(0);

ssize_t readn(int fd, void *buf, size_t count)
{
    size_t nleft = count;   // 剩餘字節數
    ssize_t nread;
    char *bufp = (char*) buf;

    while (nleft > 0)
    {
        nread = read(fd, bufp, nleft);
        if (nread < 0)
        {
            if (errno == EINTR)
            {
                continue;
            }
            return  -1;
        } else if (nread == 0)
        {
            return count - nleft;
        }

        bufp += nread;
        nleft -= nread;
    }
    return count;
}

ssize_t writen(int fd, const void *buf, size_t count)
{
    size_t nleft = count;
    ssize_t nwritten;
    char* bufp = (char*)buf;

    while (nleft > 0)
    {
        if ((nwritten = write(fd, bufp, nleft)) < 0)
        {
            if (errno == EINTR)
            {
                continue;
            }
            return -1;
        }
        else if (nwritten == 0)
        {
            continue;
        }
        bufp += nwritten;
        nleft -= nwritten;
    }
    return count;
}


ssize_t recv_peek(int sockfd, void *buf, size_t len)
{
    while (1)
    {
        int ret = recv(sockfd, buf, len, MSG_PEEK); // 查看傳入消息
        if (ret == -1 && errno == EINTR)
        {
            continue;
        }
        return ret;
    }
}

ssize_t readline(int sockfd, void *buf, size_t maxline)
{
    int ret;
    int nread;
    char *bufp = (char*)buf;    // 當前指針位置
    int nleft = maxline;
    while (1)
    {
        ret = recv_peek(sockfd, buf, nleft);
        if (ret < 0)
        {
            return ret;
        }
        else if (ret == 0)
        {
            return ret;
        }
        nread = ret;
        int i;
        for (i = 0; i < nread; i++)
        {
            if (bufp[i] == '\n')
            {
                ret = readn(sockfd, bufp, i+1);
                if (ret != i+1)
                {
                    exit(EXIT_FAILURE);
                }
                return ret;
            }
        }
        if (nread > nleft)
        {
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
        nleft -= nread;
        ret = readn(sockfd, bufp, nread);
        if (ret != nread)
        {
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
        bufp += nread;
    }
    return -1;
}

void ehco_cli(int sockfd)
{
//    char recvbuf[1024];
//    char sendbuf[1024];
//    // struct packet recvbuf;
//    // struct packet sendbuf;
//    memset(recvbuf, 0, sizeof recvbuf);
//    memset(sendbuf, 0, sizeof sendbuf);
//    int n = 0;
//    while (fgets(sendbuf, sizeof sendbuf, stdin) != NULL)   // 鍵盤輸入獲取
//    {
//        writen(sockfd, sendbuf, strlen(sendbuf)); // 寫入服務器
//
//        int ret = readline(sockfd, recvbuf, sizeof recvbuf);    // 服務器讀取
//        if (ret == -1)
//        {
//            ERR_EXIT("readline");
//        }
//        if (ret == 0)
//        {
//            printf("server close\n");
//            break;
//        }
//
//        fputs(recvbuf, stdout); // 服務器返回數據輸出
//
//        // 清空
//        memset(recvbuf, 0, sizeof recvbuf);
//        memset(sendbuf, 0, sizeof sendbuf);
//    }
    fd_set rset;
    FD_ZERO(&rset);

    int nready;
    int maxfd;
    int fd_stdin = fileno(stdin);
    if (fd_stdin > sockfd)
    {
        maxfd = fd_stdin;
    } else {
        maxfd = sockfd;
    }

    char sendbuf[1024] = {0};
    char recvbuf[1024] = {0};

    while (1)
    {
        FD_SET(fd_stdin, &rset);
        FD_SET(sockfd, &rset);
        nready = select(maxfd+1, &rset, NULL, NULL, NULL);
        if (nready == -1)
        {
            ERR_EXIT("select");
        }
        if (nready == 0)
        {
            continue;
        }

        if (FD_ISSET(sockfd, &rset))    // sock數據 讀取
        {
            int ret = readline(sockfd, recvbuf, sizeof recvbuf);    // 服務器讀取
            if (ret == -1)
            {
                ERR_EXIT("readline");
            }
            if (ret == 0)
            {
                printf("server close\n");
                break;
            }

            fputs(recvbuf, stdout); // 服務器返回數據輸出
            memset(recvbuf, 0, sizeof(recvbuf));
        }

        if (FD_ISSET(fd_stdin, &rset))
        {
            if (fgets(sendbuf, sizeof sendbuf, stdin) == NULL)   // 鍵盤輸入獲取
            {
                break;
            }
            writen(sockfd, sendbuf, strlen(sendbuf)); // 寫入服務器
        }
    }
    close(sockfd);
};

void handle_sigchld(int sig)
{
    // wait(NULL);
    while (waitpid(-1, NULL, WNOHANG) > 0);
}

int main(int argc, char** argv) {
    // signal(SIGCHLD, SIG_IGN);
    signal(SIGCHLD, handle_sigchld);
    // 1. 創建套接字
    int sockfd;
    if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP)) < 0) {
        ERR_EXIT("socket");
    }

    // 2. 分配套接字地址
    struct sockaddr_in servaddr;
    memset(&servaddr, 0, sizeof servaddr);
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_port = htons(6666);
    // servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
    // inet_aton("127.0.0.1", &servaddr.sin_addr);

    // 3. 請求鏈接
    if (connect(sockfd, (struct sockaddr *) &servaddr, sizeof servaddr) < 0) {
        ERR_EXIT("connect");
    }

    struct sockaddr_in localaddr;
    socklen_t addrlen = sizeof localaddr;
    if (getsockname(sockfd, (struct sockaddr*)&localaddr, &addrlen) < 0)
    {
        ERR_EXIT("getsockname");
    }
    printf("id = %s, ", inet_ntoa(localaddr.sin_addr));
    printf("port = %d\n", ntohs(localaddr.sin_port));

    // 4. 數據交換
    ehco_cli(sockfd);

    // 5. 斷開連接
    close(sockfd);


    return 0;
}