计算机网络编程 | 多路I/O转接服务器

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多路I/O转接服务器

• • select
  • poll
  • epoll

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专栏：《网络编程》

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多路IO转接服务器也叫做多任务IO服务器。该类服务器实现的主旨思想是，不再由应用程序自己监视客户端连接，取而代之由内核替应用程序监视文件。
主要使用的方法有三种，下面一一介绍并给出代码实现。

select

• select能监听的文件描述符个数受限于FD_SETSIZE,一般为1024，单纯改变进程打开的文件描述符个数并不能改变select监听文件个数。
• 解决1024以下客户端时使用select是很合适的，但如果链接客户端过多，select采用的是轮询模型，会大大降低服务器响应效率，不应在select上投入更多精力。

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

nfds: 监控的文件描述符集里最大文件描述符加1，因为此参数会告诉内核检测前多少个文件描述符的状态
readfds： 监控有读数据到达文件描述符集合，传入传出参数
writefds： 监控写数据到达文件描述符集合，传入传出参数
exceptfds： 监控异常发生达文件描述符集合,如带外数据到达异常，传入传出参数
timeout： 定时阻塞监控时间，3种情况
①NULL，永远等下去
②设置timeval，等待固定时间
③设置timeval里时间均为0，检查描述字后立即返回，轮询

struct timeval {long tv_sec; long tv_usec; };void FD_CLR(int fd, fd_set *set); //把文件描述符集合里fd清0int FD_ISSET(int fd, fd_set *set); //测试文件描述符集合里fd是否置1void FD_SET(int fd, fd_set *set); //把文件描述符集合里fd位置1void FD_ZERO(fd_set *set); //把文件描述符集合里所有位清0

server实现

#include #include #include #include #include #include "wrap.h"#define MAXLINE 80#define SERV_PORT 6666int main(int argc, char *argv[]){int i, maxi, maxfd, listenfd, connfd, sockfd;int nready, client[FD_SETSIZE]; ssize_t n;fd_set rset, allset;char buf[MAXLINE];char str[INET_ADDRSTRLEN]; socklen_t cliaddr_len;struct sockaddr_in cliaddr, servaddr;listenfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));servaddr.sin_family = AF_INET;servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);Bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));Listen(listenfd, 20); maxfd = listenfd; maxi = -1;for (i = 0; i < FD_SETSIZE; i++)client[i] = -1; FD_ZERO(&allset);FD_SET(listenfd, &allset); for ( ; ; ) {rset = allset; nready = select(maxfd+1, &rset, NULL, NULL, NULL);if (nready < 0)perr_exit("select error");if (FD_ISSET(listenfd, &rset)) { cliaddr_len = sizeof(cliaddr);connfd = Accept(listenfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &cliaddr_len);printf("received from %s at PORT %d\n",inet_ntop(AF_INET, &cliaddr.sin_addr, str, sizeof(str)),ntohs(cliaddr.sin_port));for (i = 0; i < FD_SETSIZE; i++) {if (client[i] < 0) {client[i] = connfd; break;}}if (i == FD_SETSIZE) {fputs("too many clients\n", stderr);exit(1);}FD_SET(connfd, &allset); if (connfd > maxfd)maxfd = connfd; if (i > maxi)maxi = i; if (--nready == 0)continue; }for (i = 0; i <= maxi; i++) { if ( (sockfd = client[i]) < 0)continue;if (FD_ISSET(sockfd, &rset)) {if ( (n = Read(sockfd, buf, MAXLINE)) == 0) {Close(sockfd);FD_CLR(sockfd, &allset); client[i] = -1;} else {int j;for (j = 0; j < n; j++)buf[j] = toupper(buf[j]);Write(sockfd, buf, n);}if (--nready == 0)break;}}}close(listenfd);return 0;}

client实现

#include #include #include #include #include "wrap.h"#define MAXLINE 80#define SERV_PORT 6666int main(int argc, char *argv[]){struct sockaddr_in servaddr;char buf[MAXLINE];int sockfd, n;sockfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));servaddr.sin_family = AF_INET;inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &servaddr.sin_addr);servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);Connect(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));while (fgets(buf, MAXLINE, stdin) != NULL) {Write(sockfd, buf, strlen(buf));n = Read(sockfd, buf, MAXLINE);if (n == 0)printf("the other side has been closed.\n");elseWrite(STDOUT_FILENO, buf, n);}Close(sockfd);return 0;}

pselect
pselect原型如下。此模型应用较少。

#include int pselect(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,fd_set *exceptfds, const struct timespec *timeout,const sigset_t *sigmask);struct timespec {long tv_sec; long tv_nsec; };

用sigmask替代当前进程的阻塞信号集，调用返回后还原原有阻塞信号集。

poll

#include int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);struct pollfd {int fd; short events; short revents; };

POLLIN 普通或带外优先数据可读,即POLLRDNORM | POLLRDBAND
POLLRDNORM 数据可读
POLLRDBAND 优先级带数据可读
POLLPRI 高优先级可读数据
POLLOUT 普通或带外数据可写
POLLWRNORM 数据可写
POLLWRBAND 优先级带数据可写
POLLERR 发生错误
POLLHUP 发生挂起
POLLNVAL 描述字不是一个打开的文件

nfds 监控数组中有多少文件描述符需要被监控

timeout 毫秒级等待
-1：阻塞等，#define INFTIM -1 , Linux中没有定义此宏。
0：立即返回，不阻塞进程。
> 0：等待指定毫秒数，如当前系统时间精度不够毫秒，向上取值。

如果不再监控某个文件描述符时，可以把pollfd中，fd设置为-1，poll不再监控此pollfd，下次返回时，把revents设置为0。

server实现

#include #include #include #include #include #include #include #include "wrap.h"#define MAXLINE 80#define SERV_PORT 6666#define OPEN_MAX 1024int main(int argc, char *argv[]){int i, j, maxi, listenfd, connfd, sockfd;int nready;ssize_t n;char buf[MAXLINE], str[INET_ADDRSTRLEN];socklen_t clilen;struct pollfd client[OPEN_MAX];struct sockaddr_in cliaddr, servaddr;listenfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));servaddr.sin_family = AF_INET;servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);Bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));Listen(listenfd, 20);client[0].fd = listenfd;client[0].events = POLLRDNORM; for (i = 1; i < OPEN_MAX; i++)client[i].fd = -1; maxi = 0; for ( ; ; ) {nready = poll(client, maxi+1, -1); if (client[0].revents & POLLRDNORM) { clilen = sizeof(cliaddr);connfd = Accept(listenfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &clilen);printf("received from %s at PORT %d\n",inet_ntop(AF_INET, &cliaddr.sin_addr, str, sizeof(str)),ntohs(cliaddr.sin_port));for (i = 1; i < OPEN_MAX; i++) {if (client[i].fd < 0) {client[i].fd = connfd; break;}}if (i == OPEN_MAX)perr_exit("too many clients");client[i].events = POLLRDNORM; if (i > maxi)maxi = i; if (--nready <= 0)continue; }for (i = 1; i <= maxi; i++) { if ((sockfd = client[i].fd) < 0)continue;if (client[i].revents & (POLLRDNORM | POLLERR)) {if ((n = Read(sockfd, buf, MAXLINE)) < 0) {if (errno == ECONNRESET) { printf("client[%d] aborted connection\n", i);Close(sockfd);client[i].fd = -1;} else {perr_exit("read error");}} else if (n == 0) {printf("client[%d] closed connection\n", i);Close(sockfd);client[i].fd = -1;} else {for (j = 0; j < n; j++)buf[j] = toupper(buf[j]);Writen(sockfd, buf, n);}if (--nready <= 0)break; }}}return 0;}

client实现

#include #include #include #include #include "wrap.h"#define MAXLINE 80#define SERV_PORT 6666int main(int argc, char *argv[]){struct sockaddr_in servaddr;char buf[MAXLINE];int sockfd, n;sockfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));servaddr.sin_family = AF_INET;inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &servaddr.sin_addr);servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);Connect(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));while (fgets(buf, MAXLINE, stdin) != NULL) {Write(sockfd, buf, strlen(buf));n = Read(sockfd, buf, MAXLINE);if (n == 0)printf("the other side has been closed.\n");elseWrite(STDOUT_FILENO, buf, n);}Close(sockfd);return 0;}

ppoll
GNU定义了ppoll（非POSIX标准），可以支持设置信号屏蔽字。

#define _GNU_SOURCE #include int ppoll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds,   const struct timespec *timeout_ts, const sigset_t *sigmask);

epoll

epoll是Linux下多路复用IO接口select/poll的增强版本，它能显著提高程序在大量并发连接中只有少量活跃的情况下的系统CPU利用率，因为它会复用文件描述符集合来传递结果而不用迫使开发者每次等待事件之前都必须重新准备要被侦听的文件描述符集合，另一点原因就是获取事件的时候，它无须遍历整个被侦听的描述符集，只要遍历那些被内核IO事件异步唤醒而加入Ready队列的描述符集合就行了。
目前epell是linux大规模并发网络程序中的热门首选模型。
epoll除了提供select/poll那种IO事件的电平触发（Level Triggered）外，还提供了边沿触发（Edge Triggered），这就使得用户空间程序有可能缓存IO状态，减少epoll_wait/epoll_pwait的调用，提高应用程序效率。
可以使用cat命令查看一个进程可以打开的socket描述符上限。

cat /proc/sys/fs/file-max

如有需要，可以通过修改配置文件的方式修改该上限值。

sudo vi /etc/security/limits.conf

在文件尾部写入以下配置,soft软限制，hard硬限制。

* soft nofile 65536* hard nofile 100000

基础API
创建一个epoll句柄，参数size用来告诉内核监听的文件描述符的个数，跟内存大小有关。

#include int epoll_create(int size)//size：监听数目

控制某个epoll监控的文件描述符上的事件：注册、修改、删除。

#include int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event)

epfd： 为epoll_creat的句柄。
op： 表示动作，用3个宏来表示：
-EPOLL_CTL_ADD (注册新的fd到epfd)，
-EPOLL_CTL_MOD (修改已经注册的fd的监听事件)，
-EPOLL_CTL_DEL (从epfd删除一个fd)；
event： 告诉内核需要监听的事件。

struct epoll_event {__uint32_t events; epoll_data_t data; };typedef union epoll_data {void *ptr;int fd;uint32_t u32;uint64_t u64;} epoll_data_t;

EPOLLIN ： 表示对应的文件描述符可以读（包括对端SOCKET正常关闭）。
EPOLLOUT： 表示对应的文件描述符可以写。
EPOLLPRI： 表示对应的文件描述符有紧急的数据可读（这里应该表示有带外数据到来）。
EPOLLERR： 表示对应的文件描述符发生错误。
EPOLLHUP： 表示对应的文件描述符被挂断。
EPOLLET： 将EPOLL设为边缘触发(Edge Triggered)模式，这是相对于水平触发(Level Triggered)而言的。
EPOLLONESHOT：只监听一次事件，当监听完这次事件之后，如果还需要继续监听这个socket的话，需要再次把这个socket加入到EPOLL队列里。

等待所监控文件描述符上有事件的产生，类似于select()调用。

#include int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);

events： 用来存内核得到事件的集合。
maxevents： 告之内核这个events有多大，这个maxevents的值不能大于创建epoll_create()时的size。
timeout： 是超时时间
-1： 阻塞
0： 立即返回，非阻塞
>0： 指定毫秒
返回值： 成功返回有多少文件描述符就绪，时间到时返回0，出错返回-1

server

#include #include #include #include #include #include #include #include "wrap.h"#define MAXLINE 80#define SERV_PORT 6666#define OPEN_MAX 1024int main(int argc, char *argv[]){int i, j, maxi, listenfd, connfd, sockfd;int nready, efd, res;ssize_t n;char buf[MAXLINE], str[INET_ADDRSTRLEN];socklen_t clilen;int client[OPEN_MAX];struct sockaddr_in cliaddr, servaddr;struct epoll_event tep, ep[OPEN_MAX];listenfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));servaddr.sin_family = AF_INET;servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);Bind(listenfd, (struct sockaddr *) &servaddr, sizeof(servaddr));Listen(listenfd, 20);for (i = 0; i < OPEN_MAX; i++)client[i] = -1;maxi = -1;efd = epoll_create(OPEN_MAX);if (efd == -1)perr_exit("epoll_create");tep.events = EPOLLIN; tep.data.fd = listenfd;res = epoll_ctl(efd, EPOLL_CTL_ADD, listenfd, &tep);if (res == -1)perr_exit("epoll_ctl");while (1) {nready = epoll_wait(efd, ep, OPEN_MAX, -1); if (nready == -1)perr_exit("epoll_wait");for (i = 0; i < nready; i++) {if (!(ep[i].events & EPOLLIN))continue;if (ep[i].data.fd == listenfd) {clilen = sizeof(cliaddr);connfd = Accept(listenfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &clilen);printf("received from %s at PORT %d\n", inet_ntop(AF_INET, &cliaddr.sin_addr, str, sizeof(str)), ntohs(cliaddr.sin_port));for (j = 0; j < OPEN_MAX; j++) {if (client[j] < 0) {client[j] = connfd; break;}}if (j == OPEN_MAX)perr_exit("too many clients");if (j > maxi)maxi = j; tep.events = EPOLLIN; tep.data.fd = connfd;res = epoll_ctl(efd, EPOLL_CTL_ADD, connfd, &tep);if (res == -1)perr_exit("epoll_ctl");} else {sockfd = ep[i].data.fd;n = Read(sockfd, buf, MAXLINE);if (n == 0) {for (j = 0; j <= maxi; j++) {if (client[j] == sockfd) {client[j] = -1;break;}}res = epoll_ctl(efd, EPOLL_CTL_DEL, sockfd, NULL);if (res == -1)perr_exit("epoll_ctl");Close(sockfd);printf("client[%d] closed connection\n", j);} else {for (j = 0; j < n; j++)buf[j] = toupper(buf[j]);Writen(sockfd, buf, n);}}}}close(listenfd);close(efd);return 0;}

client

#include #include #include #include #include "wrap.h"#define MAXLINE 80#define SERV_PORT 6666int main(int argc, char *argv[]){struct sockaddr_in servaddr;char buf[MAXLINE];int sockfd, n;sockfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));servaddr.sin_family = AF_INET;inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &servaddr.sin_addr);servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);Connect(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));while (fgets(buf, MAXLINE, stdin) != NULL) {Write(sockfd, buf, strlen(buf));n = Read(sockfd, buf, MAXLINE);if (n == 0)printf("the other side has been closed.\n");elseWrite(STDOUT_FILENO, buf, n);}Close(sockfd);return 0;}

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来源地址：https://blog.csdn.net/qq_43471489/article/details/130514602