Socket 编程IO Multiplexing

   Linux Socket 编程中I/O Multiplexing 主要通过三个函数来实现:select, poll,epoll来实现。I/O Multiplexing,先构造一张有关描述符的列表,然后调用一个函数,直到这些描述符中的一个已准备好进行I/O时,该函数才返回。在返回时,它告诉进程哪些描述符已准备好可以进行I/O。本文具体介绍一下select 和poll的用法,给出简单的demo代码,简要分析一下这两个函数的使用易出错的地方。        

#include<sys/select.h>

int select(int maxfdp1, fd_set *restrict readfds, fd_set *restrict writefds,fd_set *restrict exceptfds, struct timeval* restrict tvptr);

//Returns: count of ready descriptors, 0 on timeout, -1 on error

  中间三个参数readfds、writefds和exceptfds是指向描述符集的指针。这三个描述符集说明了我们关心的可读、可写或出于异常条件的各个描述符,设置为NULL则表示不关心。每个描述符集存放在一个fd_set数据类型中。这种数据类型为每一可能的描述符保持一位。描述符集的函数接口(可能实现为宏)包括:调用FD_ZERO将一个指定的fd_set变量的所有位设置为0;调用FD_SET设置一个fd_set变量的指定位;调用FD_CLR将一指定位清楚;调用FD_ISSET测试一指定位是否设置。

#include <sys/select.h>

int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset);

  //Returns: nonzero if fd is in set, 0 otherwise

void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset);

void FD_SET(int fd, fd_set *fdset);

void FD_ZERO(fd_set *fdset);
  

 

  文件描述符集fdset中的文件描述符的个数是有限制的,最大值由FD_SETSIZE指定,一般为1024.

  Select 最后一个参数用于设置超时值,当select监听达到超时值时还未有关心的事件发生则返回,函数返回值为0.

struct timeval{

  long tv_sec;//second

  long tv_usec;//microsecond

}

 

  超时参数如果设置为 NULL 则无限等待。

  下面来是一个简单的select Echo server:

// simpleEcho.cpp
#include <stdio.h> #include <sys/socket.h> #include <netinet/in.h> #include <unistd.h> #include <arpa/inet.h> #include <sys/types.h> #include <vector> #include <string.h> #include <stdlib.h> #include <fcntl.h> #define SEVER_PORT 1314 #define MAX_LINE_LEN 1024 using namespace std; int main() { struct sockaddr_in cli_addr, server_addr; socklen_t sock_len; vector<int> client(FD_SETSIZE,-1); fd_set rset,allset; int listenfd, connfd, sockfd, maxfd, nready, ix,maxid, nrcv,one; char addr_str[INET_ADDRSTRLEN],buf[MAX_LINE_LEN]; bzero(&server_addr,sizeof server_addr); server_addr.sin_family = AF_INET; server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); server_addr.sin_port = htons(SEVER_PORT); listenfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0); one = 1; setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR,&one, sizeof(one)); if(bind (listenfd ,(struct sockaddr *)&server_addr ,sizeof server_addr) < 0 ) { printf("socket bind error" ); return 0; } listen(listenfd ,10); FD_ZERO(&allset); FD_SET(listenfd ,&allset ); maxfd = listenfd ; maxid = -1 ; while(1 ) { rset = allset; //! nready = select (maxfd + 1, &rset,NULL,NULL,NULL); if(nready < 0 ) { printf("select error! /n" ); exit(1 ); } if(FD_ISSET (listenfd , &rset )) { sock_len = sizeof cli_addr; connfd = accept (listenfd ,(struct sockaddr *)&cli_addr , &sock_len); printf("recieve from : %s at port %d/n" , inet_ntop(AF_INET,&cli_addr .sin_addr ,addr_str ,INET_ADDRSTRLEN ),cli_addr .sin_port ); for(ix = 0 ; ix < static_cast< int>(client .size()); ix++) { if(client[ix] < 0 ) { client[ix] = connfd ; break; } } printf("client[%d] = %d/n" ,ix ,connfd ); if( FD_SETSIZE == ix) { printf("too many client! /n" ); exit(1 ); } if( connfd > maxfd) { maxfd = connfd; } FD_SET(connfd, &allset ); if(ix > maxid ) { maxid = ix; } if(--nready == 0) { continue; } } for(ix = 0 ; ix <= maxid; ix++) //<= { if((sockfd = client [ix ]) < 0) { continue; } if(FD_ISSET (sockfd ,&rset )) { if( 0 == (nrcv = read(sockfd,buf,MAX_LINE_LEN ))) { close(sockfd); client[ix] = -1 ; FD_CLR(sockfd ,&allset ); } else { printf("RECIEVE: %s /n" ,buf ); write(sockfd,buf,nrcv); } } if(--nready == 0) { break; } } } return 0; }

  在使用select 的时候要注意两点:

    第一个参数需要是当前所关心的文件描述符中最大的一个+1

    第二需要注意的是select的中间3个参数采用了“value-result”(UNP1的说法)的方式,设置了关心的文件描述符进行select,select返回之后对应描述的fdset中只有有事件发生的对应fd会被设置,其它关心但是没有事件发生的描述符将会从fdset中清除掉,如果不进行重新赋值,下次select就不会关注这些描述符了,因此上述代码中allset每次对rset进行复制。

   来看看如果只在while(1) 之前设置rset,在while(1) 中不在每次select之前赋值会发生什么,在控制台输入: strace ./simpleEcho,另外打开一个控制台窗口输入:nc localhost 1314,这作为一个连接Echo server 的 client,然后输入你想发往Echo Server内容。关键我们来看一下Echo server的情况:

Socket 编程IO Multiplexing

  可以看到 select 首先关注的文件描述符 fd == 3,该描述符是listenfd,然后有client连过来,select关注了 fd 3 和 4,4是accept函数打开的用于与client通信的描述符,当client向server写数据之后select关注的描述就只剩下 fd 4了,也就是当前处于连接状态的描述符,如果client主动关闭,select返回之后,下次监听就没有关注的描述符了,可见select函数的“value-result” 返回方式是这样工作的:每次只返回监听描述符中处于active的,其它处于监听的但是当前没有事件发生的描述符则会从监听的fdset中清除掉。因此在每次select之前需要给关注的fdset重新赋值。

  注1:在进行系统调用调试的时候 strace 是一个利器,简单使用方式如上面在运行程序之前加上 strace 即可。在调试代码逻辑的时候当然还是使用gdb了。

  注2Netcat 或者叫 nc 是 Linux 下的一个用于调试和检查网络工具包。可用于创建 TCP/IP 连接,最大的用途就是用来处理 TCP/UDP 套接字。

  

  select 什么时候会处于准备好并返回呢? UNPv1 上进行了详细介绍:

  下面四个条件任何一个满足的时候套件字准备好读:

  1. 套接口接受缓冲区的数据字节数大于等于套接口接受缓冲区的低潮限度当前值。对这样的套接口读操作将不阻塞并返回一个大于0的值(既准备好读入的数据量)。我们可以用套接口选项SO_RCVLOWAT来设置此低潮限度,对于TCP和UDP套接口,其缺省值为1。

  2. 连接的读这一半关闭(也就是接收了FIN的TCP连接)。对这样的套接口读操作将不阻塞并返回0(记文件结束符)。

  3. 套接口是一个监听的套接口且已完成的连接数为非0。正常情况下这样的套接口上的accpet不会被阻塞。

  4. 有一个套接口错误待处理。对这样的套接口操作将不阻塞并返回一个错误-1,errno设置成明确的错误条件。

 

  以下三个条件的任何一个满足时,套接口准备好写操作:

  1. 套接口发送缓冲区中可用空间的字节数大于等于套接口发送缓冲区低潮限度的当前值,且或者(i)套接口已连接,或者(ii)套接口不需要连接(例如UDP套接字)。这意味着,如果我们将这样的套接口设置为非阻塞,写操作将不阻塞且返回一个正值(例如由传输层传入的字节数)。我们可以用套接口选项SO_SNDLOWAT来设置此低潮限度,对于TCP和UDP套接口其缺省值为2048.

  2. 连接的写这一半关闭,对这样的套接口写操作将产生信号SIGPIPE。

  3. 有一个套接口错误待处理。对这样的套接口操作写操作将不阻塞且返回一个错误-1,errno设置成明确的错误条件。这些待处理的错误也可通过指定套接口选项SO_ERROR调用getsockopt来取得并清除。

  

  如果一个套接口存在带外数据或者仍处于带外标记,那他有异常条件待处理。

   poll留到下一篇吧……

  但,I/O multiplexing 就是这样用的吗?

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