Linux高性能服务器编程——ch6笔记

gongyuandaye2023-10-24 15:17

第6章 高级I/O函数

6.1 pipe函数

用于创建一个管道，以实现进程间通信。

int pipe(int fd[2]);

读端文件描述符fd[0]和写端文件描述符fd[1]构成管道的两端，默认是阻塞的，fd[0]读出数据，fd[1]写入数据。管道内部传输的数据是字节流。

如果fd[1]的引用计数减少至0，即没有任何进程需要往管道中写入数据，则针对f[0]的read操作将返回0，即读取到了文件结束标记（EOF）；反之，如果fd[0]计数减少至 0，即没有任何进程需要从管道读取数据，则针对fd[1]的write操作将失败，并引发SIGPIPE信号。

socketpair函数：双向管道，但仅能在本地使用。

6.2 dup函数和dup2函数

用于复制文件描述符，但不继承原文件描述符的属性。

int dup(int file_descriptor);

int dup2(int file_descriptor_one, int file_descriptor_two);

dup函数创建一个新的文件描述符（系统当前可用的最小整数），与原有file_descriptor指向相同文件、管道或者网络连接。

dup2函数类似，但返回第一个不小于file_descriptor_two的整数。

cpp 复制代码 
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <assert.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    if (argc < 2)
    {
        printf("usage: %s ip_address port_number\n", basename(argv[0]));
        return 1;
    }

    const char *ip = argv[1];
    int port = atoi(argv[2]);

    struct sockaddr_in address;
    bzero(&address, sizeof(address));
    address.sin_family = AF_INET;
    inet_pton(AF_INET, ip, &address.sin_addr);
    address.sin_port = htons(port);

    int sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    assert(sock > 0);

    int ret = bind(sock, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address));
    assert(ret != -1);

    ret = listen(sock, 5);
    assert(ret != -1);

    struct sockaddr_in client;
    socklen_t client_addrlength = sizeof(client);
    int connfd = accept(sock, (struct sockaddr *)&client, &client_addrlength);
    if (connfd < 0)
    {
        printf("errno is : %d\n", errno);
    }
    else
    {
        close(STDOUT_FILENO);  //关闭标准输出文件描述符，值为1
        dup(connfd);  //返回最小可用文件描述符，返回1
// 服务器输出到标准输出的内容就会直接发送到与客户连接对应的 socket 上
// 因此 printf 的输出将被客户端获得（而不是显示在服务器程序的终端上）
        printf("abcd\n");
        close(connfd);
    }

    close(sock);

    return 0;
}

6.3 readv函数和writev函数

ssize_t readv(int fd, const struct iovec* vector, int count);

ssize_t writev(int fd, const struct iovec* vector, int count);

readv函数将数据从文件描述符读到分散的内存块中，即分散读；writev函数则将多块分散的内存数据一并写入文件描述符中，即集中写。

当Web服务器解析完一个HTTP请求之后，如果目标文档存在，且客户具有读取该文档的权限，那么它就需要发送一个HTTP应答来传输该文档。这个HTTP应答包含1个状态行、多个头部字段、1个空行和文档的内容。前3部分的内容可能被Web服务器放置在一块内存中，而文档的内容则通常被读到另外一块单独的内存中（通过read函数或mmap函数)。我们并不需要把这两部分内容拼接到一起再发送，而是可以使用writev函数将它们同时写出。

cpp 复制代码 
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <assert.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>

#define BUFFER_SIZE 1024

/* 定义两种HTTP状态吗和状态信息 */
static const char *status_line[2] = {"200 OK", "500 Internal server error"};

int main(int argc, char *argv[])
{
    if (argc < 3)
    {
        printf("usage: %s ip_address port_number filename\n", basename(argv[0]));
        return 1;
    }

    const char *ip = argv[1];
    int port = atoi(argv[2]);
    /* 将目标文件作为程序的第三个参数传入 */
    const char *file_name = argv[3];

    struct sockaddr_in address;
    bzero(&address, sizeof(address));
    address.sin_family = AF_INET;
    inet_pton(AF_INET, ip, &address.sin_addr);
    address.sin_port = htons(port);

    int sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    assert(sock >= 0);

    int ret = bind(sock, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address));
    assert(ret != -1);

    ret = listen(sock, 5);
    assert(ret != -1);

    struct sockaddr_in client;
    socklen_t client_addrlength = sizeof(client);
    int connfd = accept(sock, (struct sockaddr *)&client, &client_addrlength);
    if (connfd < 0)
    {
        printf("errno is : %d\n", errno);
    }
    else
    {
        /* 用于保存HTTP应答的状态行、头部字段和一个空行的缓冲区 */
        char header_buf[BUFFER_SIZE];
        memset(header_buf, '\0', BUFFER_SIZE);
        /* 用于存放目标文件内容的应用程序缓存 */
        char *file_buf = NULL;
        /* 用于获取目标文件的属性，比如是否为目录，文件大小等 */
        struct stat file_stat;
        /* 记录目标文件是否是有效文件 */
        bool valid = true;
        /* 缓冲区header_buf目前已经使用了多少字节的空间 */
        int len = 0;
        if (stat(file_name, &file_stat) < 0) /* 目标文件不存在 */
        {
            valid = false;
        }
        else
        {
            if (S_ISDIR(file_stat.st_mode)) /* 目标文件是一个目录 */
            {
                valid = false;
            }
            else if (file_stat.st_mode & S_IROTH) /* 当前用户有读取目标文件的权限 */
            {
                /* 动态分配缓存区file_buf, 并制定其大小为目标文件的大小
                 * file_stat.st_size 加1， 然后将目标文件读入缓存区file_buf中 */
                int fd = open(file_name, O_RDONLY);
                file_buf = new char [file_stat.st_size + 1];
                memset(file_buf, '\0', file_stat.st_size + 1);
                if (read(fd, file_buf, file_stat.st_size) < 0)
                {
                    valid = false;
                }
            }
            else
            {
                valid = false;
            }
        }

        /* 如果目标文件有效，则发送正常的HTTP应答 */
        if (valid)
        {
           /* 下面这部分内容将HTTP应答的状态行、"Content-Length"头部字段和一个空行
            * 依次加入header_buf中 */
            ret = snprintf(header_buf, BUFFER_SIZE - 1, "%s %s\r\n",
                    "HTTP/1.1", status_line[0]);
            len += ret;
            ret = snprintf(header_buf + len, BUFFER_SIZE - 1 - len,
                    "Content-Length: %d\r\n", file_stat.st_size);
            len += ret;
            ret = snprintf(header_buf + len, BUFFER_SIZE - 1 - len,
                    "%s", "\r\n");
            /* 利用writev将header_buf和file_buf的内容一并写出 */
            struct iovec iv[2];
            iv[0].iov_base = header_buf;
            iv[0].iov_len = strlen(header_buf);
            iv[1].iov_base = file_buf;
            iv[1].iov_len = file_stat.st_size;
            ret = writev(connfd, iv, 2);
        }
        else /* 如果目标文件无效，则通知客户端服务器发生了"内部错误" */
        {
            ret = snprintf(header_buf, BUFFER_SIZE - 1, "%s %s\r\n",
                    "HTTP/1.1", status_line[1]);
            len += ret;
            ret = snprintf(header_buf + len, BUFFER_SIZE - 1 - len, "%s",
                    "\r\n");
            send(connfd, header_buf, strlen(header_buf), 0);
        }

        close(connfd);
        delete[] file_buf;
    }

    close(sock);

    return 0;
}

省略了HTTP请求的接收及解析，该代码只关注HTTP应答的发送。

6.4 sendfile函数

在内核中操作，在两个文件描述符之间直接传递数据。避免了内核缓冲区和用户缓冲区之间的数据拷贝，效率很高，这被称为零拷贝。

ssize_t sendlile(int out_fd, int in_fd, off_t* offset, size_t count);

in_fd（待读出）必须是一个支持类似mmap函数的文件描述符，即它必须指向真实的文件，不能是socket和管道；而out_fd（待写入）则必须是一个socket。由此可见，sendfile几乎是专门为在网络上传输文件而设计的。

cpp 复制代码 
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <assert.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/sendfile.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    if (argc <= 3)
    {
        printf("usage: %s ip_address port_numberr filename\n", basename(argv[0]));
        return 1;
    }

    const char *ip = argv[1];
    int port = atoi(argv[2]);
    const char *file_name = argv[3];

    int filefd = open(file_name, O_RDONLY);
    assert(filefd > 0);
    struct stat stat_buf;
    fstat(filefd, &stat_buf);

    struct sockaddr_in address;
    bzero(&address, sizeof(address));
    address.sin_family = AF_INET;
    inet_pton(AF_INET, ip, &address.sin_addr);
    address.sin_port = htons(port);

    int sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    assert(sock > 0);

    int ret = bind(sock, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address));
    assert(ret != -1);

    ret = listen(sock, 5);
    assert(ret != -1);

    struct sockaddr_in client;
    socklen_t client_addrlength = sizeof(client);
    int connfd = accept(sock, (struct sockaddr *)&client, &client_addrlength);
    if (connfd < 0)
    {
        printf("errno is : %d\n", errno);
    }
    else
    {
        sendfile(connfd, filefd, NULL, stat_buf.st_size);
        close(connfd);
        close(filefd);
    }

    close(sock);

    return 0;
}

没有为目标文件分配任何用户空间的缓存，也没有执行读取文件的操作，但同样实现 了文件的发送。

6.5 mmap函数和munmap函数

mmap函数用于申请一段内存空间。可以将这段内存作为进程间通信的共享（也可为调用进程所私有）内存，

也可以将文件内接映射到其中。munmap函数则释放由mmap创建的这段内存空间。

void* mmap(void *start, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

int munmap(void *start, size_t length);

6.6 splice函数

用于在两个文件描述符之间移动数据，也是零拷贝。

ssize_t splice(int fd_in, loff_t* off_in, int fd_out, loff_t* off_out, size_t len, unsigned int flags);

fd_in和fd_out必须至少有一个是管道文件描述符。

cpp 复制代码 
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <assert.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    if (argc <= 2)
    {
        printf("usage: %s ip_address port_number\n", basename(argv[0]));
        return 1;
    }

    const char *ip = argv[1];
    int port = atoi(argv[2]);

    struct sockaddr_in address;
    bzero(&address, sizeof(address));
    address.sin_family = AF_INET;
    inet_pton(AF_INET, ip, &address.sin_addr);
    address.sin_port = htons(port);

    int sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    assert(sock >= 0);

    int ret = bind(sock, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address));
    assert(ret != -1);

    ret = listen(sock, 5);
    assert(ret != -1);

    struct sockaddr_in client;
    socklen_t client_addrlength = sizeof(client);
    int connfd = accept(sock, (struct sockaddr *)&client, &client_addrlength);
    if (connfd < 0)
    {
        printf("errno is : %d\n", errno);
    }
    else
    {
        int pipefd[2];

        ret = pipe(pipefd); /* 创建管道 */
        assert(ret != -1);
        /* 将connfd上流入的客户数据定向到管道中 */
        ret = splice(connfd, NULL, pipefd[1], NULL, 32768,
                SPLICE_F_MORE | SPLICE_F_MOVE);
        assert(ret != -1);
        /* 将管道的输出定向到connfd客户连接文件描述符 */
        ret = splice(pipefd[0], NULL, connfd, NULL, 32768,
                SPLICE_F_MORE | SPLICE_F_MOVE);
        assert(ret != -1);
        close(connfd);
    }

    close(sock);

    return 0;
}

通过splice函数将客户端的内容读入到pipefd[1]中，然后再使用splice函数从pipefd[0]中读出该内容到客户端，从而实现了简单高效的回射服务。整个过程未执行recv或send操作，因此也未涉及用户空间和内核空间之间的数据拷贝。

6.7 tee函数

在两个管道文件描述符之间复制数据，也是零拷贝操作。它不消耗数据，因此源文件描述符上的数据仍然可以用于后续的读操作。

ssize_t tee(int fd_in, int fd_out, size_t len, unsigned int flags);

cpp 复制代码 
#include <assert.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    if (argc != 2)
    {
        printf("usage: %s <file>\n", basename(argv[0]));
        return 1;
    }

    int filefd = open(argv[1], O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC, 0666);
    assert(filefd > 0);

    int pipefd_stdout[2];
    int ret = pipe(pipefd_stdout);
    assert(ret != -1);

    int pipefd_file[2];
    ret = pipe(pipefd_file);
    assert(ret != -1);

    /* 将标准输入内容输入管道pipefd_stdout */
    ret = splice(STDIN_FILENO, NULL, pipefd_stdout[1], NULL,
            32768, SPLICE_F_MORE | SPLICE_F_MOVE);
    assert(ret != -1);

    /* 将管道pipefd_stdout 的输出复制到管道pipefd_file的输入端 */
    ret = tee(pipefd_stdout[0], pipefd_file[1], 32768, SPLICE_F_NONBLOCK);
    assert(ret != -1);
    /* 将管道pipefd_file的输出定向到文件描述符filefd上，从而将标准输入的内容写入文件 */
    ret = splice(pipefd_file[0], NULL, filefd, NULL,
            32768, SPLICE_F_MORE | SPLICE_F_MOVE);
    assert(ret != -1);
    /* 将管道pipefd_stdout 的输出定向到标准输出，其内容和写入文件的内容完全一致 */
    ret = splice(pipefd_stdout[0], NULL, STDOUT_FILENO, NULL,
            32768, SPLICE_F_MORE | SPLICE_F_MOVE);
    assert(ret != -1);

    close(filefd);
    close(pipefd_stdout[0]);
    close(pipefd_stdout[1]);
    close(pipefd_file[0]);
    close(pipefd_file[1]);

    return 0;
}

6.8 fcntl函数

提供了对文件描述符的各种控制操作，另外一个常见的控制文件描述符属性和行为的系统调用是ioctl，而且ioctl比fcntl能够执行更多的控制。但是，对于控制文件描述符常用的属性和行为，fcntl函数是由POSIX规范指定的首选方法。

网络编程中，fcntl函数通常用来将一个文件描述符设置为非阻塞的。

SIGIO和SIGURG这两个信号与其他Linux信号不同，它们必须与某个文件描述符相关联方可使用：当被关联的文件描述符可读或可写时，系统将触发 SIGIO信号；当被关联的文件描述符（而且必须是一个socket）上有带外数据可读时，系统将触发 SIGURG信号。将信号和文件描述符关联的方法，就是使用fcntl函数为目标文件描述符指定宿主进程或进程组，那么被指定的宿主进程或进程组将捕获这两个信号。使用 SIGIO时，还需要利用fcntl设置其O_ASYNC标志（异步I/O标志，不过SIGIO信号模型并非真正意义上的异步I/O模型）。

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