第16章 网络io与io多路复用select/pool/epool

马·坚2023-12-14 9:45

第16.1节 写一个服务端代码

  1. 服务端代码

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

#include <fcntl.h>

int main() {
	//open
	
	int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // io
	
	struct sockaddr_in servaddr;
	memset(&servaddr, 0, sizeof(struct sockaddr_in)); // 192.168.2.123
	servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 0.0.0.0
    servaddr.sin_port = htons(9999);

    if (-1 == bind(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(struct sockaddr))) {
		printf("bind failed: %s", strerror(errno));
		return -1;
    }

    listen(sockfd, 10); 
    
	getchar();
}

  2. 运行该段代码，可以使用netstat -anop | grep 9999查看某一个端口(如：9999)进程的命令。结果如下图。可以发现代码执行到此处的时候，程序已经开始监听了。

  3. 可以使用第三方的网络助手工具尝试连接该端程序。可以发现可以正常发送成功，但是却没有没有反馈。

  4. 出现上述问题主要原因见下图。通过listen这是监听了，并没有真正的建立连接。建立连接是通过accept来实现的，并且每个客户端都有一个服务对应处理。

  5. 故而添加accept代码如下

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

#include <fcntl.h>

int main() {
	//open
	
	int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // io
	
	struct sockaddr_in servaddr;
	memset(&servaddr, 0, sizeof(struct sockaddr_in)); // 192.168.2.123
	servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 0.0.0.0
    servaddr.sin_port = htons(9999);

    if (-1 == bind(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(struct sockaddr))) {
		printf("bind failed: %s", strerror(errno));
		return -1;
    }

    listen(sockfd, 10); 

    //sleep(10);
    
#if 0
	printf("sleep\n");
	int flags = fcntl(sockfd, F_GETFL, 0);
	flags |= O_NONBLOCK;
	fcntl(sockfd, F_SETFL, flags);
#endif

    struct sockaddr_in clientaddr;
    socklen_t len = sizeof(clientaddr); 
    int clientfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &len);

    // getchar();

}

  6. 上述代码运行效果如下

    可以发现代码阻塞在accept函数处，此时通过工具建立连接，就会继续运行。而通过代码中的#if...#endif处的代码可以将阻塞io转换为非阻塞io。

  7. 思考：若在listen之后还未到accept的时候建立连接会成功吗？修改代码验证该思考。

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

#include <fcntl.h>

int main() {
	//open
	
	int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // io
	
	struct sockaddr_in servaddr;
	memset(&servaddr, 0, sizeof(struct sockaddr_in)); // 192.168.2.123
	servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 0.0.0.0
    servaddr.sin_port = htons(9999);

    if (-1 == bind(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(struct sockaddr)))
    {
		printf("bind failed: %s", strerror(errno));
		return -1;
    }

    listen(sockfd, 10); 

    sleep(10);
    printf("sleep\n");

#if 0
	printf("sleep\n");
	int flags = fcntl(sockfd, F_GETFL, 0);
	flags |= O_NONBLOCK;
	fcntl(sockfd, F_SETFL, flags);
#endif

    struct sockaddr_in clientaddr;
    socklen_t len = sizeof(clientaddr); 
    int clientfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &len);
    printf("sockfd:%d, clientfd:%d\n", sockfd, clientfd);
    // getchar();
}

    使用工具在未打印sleep之前点击连接，过一会儿运行结果如下图，可以发现依然可以建立连接。

    所以该思考的结果是：accept和是否能建立连接没有关系。如在listen之后sleep(10)，还没有到accept的时候建立连接也是可以的。

  8. 思考：将代码改成非阻塞的，若在accept到来之前还未点击连接会如何？修改案例代码如下：

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

#include <fcntl.h>

int main() {
	//open
	
	int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // io
	
	struct sockaddr_in servaddr;
	memset(&servaddr, 0, sizeof(struct sockaddr_in)); // 192.168.2.123
	servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 0.0.0.0
    servaddr.sin_port = htons(9999);

    if (-1 == bind(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(struct sockaddr))) {
		printf("bind failed: %s", strerror(errno));
		return -1;
    }

    listen(sockfd, 10); 

    sleep(10);

#if 1
	printf("sleep\n");
	int flags = fcntl(sockfd, F_GETFL, 0);
	flags |= O_NONBLOCK;
	fcntl(sockfd, F_SETFL, flags);
#endif

    struct sockaddr_in clientaddr;
    socklen_t len = sizeof(clientaddr); 
    int clientfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &len);
    printf("sockfd:%d, clientfd:%d\n", sockfd, clientfd);
    // getchar();
}

    代码运行结果：

    可以发现失败了，linux下正数表示成功，-1表示失败。而如果在运行到accept之前点击了连接，就会连接成功。此处从3开始，是因为0是标准输入，1是标准输出，2是错误。

  9. 上面只实现了网络io的连接，那么接下来考虑服务端如何接收数据。使用recv，recv返回0表示断开连接

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

#include <fcntl.h>

#define BUFFER_LENGTH		1024

int main() {
	//open
	
	int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // io
	
	struct sockaddr_in servaddr;
	memset(&servaddr, 0, sizeof(struct sockaddr_in)); // 192.168.2.123
	servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 0.0.0.0
    servaddr.sin_port = htons(9999);

    if (-1 == bind(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(struct sockaddr))) {
		printf("bind failed: %s", strerror(errno));
		return -1;
    }

    listen(sockfd, 10); 

    struct sockaddr_in clientaddr;
    socklen_t len = sizeof(clientaddr); 
    int clientfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &len);
    printf("sockfd:%d, clientfd:%d\n", sockfd, clientfd);

    char buffer[BUFFER_LENGTH] = {0};
	int ret = recv(clientfd, buffer, BUFFER_LENGTH, 0);
    
    printf("ret: %d, buffer: %s\n", ret, buffer);

	send(clientfd, buffer, ret, 0);

    // getchar();
}

    使用第三方的网络助手工具尝试连接该端程序，代码运行结果如下：

    通过上图可以发现recv也是阻塞的，只会阻塞一次，send 也是一次**。**

  10. 思考：那么放入到while中是否可以发送多次数据呢？代码如下：

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

#include <fcntl.h>

#define BUFFER_LENGTH		1024

int main() {
	//open
	
	int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // io
	
	struct sockaddr_in servaddr;
	memset(&servaddr, 0, sizeof(struct sockaddr_in)); // 192.168.2.123
	servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 0.0.0.0
    servaddr.sin_port = htons(9999);

    if (-1 == bind(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(struct sockaddr))) {
		printf("bind failed: %s", strerror(errno));
		return -1;
    }

    listen(sockfd, 10); 

    struct sockaddr_in clientaddr;
    socklen_t len = sizeof(clientaddr); 
    int clientfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &len);
    printf("sockfd:%d, clientfd:%d\n", sockfd, clientfd);


	while (1) { //slave
	
		char buffer[BUFFER_LENGTH] = {0};
		int ret = recv(clientfd, buffer, BUFFER_LENGTH, 0);
		if (ret == 0) {
			close(clientfd);
			break; 
		}

		printf("ret: %d, buffer: %s\n", ret, buffer);

		send(clientfd, buffer, ret, 0);
	}

    // getchar();
}

    代码运行结果如下：

    可以发现支持数据的多次接收。那么这段代码是否可以接收多个客户端的请求呢。实例如下：

    可以发现无法处理第二个客户端的请求，思考后，这是因为accept只有一次，那么将accept放入到while中是否可以呢？

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

#include <fcntl.h>

#define BUFFER_LENGTH		1024

int main() 
{
	//open
	
	int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // io
	
	struct sockaddr_in servaddr;
	memset(&servaddr, 0, sizeof(struct sockaddr_in)); // 192.168.2.123
	servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 0.0.0.0
    servaddr.sin_port = htons(9999);

    if (-1 == bind(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(struct sockaddr)))
     {
		printf("bind failed: %s", strerror(errno));
		return -1;
    }

    listen(sockfd, 10); 

    struct sockaddr_in clientaddr;
    socklen_t len = sizeof(clientaddr); 

	while (1) 
  { //slave
    int clientfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &len);
    printf("sockfd:%d, clientfd:%d\n", sockfd, clientfd);
		
    char buffer[BUFFER_LENGTH] = {0};
		int ret = recv(clientfd, buffer, BUFFER_LENGTH, 0);
		if (ret == 0)
    {
			close(clientfd);
			break; 
		}

		printf("ret: %d, buffer: %s\n", ret, buffer);

		send(clientfd, buffer, ret, 0);
	}

    // getchar();
}

    代码运行结果：

    可以发现只能发送一次，这是因为第二次发送的时候调用了accept，此时没有连接，会被阻塞住。那么为了在while中即调用accept，又可以调用recv，所以考虑使用多线程实现。代码如下所示。该段代码编译需要使用gcc -o xxx xxx.c -lpthread.

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

#include <fcntl.h>
#include <pthread.h>

#define BUFFER_LENGTH		1024

void *client_thread(void *arg) 
{

	int clientfd = *(int*)arg;

	while (1) 
  { //slave
	
		char buffer[BUFFER_LENGTH] = {0};
		int ret = recv(clientfd, buffer, BUFFER_LENGTH, 0);
		if (ret == 0) {
			close(clientfd);
			break; 
		}

		printf("ret: %d, buffer: %s\n", ret, buffer);

		send(clientfd, buffer, ret, 0);
	}

}

int main() 
{
	//open
	
	int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // io
	
	struct sockaddr_in servaddr;
	memset(&servaddr, 0, sizeof(struct sockaddr_in)); // 192.168.2.123
	servaddr.sin_family = AF_INET;
  	servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 0.0.0.0
  	servaddr.sin_port = htons(9999);

  	if (-1 == bind(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(struct sockaddr)))
  	{
   	 	printf("bind failed: %s", strerror(errno));
    	return -1;
  	}

  	listen(sockfd, 10); 

  	struct sockaddr_in clientaddr;
  	socklen_t len = sizeof(clientaddr); 

	while (1) 
  	{ //slave
    	int clientfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &len);
    	printf("sockfd:%d, clientfd:%d\n", sockfd, clientfd);
    
    	pthread_t threadid;
		pthread_create(&threadid, NULL, client_thread, &clientfd);
	}
    // getchar();
}

    代码运行结果：

    从上图结果可以发现可以达到我们的预期目标。但是在客户端多的时候，比如有10000个客户端，无法创建10000个线程。那么如何处理这个问题。此时就需要用到本章的重点知识，网络io多路复用技术，对多个服务进行管理。如select， pool， epool，kqueue(mac)等。

第16.2节 select

16.2.1 介绍

网络IO复用是指在单线程或少数线程的情况下，通过一种机制同时监控多个IO流的状态，当某个IO流有数据到达时，就通知相应的线程进行处理。其中，select是一种比较常用的IO多路复用技术，它可以同时监控多个文件描述符，当某个文件描述符就绪（一般是读就绪或写就绪）时，就会通知应用程序进行相应的操作。

16.2.2 代码案例

  1. 代码

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

#include <fcntl.h>
#include <sys/select.h>

#define BUFFER_LENGTH		1024

int main() 
{
	//open
	
	int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // io
	
	struct sockaddr_in servaddr;
	memset(&servaddr, 0, sizeof(struct sockaddr_in)); // 192.168.2.123
	servaddr.sin_family = AF_INET;
  servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 0.0.0.0
  servaddr.sin_port = htons(9999);

  if (-1 == bind(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(struct sockaddr)))
  {
    printf("bind failed: %s", strerror(errno));
    return -1;
  }

  listen(sockfd, 10); 

  struct sockaddr_in clientaddr;
  socklen_t len = sizeof(clientaddr); 

  fd_set rfds, rset;
	FD_ZERO(&rfds);
	FD_SET(sockfd, &rfds);

	int maxfd = sockfd;
	int clientfd = 0;

	while (1) 
  { 

		rset = rfds;
		
		int nready = select(maxfd+1, &rset, NULL, NULL, NULL);

		if (FD_ISSET(sockfd, &rset)) 
    { 

			clientfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &len);
			printf("accept: %d\n", clientfd);

			FD_SET(clientfd, &rfds);
			if (clientfd > maxfd) maxfd = clientfd; // 这是因为有回收机制，所以始终找最大值。

			if (-- nready == 0) continue;
		}

		int i = 0;
		for (i = sockfd + 1; i <= maxfd; i++) {

			if (FD_ISSET(i, &rset))
      {

				char buffer[BUFFER_LENGTH] = {0};
				int ret = recv(i, buffer, BUFFER_LENGTH, 0);
				if (ret == 0) 
        {
					close(i);
					break; 
				}

				printf("ret: %d, buffer: %s\n", ret, buffer);

				send(i, buffer, ret, 0);
			}
		}
	}
    // getchar();
}

    运行结果

    发现可以达到同样的目的。

  2. 代码说明

    1. select(maxfd, &rfds, &wfds, efds, timeout)

      maxfd - 表示的是所有的accept连接中返回值最大的id，

      rfds - 可读的集合，记录了可以读的io集合

      wfds - 可写的集合，记录了可以写的io集合

      efds - 出错的集合，记录了上次出错的io集合

      timeout - 表示多久轮询上面三个集合一次

      返回值 - 表示当前有多少个io连接

    2. fd_set rfds: fd_set内部是按照bit位来的

    3. FD_ZERO(&rfds): 是设置fd_set中的每一个bit位为0

    4. FD_SET(x, &rfds)：将rfds中的dix位置为1

    5. FD_ISSET(socked, &rfds)：表示查询rfds的第socked位是否为1

  3. 关于send是否可以写的问题，是应用将需要发送的数据放入到内核的sendbuffer中。通常而言都是可以send成功的，只有在循环send或sendbuffer()非常小的时候才会失败，这个配置可以在sysconfig文件中修改，所以send是否可以写是需要判断的。

16.2.3 缺陷

  1. 由于select的fd_set需要通过select先传入到内核，再从内核传出来，所以会很消耗性能。
  2. 在select中，一个fd_set是128个bit位，如果io的数量超过128个后，就会出现资源不够。
  3. 在内核中会循环遍历，这也会比较耗时。

第16.3节 poll

16.3.1 介绍

poll是一种常见的IO多路复用技术，它可以同时监视多个文件描述符，当其中任意一个文件描述符就绪时，就会通知应用程序进行相应的操作。

16.3.2 代码案例

  1. 代码

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

#include <fcntl.h>
#include <sys/poll.h>

#define BUFFER_LENGTH		1024
#define POLL_SIZE   1024
int main() 
{
	//open
	
	int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // io
	
	struct sockaddr_in servaddr;
	memset(&servaddr, 0, sizeof(struct sockaddr_in)); // 192.168.2.123
	servaddr.sin_family = AF_INET;
  	servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 0.0.0.0
 	servaddr.sin_port = htons(9999);

  	if (-1 == bind(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(struct sockaddr)))
  	{
    	printf("bind failed: %s", strerror(errno));
    	return -1;
  	}

  	listen(sockfd, 10); 

  	struct pollfd fds[POLL_SIZE] = {0};

	fds[sockfd].fd = sockfd;
	fds[sockfd].events = POLLIN; // 表示可读

	int maxfd = sockfd;
	int clientfd = 0;

	while (1) {

		int nready = poll(fds, maxfd + 1, -1);

		if (fds[sockfd].revents & POLLIN) 
    	{

			clientfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &len);
			printf("accept: %d\n", clientfd);

			fds[clientfd].fd = clientfd;
			fds[clientfd].events = POLLIN;

			if (clientfd > maxfd) maxfd = clientfd;

			if (-- nready == 0) continue;
			
		}

		int i = 0;
		for (i = 0;i <= maxfd; i ++) 
        {
			if (fds[i].revents & POLLIN) 
      		{
				char buffer[BUFFER_LENGTH] = {0};
				int ret = recv(i, buffer, BUFFER_LENGTH, 0);
				if (ret == 0) 
        		{
					fds[i].fd = -1; // 需要将fd置为无效才行。
					fds[i].events = 0;
					
					close(i);
					break; 
				}

				printf("ret: %d, buffer: %s\n", ret, buffer);
				send(i, buffer, ret, 0);
			}
		}
	}
    // getchar();
}

  2. 代码说明

    结构中的events是我们传入到内核中的可读的项，而revents是从内核中反馈出来的。

    cpp 复制代码 
    struct poolfd
{
	int fd;
	short events;
	short revent;
}

16.3.3 相对select的优缺点

  1. 与select相比，poll没有最大文件描述符数量的限制，因此可以处理更多的并发连接。poll的使用方法与select类似，但是poll的效率比select更高，因为它不需要遍历整个文件描述符集合，而是只需要遍历就绪的文件描述符集合。
  2. pool只有一个数组
  3. 接口简单只有一个

第16.4节 epoll

16.4.1 介绍

epoll是Linux内核为处理大批量文件描述符而作了改进的poll，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。epoll可以同时处理大量的文件描述符，是基于事件驱动的IO操作方式，可以取代select和poll函数。epoll使用一个文件描述符管理多个描述符，将用户关系的文件描述符的事件存放到内核的一个事件表中，这样在用户空间和内核空间的copy只需一次。另外，epoll使用红黑树存储管理事件，每次插入和删除事件的效率都是O(logn)的，其中n是红黑树中节点的个数。

16.4.2 代码案例

  1. 代码

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

#include <fcntl.h>
#include <sys/epoll.h>

#define BUFFER_LENGTH		1024

int main() 
{
	//open
	
	int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // io
	
	struct sockaddr_in servaddr;
	memset(&servaddr, 0, sizeof(struct sockaddr_in)); // 192.168.2.123
	servaddr.sin_family = AF_INET;
  	servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 0.0.0.0
  	servaddr.sin_port = htons(9999);

  	if (-1 == bind(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(struct sockaddr)))
  	{
    	printf("bind failed: %s", strerror(errno));
    	return -1;
  	}

  	listen(sockfd, 10); 
  	struct sockaddr_in clientaddr;
  	socklen_t len = sizeof(clientaddr);
  
  	int epfd = epoll_create(1);//1000  //list

	struct epoll_event ev;
	ev.events = EPOLLIN;
	ev.data.fd = sockfd;

	epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, sockfd, &ev); //

	struct epoll_event events[1024] = {0};

	while (1)
  	{  // mainloop

		int nready = epoll_wait(epfd, events, 1024, -1); //-1, 0, 
		if (nready < 0) continue;

		int i = 0;
		for (i = 0;i < nready;i ++) {

			int connfd = events[i].data.fd;

			if (sockfd == connfd) 
     		{ // accept
				
				int clientfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &len);
				if (clientfd <= 0) 
        		{
					continue;
				}

				printf(" clientfd: %d\n", clientfd);
				
				ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;
				ev.data.fd = clientfd;
				epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, clientfd, &ev);
				
				}
      		else if (events[i].events & EPOLLIN) 
      		{
				char buffer[10] = {0};
				short len = 0;
				recv(connfd, &len, 2, 0);
				len = ntohs(len);

				int n = recv(connfd, buffer, 10, 0);
				if (n > 0) 
        		{
					printf("recv : %s\n", buffer);
					send(connfd, buffer, n, 0);
				} 
        		else if (n == 0) 
        		{

					printf("close\n");

					epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, connfd, NULL);
				
					close(connfd);
				
				}
			}
		}
	}
    // getchar();
}

    运行结果

16.4.3 相对select，pool的优点

  1. 可以处理大量请求
  2. 底层使用红黑树实现，效率更高

补充：

  1. io的数量意味着什么？意味着并发
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