网络通信 --- TCP并发服务器/IO模型/多路复用IO相关函数接口 --- Linux

嵌入小生0072026-03-11 23:21

1、TCP并发服务器

１.１TCP并发服务器问题

服务端需要同时处理多个客户端连接时，核心矛盾：

  • accept()：阻塞等待新客户端的三次握手，若无新连接则一直阻塞；
  • recv()/send()：阻塞等待对应客户端的读写数据，若无数据则一直阻塞。单线程下，阻塞 IO 会导致服务器只能处理一个客户端，无法响应其他客户端的连接 / 数据请求，程序逻辑无法满足并发需求。

解决方法：

  • TCP并发服务器线程/进程模型：
    • 优点：实现简单（每个新连接创建一个线程 / 进程处理），逻辑直观；
    • 缺点：资源消耗大，连接数过多时会耗尽系统资源，且线程 / 进程切换开销大；
  • TCP并发服务器多路复用模型（select/poll/epoll）
    • 优点：单线程 / 少量线程即可处理大量连接，资源消耗低，切换开销小；
    • 缺点：编程逻辑稍复杂，select/poll 存在性能瓶颈（epoll 无此问题）。

1.2 Linux系统的4种IO模型

阻塞IO：

数据没来时，进程/线程阻塞等待，不占用CPU资源

  • 优点：CPU利用率高，编程简单
  • 缺点：一个线程只能处理一个fd

非阻塞IO：

系统调用立即返回，用户程序需要不断轮询检查数据

  • 优点：一个线程可管理多个fd
  • 缺点：大量占用CPU资源（空轮询）

多路复用IO：

用一个函数（select/poll/epoll）监听多个fd是否产生IO事件，

只要有fd就绪就返回，用户再处理对应fd

  • 优点：一个线程可管理大量连接，CPU利用率高
  • 缺点：编程逻辑复杂

信号驱动IO：

当fd数据就绪时，内核主动发SIGIO信号通知应用，

应用在信号处理函数中读取数据

异步IO：

应用发起调用IO接口操作后立即返回，内核完成全部IO操作

（包括数据拷贝到用户缓冲区）后才通知应用

IO模型 特点 CPU占用 并发能力 编程复杂度
阻塞IO 数据未到阻塞 低 差 简单
非阻塞IO 轮询检查 高 中 中等
多路复用 统一监听 低 高 复杂
信号驱动 信号通知就绪 低 高 较复杂
异步IO 内核完成所有 低 高 最复杂
  • 信号驱动 I/O：内核只负责"通知你可以做了"
  • 异步 I/O：内核直接把 I/O 操作做完，完成后再通知你

1.3 函数接口

1.3.1 fcntl（设置文件描述符属性）（文件描述符控制）

  • 函数原型：
cpp 复制代码 
int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );
  • 功能：对已打开的文件描述符fd执行指定的控制操作（如修改属性、设置所有权、获取状态等）
  • 参数：
    • fd：要操作的文件描述符
    • cmd：操作命令（核心常用值如下）
      • F_GETFL：获取文件描述符的状态标志（如 O_NONBLOCK、O_ASYNC）
      • F_SETFL：设置文件描述符的状态标志（仅能修改 O_APPEND、O_NONBLOCK、O_ASYNC 等）
      • F_SETOWN：设置接收 SIGIO/SIGURG 信号的进程 ID / 进程组 ID
      • F_GETOWN：获取接收 SIGIO/SIGURG 信号的进程 ID / 进程组 ID
    • arg：可选参数，根据 cmd 决定（如 F_SETFL 时传新的标志位，F_SETOWN 时传进程 ID）
  • 返回值：
    • 执行 F_GETFL：成功返回文件描述符的状态标志值（整数），失败返回 - 1
    • 执行 F_SETFL/F_SETOWN：成功返回 0，失败返回 - 1
    • 其他 cmd（如 F_DUPFD）：成功返回新的文件描述符，失败返回 - 1
    • 通用规则：失败时均会设置errno
  • eg:
cpp 复制代码 
// 某些系统需要定义 _GNU_SOURCE 才能看到 F_SETOWN
#define _GNU_SOURCE
#include <fcntl.h>

#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <stdio.h>

// 示例：将fd设置为信号驱动IO
void sigio_handler(int signo) {
    printf("收到IO事件通知\n");
}

void set_async_io(int fd) {
    int flags;
    // 1. 获取当前fd的属性
    flags = fcntl(fd, F_GETFL);
    if (flags == -1) {
        perror("fcntl F_GETFL error");
        return;
    }
    // 2. 设置异步IO属性（O_ASYNC）
    flags |= O_ASYNC;
    if (fcntl(fd, F_SETFL, flags) == -1) {
        perror("fcntl F_SETFL error");
        return;
    }
    // 3. 设置当前进程接收该fd的SIGIO信号
    if (fcntl(fd, F_SETOWN, getpid()) == -1) {
        perror("fcntl F_SETOWN error");
        return;
    }
}
复制代码 
// F_SETOWN 的作用：设置哪个进程(或进程组)接收该fd的SIGIO信号
fcntl(fd, F_SETOWN, getpid());  // 设置当前进程接收信号

关键注意：

  • O_ASYNC仅对 "支持异步的文件描述符" 有效（如套接字、终端），普通文件不支持；
  • 异步 IO 的核心是 "内核主动通知"，但O_ASYNC实现的是信号驱动 IO（非真正的异步 IO）。
cpp 复制代码 
//常用示例：

// 1. 获取 fd 的状态标志	
int flags = fcntl(fd, F_GETFL);	
if (flags == -1) { 
    perror("fcntl F_GETFL"); 
    return -1;
}


// 2. 设置 fd 为非阻塞IO
flags |= O_NONBLOCK;
if (fcntl (fd, F_SETFL, flags) == -1) { 
    perror ("fcntl F_SETFL"); 
    return -1;
}


// 3. 设置 fd 的 SIGIO 信号归属当前进程
if (fcntl (fd, F_SETOWN, getpid ()) == -1) { 
    perror ("fcntl F_SETOWN"); 
    return -1;
}


| 注意事项 | 
1. `F_SETFL`仅能修改**可修改的标志位**
（如O_NONBLOCK、O_ASYNC），无法修改O_RDONLY、O_WRONLY等打开时的基础标志；
2. `O_ASYNC`（异步IO标志）仅对套接字、终端等"面向字符"的文件描述符有效，普通文件不支持。

1.3.2 select 函数（多路复用IO）

  • 函数原型：
cpp 复制代码 
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, 
            fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
  • 功能：监听多个文件描述符的读、写、异常事件，直到有事件发生或超时
  • 参数：
    • nfds：需要监听的最大文件描述符 + 1（select 会从 0 遍历到 nfds-1，因此必须传最大值 + 1）
    • readfds：读文件描述符（事件）集合（监听是否有数据可读，如 recv、accept），传 NULL 表示不监听
    • writefds：写事件集合（监听是否可写，如 send），传 NULL 表示不监听
    • exceptfds：异常事件集合（如套接字带外数据：可以理解为"紧急数据"或"加急数据"，它在正常数据流之外传输，即使接收缓冲区满了也能被立即处理。），传 NULL 表示不监听
    • timeout：超时时间，结构体定义如下：
cpp 复制代码 
struct timeval {
    long tv_sec; // 秒
    long tv_usec; // 微秒
};
  • 返回值：
    • 成功：返回就绪（产生事件）的文件描述符总数（读+写+异常）
    • 失败：返回-1，设置errno（如被信号中断时errno=EINTR）
    • 超时：返回0（无任何事件就绪
  • 注意事项 ：
    • select返回后，未就绪的文件描述符会被从集合中清除，因此每次调用前需重新初始化集合；
      1. 监听的文件描述符数量受限于FD_SETSIZE（默认1024），无法突破；
    • 需遍历所有监听的fd才能找到就绪的fd，连接数越多效率越低。

1.3.3 fd_set相关辅助宏（操作文件描述符集合）

cpp 复制代码 
void FD_CLR(int fd, fd_set *set);

**功能：**将文件描述符fd从集合set中移除

**注意：**fd需是有效的、已加入集合的描述符

cpp 复制代码 
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set);

**功能：**判断fd是否在就绪的集合set中

**返回值：**在集合中返回非0值，不在返回0

**核心用途：**select返回后，遍历判断哪个fd就绪

cpp 复制代码 
void FD_SET(int fd, fd_set *set);

**功能：**将文件描述符fd加入集合set

**注意：**fd不能超过FD_SETSIZE-1，否则行为未定义

cpp 复制代码 
void FD_ZERO(fd_set *set);

功能： 将集合set的所有位清0（初始化集合）；必须在使用集合前调用，否则集合内数据随机

cpp 复制代码 
//常用示例：

fd_set read_fds;

// 1. 初始化集合
FD_ZERO(&read_fds);

// 2. 将监听fd加入集合
FD_SET(listen_fd, &read_fds);

// 3. 调用select
select(listen_fd+1, &read_fds, NULL, NULL, NULL);

// 4. 判断fd是否就绪
if (FD_ISSET(listen_fd, &read_fds)) {
  // 监听fd有事件（新连接）
}

// 5. 移除fd
FD_CLR(listen_fd, &read_fds);
集合状态 timeout=NULL timeout=0 timeout>0
空集合 进程会一直阻塞，直到手动发送信号（如 Ctrl+C）中断，否则不会返回。 立即返回0 等待超时后返回0
有fd但无事件 阻塞直到有事件就绪/被信号中断 立即返回0 等待至超时（返回 0）或有 fd 就绪（返回就绪数）
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