高级I/O函数（一）

引言

本篇文章是开始深入了解一些Linux的高级API，目的就是为了解决一些特别的问题，参考书目为《Linux高性能服务器编程》，所有的代码我会在github上面进行提交，我github的仓库地址是：

fengyue05/Linux-: 本仓库里面会有关于《Linux高性能服务器编程》的一些主要代码实现

pipe

int pipe(int fd $2$ )

函数pipe创建的两个文件描述符fd $0$ 和fd $1$ 分别构成管道的读端和写端，往管道里面写入数据可以从fd $0$ 里面读出来。并且f $0$ 只能用来读取数据，这些都不可以反过来使用。如果要实现双向传输，那么就需要两个管道。默认情况下，这两个文件描述符都是阻塞的，所以如果我们使用read系统将会被阻塞，直到管道里面有数据（注意：read/write是不是阻塞完全取决于文件描述符是不是阻塞）；如果我们使用write来向管道内写入数据，如果管道已经满，那么write就会被阻塞，直到管道有足够多的空闲空间来写。那么管道可以写多少数据呢？我们一般来说默认65536字节。

但是如果我们设置读和写的文件描述符为非阻塞，那么read和write就会有不同的行为。

如果管道写端文件描述符fd $1$ 引用计数为0，即没有任何进程可以往管道里面写入数据，则读取到了文件结束表示（EOF）。如果读端的文件描述符fd $0$ 引用计数为0，那么没有任何进程需要读取管道里面的数据，所以针对管道写端的文件描述符fd $1$ 的操作write将失败，并且引发SIGPIPE信号。

管道内部传输的是字节流。

dup和dup2函数

我们有时候需要把标准输入重定向到一个文件里面，或者把标准输出重定向到一个网络连接（如CGI编程），可以通过dup或者dup2函数来实现。

CGI编程是指web调用外部程序来处理HTTP请求。

dup是创建了一个新的文件描述符，该新文件描述符和原本的文件描述符指向了同一个文件，并且返回的文件描述符总是取系统当前可用最小的整数值。dup2和这个类似，只是返回的文件描述符是自己指定的，也就是newfd。

cpp 复制代码

       int dup(int oldfd);
       int dup2(int oldfd, int newfd);

我们实现一个基本的CGI服务器，其中有几行关键的代码：

cpp 复制代码

close(STDOUT_FILDNO); // 关闭标准输入
dup(connfd) // 复制一个socket文件描述符
printf("hello world"); // 打印到了客户连接的fd上
close(connfd);

我们来解释一下，首先关闭标准输入fd，也就是1，然后复制客户的fd，因为dup总是取系统当前可用最小的整数值，所以就是1，这么一来，服务器标准输出的内容（这里是"hello world"）就会直接发送到客户连接的socket上，因此printf调用的输出将被客户端获得。

这个就是CGI服务器的原理~~~~

集中写和分散读

readv函数将数据从文件描述符读到分散的内存之中，这个在陈硕老师的moduo库里面涉及到过，就是buffer那个部分，如果大家感兴趣可以看一下我之前的那个文章，目的就是我们希望用更加节省的空间来处理那些动态的数据（大小不确定，可能有时候需要的空间比较少，有的空间比较大）。writev函数就是将多块分散的内存数据一并写入文件描述符内，也就是集中写。

其中有一个参数是count，也就是有多少个内存数据需要从fd中读出或者写到fd。

我们接下来就是写了一个web服务器的应答，因为一个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。其中前三个部分可能被web服务器放置在一块内存中，而文档的内容一般都被读入到另一个单独的内存，我们并不需要把这两个部分内容拼接到一起再发送，而是可以使用writev将他们同时写出。

代码

有一些很好的写法我们可以学习一下：

在里面我们涉及到了一个对于目标文件的读取也就是stat结构体，这个结构体我们通过stat（）函数来对其进行赋值，然后文件的长度我们也可以就此获取。如果我们直接传入sizeof(file_buf)，因为我们最初并不知道这个缓冲区的大小，所以我们定义的是一个指针，而指针的大小永远是4字节，所以我们得到的sizeof永远是4字节，而用stat就可以很好的得到这个缓冲区的大小。

然后再写http头文件的时候大家一定要记得它的格式，在拼接的时候我们要不断的对于buffer减去其已经加了的len，所以当缓存空间不够的时候就会报错。

最后在集中写的过程中就把对应的首地址传入iov_base里面，最后writev就直接传入connfd里面。

cpp 复制代码

#define BUFFER_SIZE 1024

static const char* status_line[2] = {"200 OK", "500 Internal server error"};

int main (int argc, char* argv[]) {
    if (argc <= 2) {
      return -1;
    }
    const char* ip = argv[1];
    int port = atoi(argv[2]);
    const char* file_name = argv[3];

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

    int sockfd = ::socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    assert(sockfd >= 0);

    int ret = listen(sockfd, 128);
    assert(ret != -1);

    sockaddr_in client;
    socklen_t len = sizeof(client);
    int connfd = accept(sockfd, (sockaddr*)&client, &len);

    if (connfd < 0) {
        std::cout << "failed" << std::endl;
    } 
    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;
        // 用于获取目标文件的属性，比如目录，文件大小
        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_ret = 0;
        // 第一个参数是文件名路径，第二个参数是把文件的属性全部传入这个结构体里面
        if (stat(file_name, &file_stat) < 0) { // 目标文件不存在
            valid = false;
        } 
        else {
            // file_stat.st_mode 这个里面保存了文件的类型和权限
            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) { // 当前用户有权利读取
                // 动态分配缓存区file_buf，并指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 + 1) < 0) {
                    valid = false;
                }
            } 
            else {
                valid = false;
            }
        }
        ret = 0;
        // 如果目标文件有效，那么发送正常的HTTP应答
        if (valid) {
            // 下面这个部分将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;

            ret = snprintf(header_buf + len, BUFFER_SIZE - 1 - len, "Content-Length: %d\r\n", static_cast<int>(file_stat.st_size));
            len += ret;

            ret = snprintf(header_buf, BUFFER_SIZE - len - 1, "%s", "\r\n");
            struct iovec iov[2];
            iov[0].iov_base = header_buf;
            iov[0].iov_len = strlen(header_buf);
            iov[1].iov_base = file_buf;
            iov[1].iov_len = file_stat.st_size;
            ret = ::writev(connfd, iov, 2);
        }
        else {
            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(sockfd);
    return 0;
}

总结

本篇文章到这里就结束了！！！希望可以帮助大家理解~~~