企业网站建设试题,如何设置wordpress不自动更新,高端定制网站建设公司,上海网站建设网页制作怎么样C网络编程(三)IO复用
前言
多进程/多线程网络服务端在创建进程/线程时#xff0c;CPU和内存开销很大。因为多线程/进程并发模型#xff0c;为每个socket分配一个线程/进程。而IO复用采用单个的进程/线程就可以管理多个socket。
select
系统调用原型#xff1a;
#includ…C网络编程(三)IO复用
前言
多进程/多线程网络服务端在创建进程/线程时CPU和内存开销很大。因为多线程/进程并发模型为每个socket分配一个线程/进程。而IO复用采用单个的进程/线程就可以管理多个socket。
select
系统调用原型
#include sys/select.h
int select(int nfds,fd_set*readfds, fd_set* writefds, fd_set* exceptfds, struct timeval* timeout);ndfs参数指定被监听的文件描述符总数通常设置为select监听的所有文件描述符中最大值1,因为文件描述符从0开始编号。
readfds,writefds,exceptfds参数指向可读可写异常等事件对应的文件描述符集合。他们将各自感兴趣的文件描述符传入函数当select调用返回时内核将修改他们来通知程序哪些文件描述符已经就绪。
#include typesizes.h
#define __FD_SETSIZE 1024
#include sys/select.h
#define FD_SETSIZE __FD_SETSIZE
typedef long int __fd_mask;
#undef __NFDBITS
#define __NFDBITS (8*(int)sizeof(__fd_mask))
typedef struct
{
#ifdef __USE_XOPEN__fd_mask fds_bits[__FD_SETSIZE/__NFDBITS];#define __FDS_BITS (set)((set)-fds_bits)
#else__fd_mask __fds_bits[__FD_SETSIZE/__NFDBITS];#define __FDS_BITS (set)((set)-__fds_bits)
#endif
}fd_set;fd_set结构体仅包含一个整型数组该数组的每个元素的每一位bit标记一个文件描述符。fd_set能容纳的文件描述符数量由FD_SETSIZE指定。
对于fd_set结构体中的位操作有设置对应的宏进行处理
#include sys/select.h
FD_ZERO(fd_set* fdset);/*清除fdset的所有位*/
FD_SET(int fd, fd_set* fdset);/*设置fdset的位fd*/
FD_CLR(int fd, fd_set* fdset);/*清除fdset的位fd*/
int FD_ISSET(int fd, fd_set* fdset);/*测试fdset的位fd是否被设置*/timeout参数用来设置select的超时时间。它是一个timeval结构类型的指针采用指针参数是因为内核将修改它以告诉应用程序select等待了多久。不过我们不能完全信任select调用返回后的timeout值比如调用失败时timeout值是不确定的。timeval结构体的定义如下
struct timeval
{long tv_sec;/*秒数*/long tv_usec;/*微秒数*/
};如果给timeout变量的tv_sec成员和tv_usec成员都传递0则select将立即返回。如果给timeout传递NULL则select将一直阻塞直到某个文件描述符就绪。
select成功时返回就绪文件描述符的总数。失败返回-1并设置errno。如果是在select等待期间程序接收到信号则select立即返回-1,并设置errno为EINTR。
select流程 文件描述符就绪条件
在网络编程中下列情况下socket可读
socket内核接收缓存区中的字节数大于或等于其低水位标记SO_RCVLOWAT。此时我们可以无阻塞地读该socket并且读操作返回的字节数大于0。socket通信的对方关闭连接。此时对该socket的读操作将返回0。监听socket上有新的连接请求。socket上有未处理的错误。此时我们可以使用getsockopt来读取和清除该错误。
下列情况下socket可写
socket内核发送缓存区中的可用字节数大于或等于其低水位标记SO_SNDLOWAT。此时我们可以无阻塞地写该socket并且写操作返回的字节数大于0。socket的写操作被关闭。对写操作被关闭的socket执行写操作将触发一个SIGPIPE信号。socket使用非阻塞connect连接成功或者失败超时之后。socket上有未处理的错误。此时我们可以使用getsockopt来读取和清除该错误。
网络程序中select能处理的异常情况只有一种socket上接收到带外数据。
位图
select中对文件描述符是否有改动是用位图进行标记的即用一位表示一个文件描述符当其中某一位发生改变时说明对应的文件描述符有相应的事件发生。但值得注意的是这一次改变后在下一轮的select调用前需要先将其重置。
示例代码
//server.cpp
#include bits/stdc.h
#include cstring
#include errno.h
#include netinet/in.h
#include sys/select.h
#include sys/socket.h
#include sys/types.husing namespace std;int main()
{int sock socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (sock -1){cout 创建socket失败 strerror(errno) endl;exit(0);}sockaddr_in addr;bzero(addr, 0);addr.sin_family AF_INET;addr.sin_addr.s_addr htonl(INADDR_ANY); // 自动获取主机ipaddr.sin_port htons(8000);int ret;ret bind(sock, (struct sockaddr *)addr, sizeof(addr));if (ret -1){cout 绑定socket失败 strerror(errno) endl;exit(0);}ret listen(sock, 10);if (ret -1){cout 监听socket失败 strerror(errno) endl;exit(0);}cout 初始化完成 endl;fd_set readset;char buff[4096];listint sock_list;while (1){FD_ZERO(readset);FD_SET(sock, readset);//设置监听socketint nfds sock;for (int it : sock_list) //计算最大的fd值{nfds max(nfds, it);FD_SET(it, readset);//}ret select(nfds 1, readset, NULL, NULL, NULL);if (ret -1){cout strerror(errno) endl;break;}else{if (FD_ISSET(sock, readset)) // 有新的连接请求{int clientfd accept(sock, NULL, 0);cout new connect: clientfd endl;sock_list.push_back(clientfd);}else{for (auto fd : sock_list) // 轮询所有的连接{if (FD_ISSET(fd, readset)){int len recv(fd, buff, 4096, 0);if (len 0){sock_list.remove(fd);cout fd exit endl;}else{buff[len] 0;cout receive message: buff endl;}//break;//注释掉break即一轮select中可能不止一个socket有事件发生,但即是不予注释数据仍不会丢失select采用的是电平触发的方式。}}}}}return 0;
}//client.cpp
#include arpa/inet.h
#include bits/stdc.h
#include cstring
#include errno.h
#include netinet/in.h
#include netinet/tcp.h
#include sys/select.h
#include sys/socket.h
#include sys/types.husing namespace std;int main()
{int sock socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (sock -1){cout 创建socket失败 strerror(errno) endl;exit(0);}sockaddr_in addr;bzero(addr, 0);addr.sin_family AF_INET;addr.sin_addr.s_addr inet_addr(127.0.0.1);addr.sin_port htons(8000);if (connect(sock, (sockaddr *)addr, sizeof(addr)) -1){cout 连接失败 strerror(errno) endl;exit(0);}cout 连接成功 endl;char buff[4096];while (1){cin buff;if (send(sock, buff, strlen(buff), 0) 0){cout 发送失败 endl;break;}cout 发送成功 endl;}close(sock);return 0;
}poll
poll系统调用和select极其类似也是在指定时间内轮询一定数量的文件描述符以测试其中是否有就绪者。poll的原型如下
#include poll.h
int poll(struct pollfd* fds, nfds_t nfds, int timeout);fds参数是一个pollfd结构体的数组指定所有我们感兴趣的文件描述符上发生的可读、可写和异常等事件。pollfd结构体的定义如下
struct pollfd
{int fd;/*文件描述符*/short events;/*注册的事件*/short revents;/*实际发生的事件由内核填充*/
};fd成员指定文件描述符
events成员告诉poll监听fd上的哪些事件它是一系列事件的按位或
revents成员则由内核修改以通知应用程序fd上实际发生了哪些事件。 nfds参数指定被监听事件集合fds的大小。其类型nfds_t的定义如下
typedef unsigned long int nfds_t;timeout参数指定poll的超时值单位是毫秒。当timeout为-1时poll调用将永远阻塞直到某个事件发生当timeout为0时poll调用将立即返回。
poll系统调用的返回值的含义与select相同。
示例
//server.cpp
#include bits/stdc.h
#include cstring
#include errno.h
#include netinet/in.h
#include poll.h
#include sys/socket.h
#include sys/types.husing namespace std;int main()
{int sock socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (sock -1){cout 创建socket失败 strerror(errno) endl;exit(0);}sockaddr_in addr;bzero(addr, 0);addr.sin_family AF_INET;addr.sin_addr.s_addr htonl(INADDR_ANY); // 自动获取主机ipaddr.sin_port htons(8000);int ret;ret bind(sock, (struct sockaddr *)addr, sizeof(addr));if (ret -1){cout 绑定socket失败 strerror(errno) endl;exit(0);}ret listen(sock, 10);if (ret -1){cout 监听socket失败 strerror(errno) endl;exit(0);}cout 初始化完成 endl;pollfd pfd[64];int nfds 1;pfd[0].fd sock;pfd[0].events POLLIN;char buff[4096];while (1){int ret poll(pfd, nfds, -1);if (ret -1){cout strerror(errno) endl;break;}else{if (pfd[0].revents (POLLIN)) // 有新的连接请求{int clientfd accept(sock, NULL, 0);if (nfds 64){cout new connect: clientfd endl;pfd[nfds].fd clientfd;pfd[nfds].events POLLIN | POLLRDHUP;nfds;}elseclose(clientfd);}else{for (int i 1; i nfds; i){if (pfd[i].revents POLLRDHUP) // 断开连接{cout pfd[i].fd exit. endl;pfd[i] pfd[nfds - 1];nfds--;break;}else if (pfd[i].revents POLLIN) // 消息可读{int len recv(pfd[i].fd, buff, 4096, 0);if (len 0){cout pfd[i].fd exit. endl;pfd[i] pfd[nfds - 1];nfds--;}else{buff[len] 0;cout receive message: buff endl;}break;}}}}}return 0;
}epoll
epoll是Linux特有的IO复用函数与前面提到的select和poll在实现上有较大的差异。
epoll使用一组函数来完成任务而非单个函数epoll把用户关心的事件放进内核的一个事件表中不用像select、poll那样每次都要重置,但epoll需要一个额外的文件描述符来标识内核中的事件表
#include sys/epoll.h
//创建指向内核事件表的文件描述符size参数指示需要多大的事件表
int epoll_create(int size);
/*操作epoll的内核事件表
epfd参数: epoll_create返回的内核事件表描述符
fd参数: 要操作的文件描述符
op参数: 指定操作类型
event参数: 指定事件
*/
int epoll_ctl(int epfd,int op,int fd,struct epoll_event*event);op参数的类型
EPOLL_CTL_ADD: 往事件表里注册fd上的事件EPOLL_CTL_MOD: 修改fd上的注册事件EPOLL_CTL_DEL: 删除fd上的注册事件
event参数类型
struct epoll_event
{__uint32_t events;/*epoll事件*/epoll_data_t data;/*用户数据*/
};epoll支持的事件类型和poll基本相同。表示epoll事件类型的宏是在poll对应的宏前加上“E”比如epoll的数据可读事件是EPOLLIN。但epoll有两个额外的事件类型——EPOLLET和EPOLLONESHOT。
data用于存储用户数据其定义如下
typedef union epoll_data
{void* ptr;int fd;uint32_t u32;uint64_t u64;
}epoll_data_t;epoll_data_t是一个联合体其4个成员中使用最多的是fd它指定事件所从属的目标文件描述符。ptr成员可用来指定与fd相关的用户数据。
epoll_ctl成功时返回0失败则返回-1并设置errno。
epoll系列系统调用的主要接口是epoll_wait函数。它在一段超时时间内等待一组文件描述符上的事件其原型如下
#include sys/epoll.h
/*
maxevents参数指定最多监听多少个事件它必须大于0。
timeout参数的含义与poll接口的timeout参数相同。
*/
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event* events, int maxevents, int timeout);该函数成功时返回就绪的文件描述符的个数失败时返回-1并设置errno.
epoll_wait函数如果检测到事件就将所有就绪的事件从内核事件表由epfd参数指定中复制到它的第二个参数events指向的数组中。这个数组只用于输出epoll_wait检测到的就绪事件而不像select和poll的数组参数那样既用于传入用户注册的事件又用于输出内核检测到的就绪事件。这就极大地提高了应用程序索引就绪文件描述符的效率。
EPOLL 的ET和LT模式
epoll对文件描述符的操作有两种模式LTLevel Trigger电平触发模式和ETEdge Trigger边沿触发模式。当然这是与硬件无关的只是模拟效果。
默认工作模式是LT与poll和select一致这种情况下相当于一个更高效的poll。当epoll_wait检测到其上有事件发生并将此事件通知应用程序后应用程序可以不立即处理该事件。这样当应用程序下一次调用epoll_wait时epoll_wait还会再次向应用程序通告此事件直到该事件被处理。
采用ET模式当epoll_wait检测到其上有事件发生并将此事件通知应用程序后应用程序必须立即处理该事件因为后续的epoll_wait调用将不再向应用程序通知这一事件。可见ET模式在很大程度上降低了同一个epoll事件被重复触发的次数因此效率要比LT模式高。
注每个使用ET模式的文件描述符都应该是非阻塞的。如果文件描述符是阻塞的那么读或写操作将会因为没有后续的事件而一直处于阻塞状态。
EPOLLONESHOT事件
EPOLLONESHOT事件实现的是socket连接在任一时刻都只被一个线程处理。处理方式类似于加锁操作。
对于注册了EPOLLONESHOT事件的文件描述符操作系统最多触发其上注册的一个可读、可写或者异常事件且只触发一次除非我们使用epoll_ctl函数重置该文件描述符上注册的EPOLLONESHOT事件。当一个线程在处理某个socket时其他线程是不可能有机会操作该socket的。同样的在线程处理完socket后应该立即重置其EPOLLONESHOT事件保证下次socket可读时其EPOLLIN事件能被触发。
示例
#include bits/stdc.h
#include cstring
#include errno.h
#include netinet/in.h
#include sys/epoll.h
#include sys/socket.h
#include sys/types.husing namespace std;int main()
{int sock socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (sock -1){cout 创建socket失败 strerror(errno) endl;exit(0);}sockaddr_in addr;bzero(addr, 0);addr.sin_family AF_INET;addr.sin_addr.s_addr htonl(INADDR_ANY); // 自动获取主机ipaddr.sin_port htons(8000);int ret;ret bind(sock, (struct sockaddr *)addr, sizeof(addr));if (ret -1){cout 绑定socket失败 strerror(errno) endl;exit(0);}ret listen(sock, 10);if (ret -1){cout 监听socket失败 strerror(errno) endl;exit(0);}cout 初始化完成 endl;char buff[4096];int epfd epoll_create(64);epoll_event events[64], tmpevent;tmpevent.events EPOLLIN;tmpevent.data.fd sock;epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, sock, tmpevent);//添加监听socket可读事件while (1){int ret epoll_wait(epfd, events, 64, -1);if (ret -1){cout strerror(errno) endl;exit(0);}else{//遍历就绪的事件for (int i 0; i ret; i){if (events[i].data.fd sock) //新的连接{int clientfd accept(sock, NULL, 0);tmpevent.events EPOLLIN | EPOLLRDHUP | EPOLLET | EPOLLONESHOT;tmpevent.data.fd clientfd;epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, clientfd, tmpevent);cout new connect: clientfd endl;}else{//断开连接时会同时触发EPOLLRDHUP和EPOLLIN因此先判断EPOLLRDHUPif (events[i].events EPOLLRDHUP){cout events[i].data.fd exit endl;close(events[i].data.fd);epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, events[i].data.fd, NULL);}else if (events[i].events EPOLLIN){while (1){int len recv(events[i].data.fd, buff, 4096, MSG_DONTWAIT);if (len 0) break;buff[len] 0;cout receive message: buff endl;}//EPOLLONESHOT模式下处理完后必须重置否则下次不能触发tmpevent.events EPOLLIN | EPOLLRDHUP | EPOLLET | EPOLLONESHOT;tmpevent.data.fd events[i].data.fd;epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_MOD, events[i].data.fd, tmpevent);}}}}}return 0;
}应用非阻塞connect
将socket设置成非阻塞
int setnonblocking(int fd)
{int old_option fcntl(fd, F_GETFL);//获取文件状态标记int new_option old_option | O_NONBLOCK;//加上非阻塞状态fcntl(fd, F_SETFL, new_option);//设置文件状态标记return old_option;
}使用非阻塞的socket进行connect操作时如果连接没有立即建立会返回EINPROGRESS的错误。在这种情况下我们可以调用select、poll等函数来监听这个连接失败的socket上的可写事件。当select、poll等函数返回后再利用getsockopt来读取错误码并清除该socket上的错误。如果错误码是0表示连接成功建立否则连接失败。
使用非阻塞的socket可以同时对多个socket进行connect操作然后对没有立即建立连接的socket使用select、poll等函数来监听提高连接的效率。
不过该方法仍存在某些移植性问题比如connect始终失败select对EINPROGRESS状态下的socket可能不起作用以及某些版本的getsockopt出现的返回值并不相同。
