lv8 嵌入式开发-网络编程开发 15I/O多路复用及select函数

目录

1 I/O多路复用

1.1 select函数及其他接口相关介绍

1.2 原TCP—socket示例：

1.3 实现select函数TCP—socket示例： 

2 练习

---

1 I/O多路复用

多路复用的实现方式

1.1 select函数及其他接口相关介绍

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);struct timeval {long    tv_sec;         /* 秒 */long    tv_usec;        /* 微秒 */
};

select 是一个用于多路复用 I/O 的系统调用函数，它可以同时监视多个文件描述符的可读、可写和异常事件。(特殊用法：也可以用于阻塞微秒级，其他文件描述符功能都设为NULL不使用）。

参数说明如下：

• nfds：监视的文件描述符的数量，即需要检查的最大文件描述符值加一。
• readfds：用于检查可读事件的文件描述符集合。(常用，一般多路监听都是可读）
• writefds：用于检查可写事件的文件描述符集合。
• exceptfds：用于检查异常事件的文件描述符集合。
• timeout：超时时间。 NULL:永久阻塞,  0：非阻塞模式 
   

select 函数会根据参数中的文件描述符集合和超时时间进行监视，当满足条件的事件发生时，select 函数会返回，同时将对应的文件描述符集合进行修改。具体的返回值和集合的修改情况如下：

• 若超时时间到达，返回值为0。
• 若有错误发生，返回值为-1，并设置相应的错误码。
• 若有可读事件发生，readfds 中对应的文件描述符会被修改，返回值为大于 0。
• 若有可写事件发生，writefds 中对应的文件描述符会被修改，返回值为大于 0。
• 若有异常事件发生，exceptfds 中对应的文件描述符会被修改，返回值为大于 0。

通过不断地调用 select 函数，可以实现在多个文件描述符上进行非阻塞的 I/O 监听，以便及时处理可读、可写和异常事件。
   

fd_set结构体：每一位代表1个文件描述符，值为0或1，nfds代表最大的文件描述符+1。

补充：在标准的 C 库头文件 <sys/select.h> 中，fd_set 是通过一个固定大小的数组来实现的。数组的大小由宏 FD_SETSIZE 定义。一般情况下，FD_SETSIZE 的默认值是 1024。  

/*将文件描述符从集合中删除*/
void FD_CLR(int fd, fd_set *set); /*查看文件描述符是否存在于集合当中*/
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set);/*添加文件描述符*/
void FD_SET(int fd, fd_set *set); /*初始化集合*/
void FD_ZERO(fd_set *set);

1.2 原TCP—socket示例：

server.c

#include "net.h"int main(int argc, char *argv[])
{/*检查参数，小于3个 直接退出进程*/Argment(argc, argv);/*创建已设置监听模式的套接字*/int fd = CreateSocket(argv);/*接收客户端连接，并生成新的文件描述符*/int newfd = accept(fd, NULL, NULL);if(newfd < 0)perror("accept");/*处理客户端数据*/while(DataHandle(newfd) > 0);return 0;
}

socket.c

#include "net.h"void Argment(int argc, char *argv[]){if(argc < 3){fprintf(stderr, "%s<addr><port>\n", argv[0]);exit(0);}
}
int CreateSocket(char *argv[]){/*创建套接字*/int fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if(fd < 0)ErrExit("socket");/*允许地址快速重用*/int flag = 1;if( setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &flag, sizeof(flag) ) )perror("setsockopt");/*设置通信结构体*/Addr_in addr;bzero(&addr, sizeof(addr) );addr.sin_family = AF_INET;addr.sin_port = htons( atoi(argv[2]) );/*绑定通信结构体*/if( bind(fd, (Addr *)&addr, sizeof(Addr_in) ) )ErrExit("bind");/*设置套接字为监听模式*/if( listen(fd, BACKLOG) )ErrExit("listen");return fd;
}
int DataHandle(int fd){char buf[BUFSIZ] = {};int ret = recv(fd, buf, BUFSIZ, 0);if(ret < 0)perror("recv");if(ret > 0)printf("data: %s\n", buf);return ret;
}

net.h

#ifndef _NET_H_
#define _NET_H_#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/tcp.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <strings.h>
#include <errno.h>typedef struct sockaddr Addr;
typedef struct sockaddr_in Addr_in;
#define BACKLOG 5
#define ErrExit(msg) do { perror(msg); exit(EXIT_FAILURE); } while(0)void Argment(int argc, char *argv[]);
int CreateSocket(char *argv[]);
int DataHandle(int fd);#endif

1.3 实现select函数TCP—socket示例： 

sever.c

#include "net.h"
#include <sys/select.h>
#define MAX_SOCK_FD 1024int main(int argc, char *argv[])
{int i, ret, fd, newfd;fd_set set, tmpset;Addr_in clientaddr;socklen_t clientlen = sizeof(Addr_in);/*检查参数，小于3个 直接退出进程*/Argment(argc, argv);/*创建已设置监听模式的套接字*/fd = CreateSocket(argv);FD_ZERO(&set);FD_ZERO(&tmpset);FD_SET(fd, &set);while(1){tmpset = set; //temp文件描述符集合会被 select 函数修改以反映就绪的文件描述符情况。if( (ret = select(MAX_SOCK_FD, &tmpset, NULL, NULL, NULL)) < 0)ErrExit("select");  //宏定义了一个错误处理if(FD_ISSET(fd, &tmpset) ){/*接收客户端连接，并生成新的文件描述符*/if( (newfd = accept(fd, (Addr *)&clientaddr, &clientlen) ) < 0)perror("accept");printf("[%s:%d]已建立连接\n", inet_ntoa(clientaddr.sin_addr), ntohs(clientaddr.sin_port));FD_SET(newfd, &set);   //新客户端文件描述符加入set中}else{ //处理客户端数据for(i = fd + 1; i < MAX_SOCK_FD; i++){   //fd是服务端，fd+1是第一个接进来的客户端描述符if(FD_ISSET(i, &tmpset)){if( DataHandle(i) <= 0){if( getpeername(i, (Addr *)&clientaddr, &clientlen) )perror("getpeername");printf("[%s:%d]断开连接\n", inet_ntoa(clientaddr.sin_addr), ntohs(clientaddr.sin_port));FD_CLR(i, &set);}}}}}return 0;
}

socket.c

#include "net.h"void Argment(int argc, char *argv[]){if(argc < 3){fprintf(stderr, "%s<addr><port>\n", argv[0]);exit(0);}
}
int CreateSocket(char *argv[]){/*创建套接字*/int fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if(fd < 0)ErrExit("socket");/*允许地址快速重用*/int flag = 1;if( setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &flag, sizeof(flag) ) )perror("setsockopt");/*设置通信结构体*/Addr_in addr;bzero(&addr, sizeof(addr) );addr.sin_family = AF_INET;addr.sin_port = htons( atoi(argv[2]) );/*绑定通信结构体*/if( bind(fd, (Addr *)&addr, sizeof(Addr_in) ) )ErrExit("bind");/*设置套接字为监听模式*/if( listen(fd, BACKLOG) )ErrExit("listen");return fd;
}
int DataHandle(int fd){char buf[BUFSIZ] = {};Addr_in peeraddr;socklen_t peerlen = sizeof(Addr_in);if( getpeername(fd, (Addr *)&peeraddr, &peerlen) )perror("getpeername");int ret = recv(fd, buf, BUFSIZ, 0);if(ret < 0)perror("recv");if(ret > 0){printf("[%s:%d]data: %s\n", inet_ntoa(peeraddr.sin_addr), ntohs(peeraddr.sin_port), buf);}return ret;
}

 net.h

#ifndef _NET_H_
#define _NET_H_#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/tcp.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <strings.h>
#include <errno.h>typedef struct sockaddr Addr;
typedef struct sockaddr_in Addr_in;
#define BACKLOG 5
#define ErrExit(msg) do { perror(msg); exit(EXIT_FAILURE); } while(0)void Argment(int argc, char *argv[]);
int CreateSocket(char *argv[]);
int DataHandle(int fd);#endif

讲解：

这段代码是一个使用 select 函数实现的简单的网络服务器程序。它可以同时处理多个客户端连接。

程序主要包括以下几个部分：

1. 创建并设置监听模式的套接字： fd = CreateSocket(argv);

   这里调用了 CreateSocket 函数创建了一个套接字，并进行了一些必要的设置，使其处于监听模式。

2. 使用 select 函数来监听套接字和客户端连接的可读事件：

   tmpset = set; 
   if ((ret = select(MAX_SOCK_FD, &tmpset, NULL, NULL, NULL)) < 0) ErrExit("select");

   select 函数会阻塞程序，直到有套接字或客户端连接可读，或者发生错误。在这段代码中，使用 select 函数来等待套接字 fd 和客户端连接的可读事件。MAX_SOCK_FD 是最大的文件描述符值加 1，tmpset 是一个临时的文件描述符集合，用来存放发生可读事件的文件描述符。

3. 处理套接字可读事件和客户端连接的可读事件：

   if (FD_ISSET(fd, &tmpset)) { // 接受客户端连接 // 将新的客户端文件描述符加入 set 中 } else { // 处理客户端数据 // 断开连接并从 set 中移除文件描述符 }

   如果套接字 fd 可读，说明有新的客户端连接请求到来，程序会调用 accept 函数接受连接，并生成一个新的文件描述符 newfd，然后将该文件描述符加入 set 中，以便后续处理。

   如果不是套接字可读，说明是已连接的客户端有数据到达。程序会遍历 fd + 1 到 MAX_SOCK_FD - 1 之间的文件描述符，检查它们是否在 tmpset 中可读。如果可读，则调用 DataHandle 函数处理数据。如果处理结果小于等于 0，说明连接断开，程序会输出断开连接的信息，并从 set 中移除该文件描述符。

4. 循环执行上述步骤，以便持续处理客户端连接和数据。

这段代码展示了一个简单的网络服务器程序框架，使用 select 函数可以实现高效的事件驱动型的并发处理。具体的业务逻辑需要根据实际需求进行实现。

补充：

getpeername 函数用于获取与套接字关联的远程连接的地址信息。它的函数原型如下：

int getpeername(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

• sockfd 是套接字文件描述符，表示与远程连接关联的套接字。
• addr 是一个指向 struct sockaddr 结构体的指针，用于接收远程连接的地址信息。
• addrlen 是一个指向 socklen_t 类型的指针，用于传递 addr 的长度，并且在函数调用完成后，会更新为实际的地址结构体长度。

该函数调用成功时返回0，失败时返回-1，并设置相应的错误码。

同样用法getsocketname是获取本方的。

2 练习

使用select函数实现I/O多路复用服务器代码，并使用nc命令与之通信

#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>#define MAX_SOCK_FD 1024
#define BACKLOG 5#define ErrExit(msg) do{perror(msg); exit(EXIT_FAILURE);} while(0)int DataHandle(int fd)
{char buf[BUFSIZ] = {};int ret;struct sockaddr_in peeraddr;socklen_t peerlen = sizeof(struct sockaddr_in);if(getpeername(fd, (struct sockaddr *)&peeraddr, &peerlen) )perror("getpeername");ret = recv(fd, buf, BUFSIZ, 0);if(ret < 0){perror("recv");}if( ret > 0){printf("[%s:%d]data: %s\n", inet_ntoa(peeraddr.sin_addr), ntohs(peeraddr.sin_port), buf);}return ret;
}int main(int argc,char *argv[])
{int fd, new_fd, i ,ret;fd_set set, tmpset;struct sockaddr_in addr, client_addr;socklen_t clientlen = sizeof(client_addr);int flag = 1;if(argc < 3){printf("%s <addr> <port>\n",argv[0]);exit(0);}//create socketfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if(fd < 0){ErrExit("socket");}//avoids the error of ports being occupiedif( setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &flag, sizeof(flag) ) ){perror("setsockopt");}//init struct sockaddr_inmemset(&addr, 0, sizeof(addr));addr.sin_family = AF_INET;addr.sin_port = htons( atoi(argv[2]));if (inet_aton(argv[1], &addr.sin_addr) == 0){printf("Invalid address\n");exit(EXIT_FAILURE);}//bindif(bind(fd, (struct sockaddr *) &addr, sizeof(struct sockaddr_in)) == -1){ErrExit("bind");}//listenif(listen(fd, BACKLOG) == -1){ErrExit("listen");}//selectFD_ZERO(&set);FD_ZERO(&tmpset);FD_SET(fd, &set);while(1){tmpset = set;if((ret =  select(MAX_SOCK_FD, &tmpset,NULL,NULL,NULL)) < 0){ErrExit("select");}if(FD_ISSET(fd, &tmpset) > 0){new_fd = accept(fd,(struct sockaddr *)&client_addr,&clientlen);if(new_fd < 0){perror("accept");}printf("[%s:%d]connected\n",inet_ntoa(client_addr.sin_addr),\ntohs(client_addr.sin_port));FD_SET(new_fd, &set);}else //if(FF_ISSET(fd, &tmpset < 0)  //handle client{for(i = fd + 1; i < MAX_SOCK_FD; i++){// can readif(FD_ISSET(i,&tmpset)){if(DataHandle(i) <= 0){if(getpeername(i,(struct sockaddr *)&client_addr,&clientlen))			perror("getpeername");printf("[%s:%d]disconnected\n",inet_ntoa(client_addr.sin_addr),\ntohs(client_addr.sin_port));FD_CLR(i,&set);  }}}}}return 0;
}