UNIX网络编程读书笔记

第一遍阅读unpv3后,对书中讲述的内容有了大体的认识,但对书中的具体细节地方却是早已忘记。重新阅读unpv3,这次不希望仍然是阅后即忘,于是通过编写代码的方式对书中的例子和注意事项加深理解。

为了能够将书中的很多细节问题理解清楚并且便于记忆,本文采用了编写书中代码并运行的方式,并将书中容易出错和意想不到的问题记在代码中。

本文的代码实例并未完全按照书中的代码实例,本着单个文件即能编译通过并运行的原则,本文对于很多系统调用并未做防御式编程处理。针对每个版本的程序中缺点和注意事项在代码中已经进行了标注。

鉴于高性能的epoll机制出现比较晚,晚于unp的编写时间,书中并未做介绍。

TCP客户端程序

客户端函数执行效率情况:select非阻塞式I/O版本>线程化版本>fork版本>select阻塞式I/O版本>停等版本,停等版本的执行效率非常低,在实际生产环境中不建议使用。

其中poll和select机制基本类似,书中并未给出poll版本。

停-等版本

最常规的实现思路,但效率非常低,且当程序阻塞在读取要发送内容时,程序是无法收到服务端的状态变化。

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/**
* 停-等版本
* 该版本缺陷为当服务端发生某些事件时,客户端可能仍然阻塞于fgets调用中
*/
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <signal.h>

#define SERV_PORT 9877
#define MAXLINE 4096 /* max text line length */

void str_cli(FILE *fp, int sockfd)
{
char sendline[MAXLINE], recvline[MAXLINE];
while (fgets(sendline, MAXLINE, fp) != NULL)
{
/* 当阻塞在fgets函数时将服务器进程关闭时虽然给客户端发送了FIN信号,客户端并不会知道,
* 服务端关闭时第一次调用write服务器会返回RST,
* 当一个进程向某个收到RST的套接字执行写操作时,内核会向该进程发送一个SIGPIPE信号
* 该问题需要使用I/O复用技术来解决,或者使用fork处理的方式来解决
* */
write(sockfd, sendline, strlen(sendline));
int n = read(sockfd, recvline, MAXLINE);
if (n == 0)
{
printf("str_cli: server terminated prematurely\n");
exit(1);
}

// 向标准输出写内容,既可以使用write也可以使用fputs
write(STDOUT_FILENO, recvline, n);

// 使用fputs时需要注意将recvline数组有效内容的后面一位设置为'\0'
// recvline[n] = '\0';
// fputs(recvline, stdout);
}
}

int main(int argc, char **argv)
{
int sockfd;
struct sockaddr_in servaddr;

if (argc != 2)
{
printf("usage: tcpcli <IPaddress>\n");
exit(1);
}

// 当一个进程向某个收到RST的套接字执行写操作时,内核会向该进程发送一个SIGPIPE信号
// 最好的方式是忽略此信号的处理方式,并在程序下面处理该异常情况
signal(SIGPIPE, SIG_IGN);

sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
inet_pton(AF_INET, argv[1], &servaddr.sin_addr);

connect(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr));

str_cli(stdin, sockfd); /* do it all */

exit(0);
}

fork版本

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/**
* 阻塞式I/O的fork版本
*/
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <signal.h>

#define SERV_PORT 9877
#define MAXLINE 4096 /* max text line length */

/**
* 即使服务端已经退出,子进程的read方法仍然能够感知到并且退出while循环,并给父进程发送SIGTERM,父进程对该信号的默认处理方式为退出
* 优点:代码量比较少,每个进程只处理2个I/O流,从一个复制到另一个
*/
void str_cli(FILE *fp, int sockfd)
{
char sendline[MAXLINE], recvline[MAXLINE];
pid_t pid;
if ((pid = fork()) == 0)
{
// child process : server -> stdout
int n;
while ((n = read(sockfd, recvline, MAXLINE)) > 0)
{
recvline[n] = '\0';
fputs(recvline, stdout);
}
kill(getppid(), SIGTERM);
exit(0);
}

// parent process : stdin -> server
while (fgets(sendline, MAXLINE, fp) != NULL)
{
write(sockfd, sendline, strlen(sendline));
}
shutdown(sockfd, SHUT_WR);
pause();
return ;
}

int main(int argc, char **argv)
{
int sockfd;
struct sockaddr_in servaddr;

if (argc != 2)
{
printf("usage: tcpcli <IPaddress>\n");
exit(1);
}

// 当一个进程向某个收到RST的套接字执行写操作时,内核会向该进程发送一个SIGPIPE信号
// 最好的方式是忽略此信号的处理方式,并在程序下面处理该异常情况
signal(SIGPIPE, SIG_IGN);

sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
inet_pton(AF_INET, argv[1], &servaddr.sin_addr);

if (connect(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) != 0)
{
printf("connect error...\n");
exit(1);
}

str_cli(stdin, sockfd); /* do it all */

exit(0);
}

阻塞式I/O的select版本

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/**
* 阻塞式I/O的select版本
*/
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <signal.h>

#define SERV_PORT 9877
#define MAXLINE 4096 /* max text line length */

/**
* 缺点:使用了阻塞式I/O,如果在向套接字调用write发送给服务器时,套接字缓冲区已满,write调用会阻塞,从而影响了后续的套接字缓冲区的读取
*/
void str_cli(FILE *fp, int sockfd)
{
int maxfdp1;
fd_set rset;
char sendline[MAXLINE], recvline[MAXLINE];
int stdineof = 0;
FD_ZERO(&rset);
for (; ;)
{
// select
FD_SET(fileno(fp), &rset);
FD_SET(sockfd, &rset);
maxfdp1 = (fileno(fp) > sockfd ? fileno(fp) : sockfd) + 1;
select(maxfdp1, &rset, NULL, NULL, NULL);

// socket
if (FD_ISSET(sockfd, &rset))
{
int n = read(sockfd, recvline, MAXLINE);
if (n == 0)
{
if (stdineof == 1)
{
return ;
}
else
{
printf("str_cli: server terminated prematurely\n");
exit(1);
}
}
else if (n == -1)
{
exit(1);
}
recvline[n] = '\0';
fputs(recvline, stdout);
// write(STDOUT_FILENO, recvline, n);
}

// input
if (FD_ISSET(fileno(fp), &rset))
{
// 此处不能使用fgets函数,该函数带有缓冲区功能,select跟带有缓冲区的c函数混合使用有问题
// if (fgets(sendline, MAXLINE, fp) == NULL)
// {
// return ;
// }
int n = read(fileno(fp), sendline, MAXLINE);
if (n == 0)
{
stdineof = 1;
shutdown(sockfd, SHUT_WR); // 关闭写
FD_CLR(fileno(fp), &rset);
continue;
}
else if (n == -1)
{
exit(1);
}
write(sockfd, sendline, n);
}
}
}

int main(int argc, char **argv)
{
int sockfd;
struct sockaddr_in servaddr;

if (argc != 2)
{
printf("usage: tcpcli <IPaddress>\n");
exit(1);
}

sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
inet_pton(AF_INET, argv[1], &servaddr.sin_addr);

if (connect(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) != 0)
{
printf("connect error...\n");
exit(1);
}

str_cli(stdin, sockfd); /* do it all */

exit(0);
}

非阻塞式I/O的select版本

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/**
* 非阻塞式I/O的select版本
*/
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <signal.h>
#include <fcntl.h>

#define SERV_PORT 9877
#define MAXLINE 4096 /* max text line length */
#define max(a,b) ( ((a)>(b)) ? (a):(b) )

/**
* 优点:速度是最快的,可以防止进程在做任何工作时发生阻塞
* 缺点:同时管理4个不同的I/O流,每个流都是非阻塞的,需要考虑到4个流的部分读和部分写问题。编码量是最多的,需要引入缓冲区管理机制。
*/
void str_cli(FILE *fp, int sockfd)
{
// 将socket、标准输入和标准输出描述符设置为非阻塞方式
int val = fcntl(sockfd, F_GETFL, 0);
fcntl(sockfd, F_SETFL, val | O_NONBLOCK);

val = fcntl(STDIN_FILENO, F_GETFL, 0);
fcntl(STDIN_FILENO, F_SETFL, val | O_NONBLOCK);

val = fcntl(STDOUT_FILENO, F_GETFL, 0);
fcntl(STDOUT_FILENO, F_SETFL, val | O_NONBLOCK);

char to[MAXLINE], fr[MAXLINE];
char *toiptr, *tooptr, *friptr, *froptr;
toiptr = tooptr = to;
friptr = froptr = fr;
int stdineof = 0;

int maxfdp1 = max(max(STDIN_FILENO, STDOUT_FILENO), sockfd) + 1;
fd_set rset, wset;
for (; ;)
{
FD_ZERO(&rset);
FD_ZERO(&wset);
if (stdineof == 0 && toiptr < &to[MAXLINE])
{
FD_SET(STDIN_FILENO, &rset);
}
if (friptr < &fr[MAXLINE])
{
FD_SET(sockfd, &rset);
}
if (tooptr != toiptr)
{
FD_SET(sockfd, &wset);
}
if (froptr != friptr)
{
FD_SET(STDOUT_FILENO, &wset);
}
select(maxfdp1, &rset, &wset, NULL, NULL); // select函数仍然是阻塞的
// 标准输入
if (FD_ISSET(STDIN_FILENO, &rset))
{
int n;
if ((n = read(STDIN_FILENO, toiptr, &to[MAXLINE] - toiptr)) < 0)
{
// 对于非阻塞式IO,如果操作不能满足,相应系统调用会返回EWOULDBLOCK错误
if (errno != EWOULDBLOCK)
{
printf("read error on stdin\n");
exit(1);
}
}
else if (n == 0)
{
fprintf(stderr, "EOF on stdin\n");
stdineof = 1;
if (tooptr == toiptr)
{
shutdown(sockfd, SHUT_WR); // 缓冲区中没有数据要发送,关闭socket
}
}
else
{
fprintf(stderr, "read %d bytes from stdin\n", n);
toiptr += n;
FD_SET(sockfd, &wset);
}
}

// 从套接字读
if (FD_ISSET(sockfd, &rset))
{
int n;
if ((n = read(sockfd, friptr, &fr[MAXLINE] - friptr)) < 0)
{
if (errno != EWOULDBLOCK)
{
printf("read error on socket\n");
exit(1);
}
}
else if (n == 0)
{
fprintf(stderr, "EOF on socket\n");
if (stdineof)
{
return ;
}
else
{
printf("server terminated prematurely\n");
exit(1);
}
}
else
{
fprintf(stderr, "read %d bytes from socket\n", n);
friptr += n;
FD_SET(STDOUT_FILENO, &wset);
}
}

// 标准输出
int n;
if (FD_ISSET(STDOUT_FILENO, &wset) && ((n = friptr - froptr) > 0))
{
int nwritten;
if ((nwritten = write(STDOUT_FILENO, froptr, n)) < 0)
{
if (errno != EWOULDBLOCK)
{
printf("write error to stdout\n");
exit(1);
}
}
else
{
fprintf(stderr, "wrote %d bytes to stdout\n", nwritten);
froptr += nwritten;
if (froptr == friptr)
{
froptr = friptr = fr;
}
}
}

// 向socket写
if (FD_ISSET(sockfd, &wset) && ((n = toiptr - tooptr)) > 0)
{
int nwritten;
if ((nwritten = write(sockfd, tooptr, n)) < 0)
{
if (errno != EWOULDBLOCK)
{
printf("write error to socket\n");
exit(1);
}
}
else
{
fprintf(stderr, "wrote %d bytes to socket\n", nwritten);
tooptr += nwritten;
if (tooptr == toiptr)
{
toiptr = tooptr = to;
if (stdineof)
{
shutdown(sockfd, SHUT_WR);
}
}
}
}
}

return ;
}

/**
* connect的非阻塞版本
* 连接建立成功时,描述符变为可写;连接建立错误时,描述符变为即可读又可写
* 优点:
* 1、阻塞式的connect调用会消耗CPU时间,非阻塞式connect可以充分利用CPU时间,在等待的过程中可以处理其他工作
* 2、可以同时建立多个连接,浏览器中会用到此技术
* 3、阻塞式connect的函数超时过长,可以通过该函数设置超时时间
* 4、阻塞式的套接字调用connect时,在TCP的三次握手完成之前被某些信号中断时并且connect未设置内核自动重启的标志时,connect将返回EINTR错误
* 当再次调用connect等待未完成的连接时将会返回EADDRINUSE错误
*/
int connect_nonb(int sockfd, const struct sockaddr *saptr, socklen_t salen, int nsec)
{
// 将套接字设置为非阻塞状态
int flags = fcntl(sockfd, F_GETFL, 0);
fcntl(sockfd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);

int error = 0;

int n;
if ((n = connect(sockfd, saptr, salen)) < 0)
{
// 连接未成功建立,正常情况下返回EINPROGRESS错误,表示操作正在处理
if (errno != EINPROGRESS)
{
// EINPROGRESS表示连接建立已经启动,但是尚未完成
return -1;
}
}
else if (n == 0)
{
// 当服务器和客户端在一台主机上时会立即建立连接
goto done;
}

// 当代码执行到如下过程中时,connect正在建立连接,可以在此位置执行业务相关代码
// 当然真正使用时,在此位置加入其他代码并不合适,需要根据具体情况重新调整代码
// 可以参照书中的web客户程序例子

fd_set rset, wset;
FD_ZERO(&rset);
FD_SET(sockfd, &rset);
wset = rset;

struct timeval tval;
tval.tv_sec = nsec;
tval.tv_usec = 0;
if ((n = select(sockfd + 1, &rset, &wset, NULL, nsec ? &tval : NULL)) == 0)
{
// 发生超时
close(sockfd);
errno = ETIMEDOUT;
return -1;
}

// 当连接建立成功时sockfd变为可写,当连接建立失败时sockfd变为即可读又可写
if (FD_ISSET(sockfd, &rset) || FD_ISSET(sockfd, &wset))
{
int len = sizeof(error);
// 非可移植性函数,连接建立成功返回0,连接建立失败将错误值返回给error
// 连接建立失败时,有返回-1和返回0的情况
if (getsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_ERROR, &error, &len) < 0)
{
// solaris连接建立失败返回-1
return -1;
}
}
else
{
printf("select error:sockfd not set");
exit(1);
}
done:
// 恢复套接字的文件状态标志
fcntl(sockfd, F_SETFL, flags);
if (error)
{
close(sockfd);
errno = error;
return -1;
}
return 0;
}

int main(int argc, char **argv)
{
int sockfd;
struct sockaddr_in servaddr;

if (argc != 2)
{
printf("usage: tcpcli <IPaddress>\n");
exit(1);
}

// 当一个进程向某个收到RST的套接字执行写操作时,内核会向该进程发送一个SIGPIPE信号
// 最好的方式是忽略此信号的处理方式,并在程序下面处理该异常情况
signal(SIGPIPE, SIG_IGN);

sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
inet_pton(AF_INET, argv[1], &servaddr.sin_addr);

//connect(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr));
if (connect_nonb(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr), 50) < 0)
{
printf("socket connect error\n");
exit(1);
}

str_cli(stdin, sockfd); /* do it all */

exit(0);
}

TCP服务端程序

服务器程序要处理大量并发,在设计时更要注重效率。

fork版本

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/**
* fork版本
* PPC(Process per Connection)模型
*/
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <strings.h>

#define SERV_PORT 9877
#define MAXLINE 4096 /* max text line length */

void sig_chld(int signo)
{
if (signo != SIGIO)
{
return;
}
int stat;

/* 此处不可以使用wait函数,当多个SIGCHLD信号同时发出时会因为信号覆盖而出现僵尸进程的情况
pid_t pid = wait(&stat);
printf("child %d terminated\n", pid); // 非异步信号安全函数,此处不应该调用
*/

/* 使用非阻塞的参数WNOHANG来循环处理信号,避免信号丢失问题 */
pid_t pid;
while ((pid = waitpid(-1, &stat, WNOHANG)) > 0)
{
printf("child %d terminated\n", pid);
}
}

void str_echo(int sockfd)
{
ssize_t n;
char buf[MAXLINE];

again:
while ( (n = read(sockfd, buf, MAXLINE)) > 0)
{
write(sockfd, buf, n);
}

if (n < 0 && errno == EINTR)
goto again;
else if (n < 0)
printf("str_echo: read error\n");
}

/**
* fork版本
* 缺点:
* 1.fork需要将父进程的内存映像复制到子进程,并在子进程中复制所有的描述符,尽管现在的操作系统已经都实现了写时复制技术,但是耗时仍然比较多
* 2.父进程和子进程之间需要IPC机制进行通信,从子进程返回信息到父进程比较麻烦
*/
int main(int argc, char *argv[])
{
signal(SIGCHLD, sig_chld);
int listenfd, connfd;
pid_t childpid;
struct sockaddr_in cliaddr, servaddr;

// socket
listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (listenfd == -1)
{
printf("socket error\n");
exit(1);
}

// bind
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
if (bind(listenfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) == -1)
{
printf("bind error\n");
exit(1);
}

// listen
// 套接字排队的最大连接数为20
if (listen(listenfd, 20) == -1)
{
printf("listen error\n");
exit(1);
}

for ( ; ; )
{
socklen_t clilen = sizeof(cliaddr);
// 处理accept被信号中断时返回EINTR错误
if ((connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)&cliaddr, &clilen)) < 0)
{
if (errno == EINTR)
{
continue;
}
else
{
printf("accept error");
exit(1);
}
}

if ((childpid = fork()) == 0)
{
/* child process */
close(listenfd); /* close listening socket */
str_echo(connfd); /* process the request */
exit(0);
}
close(connfd); /* parent closes connected socket */
}
}

select版本

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/**
* select版本
* 缺点:
* 1. 有最大并发数限制,一个进程最多打开FD_SETSIZE个文件描述符,FD_SETSIZE往往是1024或2048字节
* 2. select每次调用都会线性扫描全部的FD集合,这样效率就会呈现线性下降,把FD_SETSIZE改大的后果就是所有FD处理都慢慢来
* 3. 内核/用户空间内存拷贝问题,内核把FD消息通知给用户空间采取了内存拷贝方法
*/
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <sys/select.h>
#include <strings.h>

#define SERV_PORT 9877
#define MAXLINE 4096 /* max text line length */

/**
* 使用select的需要维护client数组和allset的描述符集
*/
int main(int argc, char *argv[])
{
struct sockaddr_in cliaddr, servaddr;

// socket
int listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (listenfd == -1)
{
printf("socket error\n");
exit(1);
}
printf("finish socket...\n");

// bind
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
if (bind(listenfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) == -1)
{
printf("bind error\n");
exit(1);
}
printf("finish bind...\n");

// listen
// 套接字排队的最大连接数为20
if (listen(listenfd, 20) == -1)
{
printf("listen error\n");
exit(1);
}
printf("finish listening...\n");

int maxfd = listenfd;
int maxi = -1;
int client[FD_SETSIZE];
for (int i=0; i<FD_SETSIZE; i++)
{
client[i] = -1;
}
fd_set allset;
FD_ZERO(&allset);
FD_SET(listenfd, &allset);

for ( ; ; )
{
fd_set rset = allset;
int nready = select(maxfd + 1, &rset, NULL, NULL, NULL);
if (FD_ISSET(listenfd, &rset))
{
// 设置client数组
socklen_t clilen = sizeof(cliaddr);
// 调用select时有个问题,见书中16.6节
// 如果调用accept时客户端已经关闭连接,此时accept会阻塞并直到新的客户端连接到来
// 为了解决该问题可以将套接字设置为非阻塞再调用accept
int connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)&cliaddr, &clilen);
printf("accept one client:%d...\n", connfd);
int i = 0;
for (; i<FD_SETSIZE; i++)
{
if (client[i] < 0)
{
client[i] = connfd;
break;
}
}

FD_SET(connfd, &allset);

if (i == FD_SETSIZE)
{
printf("too many clients");
exit(-1);
}
if (connfd > maxfd)
{
maxfd = connfd;
}
if (i > maxi)
{
maxi = i;
}
if (--nready <= 0)
{
continue;
}
}

// 检测所有客户端的数据
for (int i=0; i<=maxi; i++)
{
if (client[i] < 0)
{
continue;
}
if (FD_ISSET(client[i], &rset))
{
int n;
char buf[MAXLINE];
printf("start reading form one client...\n");
if ((n = read(client[i], buf, MAXLINE)) == 0)
{
close(client[i]);
FD_CLR(client[i], &allset);
client[i] = -1;
}
else
{
write(client[i], buf, n);
}
if (--nready <= 0)
{
break;
}
}
}
}
}

poll版本

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/**
* poll版本
* poll版本的解决了select文件描述符限制问题,但是仍然具备select的缺点中的2和3
*/
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <strings.h>
#include <poll.h>
#include <stropts.h>

#define SERV_PORT 9877
#define MAXLINE 4096 /* max text line length */
#define OPEN_MAX 1024 // 该宏已经从limit.h中移除,用来表示一个进程可以打开的最大描述符数目

/**
* 使用select的缺点为需要维护client数组
*/
int main(int argc, char *argv[])
{
struct sockaddr_in cliaddr, servaddr;

// socket
int listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (listenfd == -1)
{
printf("socket error\n");
exit(1);
}
printf("finish socket...\n");

// bind
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
if (bind(listenfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) == -1)
{
printf("bind error\n");
exit(1);
}
printf("finish bind...\n");

// listen
// 套接字排队的最大连接数为20
if (listen(listenfd, 20) == -1)
{
printf("listen error\n");
exit(1);
}
printf("finish listening...\n");

struct pollfd client[OPEN_MAX];
client[0].fd = listenfd;
client[0].events = POLLIN;
for (int i=1; i<OPEN_MAX; i++)
{
client[i].fd = -1;
}

int maxi = 0; // 当前client正在使用的最大下标

for ( ; ; )
{
int nready = poll(client, maxi + 1, -1);
if (client[0].revents & POLLIN)
{
// 设置client数组
socklen_t clilen = sizeof(cliaddr);
int connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)&cliaddr, &clilen);
printf("accept one client:%d...\n", connfd);
int i = 1;
for (; i<OPEN_MAX; i++)
{
if (client[i].fd < 0)
{
client[i].fd = connfd;
break;
}
}

if (i == OPEN_MAX)
{
printf("too many clients");
exit(-1);
}
client[i].events = POLLIN;
if (i > maxi)
{
maxi = i;
}
if (--nready <= 0)
{
continue;
}
}

// 检测所有客户端的数据
for (int i=0; i<=maxi; i++)
{
if (client[i].fd < 0)
{
continue;
}
if (client[i].revents & (POLLIN | POLLERR))
{
int n;
char buf[MAXLINE];
printf("start reading form one client...\n");
if ((n = read(client[i].fd, buf, MAXLINE)) < 0)
{
if (errno == ECONNRESET)
{
close(client[i].fd);
client[i].fd = -1;
}
else
{
printf("read client error\n");
exit(-1);
}
}
else if (n == 0)
{
printf("client %d close\n", client[i].fd);
close(client[i].fd);
client[i].fd = -1;
}
else
{
write(client[i].fd, buf, n);
}
if (--nready <= 0)
{
break;
}
}
}
}
}

多线程版本

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/**
* 多线程版本
* TPC(Thread Per Connection)模型
* 线程的开销虽然比进程小,但是仍然有比较大开销,因此并发数不是很高
*/
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <strings.h>
#include <pthread.h>

#define SERV_PORT 9877
#define MAXLINE 4096 /* max text line length */

void str_echo(int sockfd)
{
ssize_t n;
char buf[MAXLINE];

again:
while ( (n = read(sockfd, buf, MAXLINE)) > 0)
{
write(sockfd, buf, n);
}

if (n < 0 && errno == EINTR)
goto again;
else if (n < 0)
printf("str_echo: read error\n");
}

static void *doit(void *arg)
{
pthread_detach(pthread_self());
str_echo((int)arg);
close((int)arg);
printf("close socket...\n");
return NULL;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
int listenfd, connfd;
struct sockaddr_in cliaddr, servaddr;

// socket
listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (listenfd == -1)
{
printf("socket error\n");
exit(1);
}

// bind
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
if (bind(listenfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) == -1)
{
printf("bind error\n");
exit(1);
}

// listen
// 套接字排队的最大连接数为20
if (listen(listenfd, 20) == -1)
{
printf("listen error\n");
exit(1);
}

for ( ; ; )
{
socklen_t clilen = sizeof(cliaddr);
// 处理accept被信号中断时返回EINTR错误
if ((connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)&cliaddr, &clilen)) < 0)
{
if (errno == EINTR)
{
continue;
}
else
{
printf("accept error");
exit(1);
}
}
printf("receive new client...\n");
pthread_t tid;
pthread_create(&tid, NULL, &doit, (void *)connfd);
}
}

UDP

由于udp比较简单,书中并未将udp协议当做重点来讲解。

UDP客户端程序

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#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <strings.h>

#define SERV_PORT 9877
#define MAXLINE 4096 /* max text line length */

// sendto、recvfrom方式
void dg_cli(FILE *fp, int sockfd, const struct sockaddr *pservaddr, socklen_t servlen)
{
char sendline[MAXLINE], recvline[MAXLINE + 1];
struct sockaddr *preply_addr = (struct sockaddr *)malloc(servlen);

while (fgets(sendline, MAXLINE, fp) != NULL)
{
sendto(sockfd, sendline, strlen(sendline), 0, pservaddr, servlen);
int len = servlen;
int n = recvfrom(sockfd, recvline, MAXLINE, 0, preply_addr, &len);
// 为了防止接收到其他进程的数据,通过条件判断去除
if (len != servlen || memcmp(pservaddr, preply_addr, len) != 0)
{
printf("reply from others (!ignore)\n");
continue;
}
recvline[n] = 0;
fputs(recvline, stdout);
}
}

// connect、write、read方式
void dg_cli2(FILE *fp, int sockfd, const struct sockaddr *pservaddr, socklen_t servlen)
{
char sendline[MAXLINE], recvline[MAXLINE + 1];

connect(sockfd, (struct sockaddr *)pservaddr, servlen);

while (fgets(sendline, MAXLINE, fp) != NULL)
{
write(sockfd, sendline, strlen(sendline));
int n = read(sockfd, recvline, MAXLINE);
recvline[n] = 0;
fputs(recvline, stdout);
}
}

int main(int argc, char *argv[])
{
if (argc != 2)
{
printf("usage: tcpcli <IPaddress>\n");
exit(1);
}

struct sockaddr_in servaddr;
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
inet_pton(AF_INET, argv[1], &servaddr.sin_addr);

int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
dg_cli2(stdin, sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr));
exit(0);
}

UDP服务端程序

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#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <strings.h>

#define SERV_PORT 9877
#define MAXLINE 4096 /* max text line length */

void dg_echo(int sockfd, struct sockaddr *pcliaddr, socklen_t clilen)
{
char mesg[MAXLINE];
for (;;)
{
socklen_t len = clilen;
int n;
bzero(mesg, MAXLINE);
if ((n = recvfrom(sockfd, mesg, MAXLINE, 0, pcliaddr, &len)) < 0)
{
close(sockfd);
printf("recvfrom error, error=%m\n");
exit(1);
}
printf("recv %s\n", mesg);
sendto(sockfd, mesg, n, 0, pcliaddr, len);
}
}

int main(int argc, char *argv[])
{
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
if (bind(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0)
{
printf("bind error\n");
exit(1);
}

dg_echo(sockfd, (struct sockaddr*)&cliaddr, sizeof(cliaddr));
}

UDP服务端信号驱动式I/O版本

信号驱动式I/O:进程执行I/O系统调用告知内核启动某个I/O操作,内核启动I/O操作后立即返回到进程。进程在I/O操作发生期间继续执行。当操作完成或遇到错误时,内核以进程在I/O系统调用中指定的方式通知进程。

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/**
* 信号驱动式I/O在TCP套接字用途不大,该信号产生的过于频繁,它的出现并未指示发生的事情
*/
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <strings.h>
#include <fcntl.h>

#define SERV_PORT 9877
#define MAXLINE 4096 /* max text line length */

static int sockfd;

#define MAXDG 4096


typedef struct
{
void *dg_data; // 实际数据
size_t dg_len; // 实际数据长度
struct sockaddr *dg_sa; // 包含客户端地址
socklen_t dg_salen; // 客户端地址长度
} DG;

#define QSIZE 8
static DG dg[QSIZE]; // 存放数据的环形缓冲区

static long cntread[QSIZE + 1];
// 需要处理的下一个数据元素的下标
static int iget;
// 存放数据元素的下一个位置
static int iput;
static int nqueue; // 队列中的数据个数
static socklen_t clilen;

static void sig_hup(int signo)
{
int i=0;
for (; i <= QSIZE; i++)
{
printf("cntread[%d = %ld\n", i, cntread[i]);
}
}

static void sig_io(int signo)
{
int nread;
// 为了解决非实时信号不排队问题,采用循环读取方式
for (nread = 0; ; )
{
// 检查队列是否已满
if (nread >= QSIZE)
{
printf("receive overflow\n");
exit(1);
}
DG *ptr = &dg[iput];
ptr->dg_salen = clilen;
ssize_t len = recvfrom(sockfd, ptr->dg_data, MAXDG, 0, ptr->dg_sa, &ptr->dg_salen);
if (len < 0)
{
if (errno == EWOULDBLOCK)
{
break;
}
else
{
printf("recvfrom error\n");
exit(1);
}
}
ptr->dg_len = len;
nread++;
nqueue++;
if (++iput >= QSIZE)
{
iput = 0;
}
}
cntread[nread]++;
}

void dg_echo(int sockfd_arg, struct sockaddr *pcliaddr, socklen_t clilen_arg)
{
sockfd = sockfd_arg;
clilen = clilen_arg;
int i = 0;
for (; i<QSIZE; i++)
{
dg[i].dg_data = malloc(MAXDG);
dg[i].dg_sa = (struct sockaddr *)malloc(clilen);
dg[i].dg_salen = clilen;
}
iget = iput = nqueue = 0;
signal(SIGHUP, sig_hup);

// 在启动信号I/O前设置信号处理函数
signal(SIGIO, sig_io);

// 设置接收信号通知的进程,让本进程接收SIGIO信号
fcntl(sockfd, F_SETOWN, getpid());

// 为了能够在得到I/O事件后重复执行I/O操作,需要将文件描述符设置为非阻塞方式
// O_ASYNC表示在文件描述符上使用信号驱动I/O
int flags = fcntl(sockfd, F_GETFL);
fcntl(sockfd, F_SETFL, flags | O_ASYNC | O_NONBLOCK);

sigset_t zeromask, newmask, oldmask;
sigemptyset(&zeromask);
sigemptyset(&newmask);
sigemptyset(&oldmask);

// 设置新的信号掩码,阻塞SIGIO信号
sigaddset(&newmask, SIGIO);
sigprocmask(SIG_BLOCK, &newmask, &oldmask);
for (; ;)
{
while (nqueue == 0)
{
// 挂起进程直到收到任何信号,该函数返回后SIGIO继续被阻塞
sigsuspend(&zeromask);
}
// 解除SIGIO的阻塞
sigprocmask(SIG_SETMASK, &oldmask, NULL);
sendto(sockfd, dg[iget].dg_data, dg[iget].dg_len, 0, dg[iget].dg_sa, dg[iget].dg_salen);
if (++iget >= QSIZE)
{
iget = 0;
}
// 为了能够修改nqueue的值,阻塞SIGIO信号
sigprocmask(SIG_BLOCK, &newmask, &oldmask);
nqueue--;
}
}

int main(int argc, char *argv[])
{
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
if (bind(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0)
{
printf("bind error\n");
exit(1);
}

dg_echo(sockfd, (struct sockaddr*)&cliaddr, sizeof(cliaddr));
return 1;
}

相关下载

本文中的实例,代码采用eclipse CDT编写,可以直接导入eclipse中运行。

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