Linux下网络socket编程——实现服务器（select）与多个客户端通信

一、关于socket通信

服务器端工作流程：

• 调用 socket() 函数创建套接字 用 bind() 函数将创建的套接字与服务端IP地址绑定
• 调用listen()函数监听socket() 函数创建的套接字，等待客户端连接 当客户端请求到来之后
• 调用 accept()函数接受连接请求，返回一个对应于此连接的新的套接字，做好通信准备
• 调用 write()/read() 函数和 send()/recv()函数进行数据的读写，通过 accept() 返回的套接字和客户端进行通信 关闭socket（close）

客户端工作流程：

• 调用 socket() 函数创建套接字
• 调用 connect() 函数连接服务端
• 调用write()/read() 函数或者 send()/recv() 函数进行数据的读写
• 关闭socket(close)

二、用select实现服务器端编程：

select函数楼主在之前文章中（select函数用法）已经提及，不在多做缀述。下面贴上服务器端代码servce.c

#include <stdio.h>
#include <netinet/in.h>   //for souockaddr_in
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <errno.h>
#include <stdlib.h>

#include <arpa/inet.h>

//for select
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/select.h>

#include <strings.h>   //for bzero
#include <string.h>

#define BUFF_SIZE 1024
#define backlog 7
#define ser_port 11277
#define CLI_NUM 3

int client_fds[CLI_NUM];

int main(int agrc,char **argv)
{
    int ser_souck_fd;
    int i;
    char input_message[BUFF_SIZE];
    char resv_message[BUFF_SIZE];

    struct sockaddr_in ser_addr;
    ser_addr.sin_family= AF_INET;    //IPV4
    ser_addr.sin_port = htons(ser_port);
    ser_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;  //指定的是所有地址

    //creat socket
    if( (ser_souck_fd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0)) < 0 )
    {
        perror("creat failure");
        return -1;
    } 

    //bind soucket
    if(bind(ser_souck_fd, (const struct sockaddr *)&ser_addr,sizeof(ser_addr)) < 0)
    {
        perror("bind failure");
        return -1;
    }

    //listen
    if(listen(ser_souck_fd, backlog) < 0)
    {
        perror("listen failure");
        return -1;
    }

    //fd_set
    fd_set ser_fdset;
    int max_fd=1;
    struct timeval mytime;
    printf("wait for client connnect!\n");

    while(1)
    {
        mytime.tv_sec=27;
        mytime.tv_usec=0;

        FD_ZERO(&ser_fdset);

        //add standard input
        FD_SET(0,&ser_fdset);
        if(max_fd < 0)
        {
            max_fd=0;
        }

        //add serverce
        FD_SET(ser_souck_fd,&ser_fdset);
        if(max_fd < ser_souck_fd)
        {
            max_fd = ser_souck_fd;
        }

        //add client
        for(i=0;i<CLI_NUM;i++)  //用数组定义多个客户端fd
        {
            if(client_fds[i]!=0)
            {
                FD_SET(client_fds[i],&ser_fdset);
                if(max_fd < client_fds[i])
                {
                    max_fd = client_fds[i];
                }
            }
        }

        //select多路复用
        int ret = select(max_fd + 1, &ser_fdset, NULL, NULL, &mytime);

        if(ret < 0)
        {
            perror("select failure\n");
            continue;
        }    

        else if(ret == 0)
        {
            printf("time out!");
            continue;
        }

        else
        {
            if(FD_ISSET(0,&ser_fdset)) //标准输入是否存在于ser_fdset集合中（也就是说，检测到输入时，做如下事情）
            {
                printf("send message to");
                bzero(input_message,BUFF_SIZE);
                fgets(input_message,BUFF_SIZE,stdin);

                for(i=0;i<CLI_NUM;i++)
                {
                    if(client_fds[i] != 0)
                    {
                        printf("client_fds[%d]=%d\n", i, client_fds[i]);
                        send(client_fds[i], input_message, BUFF_SIZE, 0);
                    }
                }

            }

            if(FD_ISSET(ser_souck_fd, &ser_fdset))
            {
                struct sockaddr_in client_address;
                socklen_t address_len;
                int client_sock_fd = accept(ser_souck_fd,(struct sockaddr *)&client_address, &address_len);
                if(client_sock_fd > 0)
                {
                    int flags=-1;
                    //一个客户端到来分配一个fd，CLI_NUM=3，则最多只能有三个客户端，超过4以后跳出for循环，flags重新被赋值为-1
                    for(i=0;i<CLI_NUM;i++)
                    {
                        if(client_fds[i] == 0)
                        {
                            flags=i;
                            client_fds[i] = client_sock_fd;
                            break;
                        }
                    }

                    if (flags >= 0)
                    {
                        printf("new user client[%d] add sucessfully!\n",flags);

                    }

                    else //flags=-1
                    {
                        char full_message[]="the client is full!can't join!\n";
                        bzero(input_message,BUFF_SIZE);
                        strncpy(input_message, full_message,100);
                        send(client_sock_fd, input_message, BUFF_SIZE, 0);

                    }
                }
            }

        }

        //deal with the message

        for(i=0; i<CLI_NUM; i++)
        {
            if(client_fds[i] != 0)
            {
                if(FD_ISSET(client_fds[i],&ser_fdset))
                {
                    bzero(resv_message,BUFF_SIZE);
                    int byte_num=read(client_fds[i],resv_message,BUFF_SIZE);
                    if(byte_num > 0)
                    {
                        printf("message form client[%d]:%s\n", i, resv_message);
                    }
                    else if(byte_num < 0)
                    {
                        printf("rescessed error!");
                    }

                    //某个客户端退出
                    else  //cancel fdset and set fd=0
                    {
                        printf("clien[%d] exit!\n",i);
                        FD_CLR(client_fds[i], &ser_fdset);
                        client_fds[i] = 0;
                       // printf("clien[%d] exit!\n",i);
                        continue;  //这里如果用break的话一个客户端退出会造成服务器也退出。
                    }
                }
            }
        }
    }
    return 0;
}

select实现多路复用，多路复用，顾名思义，就是说各做各的事，标准输入事件到来，有相关函数处理。服务器处理服务器的事件，客户端到来时有相关函数对其进行处理，通过select遍历各fd的读写情况，就不用担心阻塞了。

三、用epoll实现客户端编程：

1、客户端程序（epoll_client.c）：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<netinet/in.h>
#include<sys/socket.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>    

#include <sys/epoll.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>

#define BUFFER_SIZE 1024    

int main(int argc, const char * argv[])
{
    int i,n;
    int connfd,sockfd;
    struct epoll_event ev,events[20]; //ev用于注册事件,数组用于回传要处理的事件
    int epfd=epoll_create(256);//创建一个epoll的句柄，其中256为你epoll所支持的最大句柄数

    struct sockaddr_in client_addr;
    struct sockaddr_in server_addr;    

    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(11277);
    server_addr.sin_addr.s_addr =INADDR_ANY;
    bzero(&(server_addr.sin_zero), 8);    

    int server_sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);  

    ev.data.fd=server_sock_fd;//设置与要处理的事件相关的文件描述符
    ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;//设置要处理的事件类型
    epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,server_sock_fd,&ev);//注册epoll事件

    if(server_sock_fd == -1)
    {
        perror("socket error");
        return 1;
    }    

    char recv_msg[BUFFER_SIZE];
    char input_msg[BUFFER_SIZE];    

    if(connect(server_sock_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(struct sockaddr_in)) == 0)
    {
        for(;;)
        {
            int nfds=epoll_wait(epfd,events,20,500);//等待epoll事件的发生
            for(i=0;i<nfds;++i)
            {
                if(events[i].events&EPOLLOUT) //有数据发送，写socket
                {
                    bzero(input_msg, BUFFER_SIZE);
                    fgets(input_msg, BUFFER_SIZE, stdin);    

                    sockfd = events[i].data.fd;
                    write(sockfd, recv_msg, n);

                    ev.data.fd=sockfd;
                    ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;
                    epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,sockfd,&ev);
                }   

                else if(events[i].events&EPOLLIN)//有数据到来，读socket
                {
                    bzero(recv_msg, BUFFER_SIZE);
                    if((n = read(server_sock_fd, recv_msg, BUFFER_SIZE)) <0 )
                    {
                        printf("read error!");
                    }

                    ev.data.fd=server_sock_fd;
                    ev.events=EPOLLOUT|EPOLLET;
                    printf("%s\n",recv_msg);
                }

            }
        }
    }
    return 0;
}

2、关于epoll函数：

相比于select，epoll最大的好处在于它不会随着监听fd数目的增长而降低效率。因为在内核中的select实现中，它是采用轮询来处理的，轮询的fd数目越多，自然耗时越多。并且，在linux/posix_types.h头文件有这样的声明：
#define __FD_SETSIZE 1024
表示select最多同时监听1024个fd

一共三个函数：

1、 int epoll_create (int size);
创建一个epoll的句柄

size用来告诉内核这个监听的数目一共有多大。这个参数不同于select()中的第一个参数，给出最大监听的fd+1的值。需要注意的是，当创建好epoll句柄后，它就是会占用一个fd值，在linux下如果查看/proc/进程id/fd/，是能够看到这个fd的，所以在使用完epoll后，必须调用close()关闭，否则可能导致fd被耗尽。

2、 int epoll_ctl (int epfd , int op, int fd, struct epoll_event *event);

epoll的事件注册函数，它不同与select()是在监听事件时告诉内核要监听什么类型的事件，而是在这里先注册要监听的事件类型。第一个参数是epoll_create()的返回值，第二个参数表示动作，用三个宏来表示：

EPOLL_CTL_ADD：注册新的fd到epfd中；

EPOLL_CTL_MOD：修改已经注册的fd的监听事件；

EPOLL_CTL_DEL：从epfd中删除一个fd；

第三个参数是需要监听的fd

第四个参数是告诉内核需要监听什么事，struct epoll_event结构如下：

struct epoll_event
 {
    __uint32_t events;    /* Epoll events */
    epoll_data_t data;     /* User data variable */
};

　　

typedef union epoll_data
 {
    void *ptr;
    int fd;
    __uint32_t u32;
    __uint64_t u64;
} epoll_data_t;

events可以是以下几个宏的集合：

• EPOLLIN ：表示对应的文件描述符可以读（包括对端SOCKET正常关闭）；
• EPOLLOUT：表示对应的文件描述符可以写；
• EPOLLPRI：表示对应的文件描述符有紧急的数据可读（这里应该表示有带外数据到来）；
• EPOLLERR：表示对应的文件描述符发生错误；
• EPOLLHUP：表示对应的文件描述符被挂断；
• EPOLLET： 将EPOLL设为边缘触发(Edge Triggered)模式，这是相对于水平触发(Level Triggered)来说的。
• EPOLLONESHOT：只监听一次事件，当监听完这次事件之后，如果还需要继续监听这个socket的话，需要再次把这个socket加入到EPOLL队列里

3、 int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);

等待事件的产生，类似于select()调用。

参数events用来从内核得到事件的集合，

maxevents告之内核这个events有多大，这个 maxevents的值不能大于创建epoll_create()时的size，

参数timeout是超时时间（毫秒，0会立即返回，-1将不确定，也有说法说是永久阻塞）。该函数返回需要处理的事件数目，如返回0表示已超时。

使用步骤：

<1>首先通过create_epoll(int maxfds)来创建一个epoll的句柄，其中maxfds为你epoll所支持的最大句柄数。这个函数会返回一个新的epoll句柄，之后的所有操作将通过这个句柄来进行操作。在用完之后，记得用close()来关闭这个创建出来的epoll句柄。

<2>然后每一帧的调用epoll_wait (int epfd, epoll_event events, int max events, int timeout) 来查询所有的网络接口。

<3>kdpfd为用epoll_create创建之后的句柄，events是一个epoll_event*的指针，当epoll_wait这个函数操作成功之后，epoll_events里面将储存所有的读写事件。max_events是当前需要监听的所有socket句柄数。最后一个timeout是 epoll_wait的超时，为0的时候表示马上返回，为-1的时候表示一直等下去，直到有事件范围，为任意正整数的时候表示等这么长的时间，如果一直没有事件，则返回。一般如果网络主循环是单独的线程的话，可以用-1来等，这样可以保证一些效率，如果是和主逻辑在同一个线程的话，则可以用0来保证主循环的效率。 epoll_wait返回之后应该是一个循环，遍历所有的事件。

基本上都是如下的框架：

for( ; ; )
    {
        nfds = epoll_wait(epfd,events,20,500);
        for(i=0;i<nfds;++i)
        {
            if(events[i].data.fd==listenfd) //有新的连接
            {
                     connfd = accept(listenfd,(sockaddr *)&clientaddr, &clilen);    //accept这个连接
                     ev.data.fd=connfd;
                     ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;
                     epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,connfd,&ev); //将新的fd添加到epoll的监听队列中
            }

           else if( events[i].events&EPOLLIN ) //接收到数据，读socket
            {
                     n = read(sockfd, line, MAXLINE)) < 0    //读
                     ev.data.ptr = md;     //md为自定义类型，添加数据
                     ev.events=EPOLLOUT|EPOLLET;
                     epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,sockfd,&ev);//修改标识符，等待下一个循环时发送数据，异步处理的精髓
            }
            else if(events[i].events&EPOLLOUT) //有数据待发送，写socket
            {
                     struct myepoll_data* md = (myepoll_data*)events[i].data.ptr;    //取数据
                     sockfd = md->fd;
                     send( sockfd, md->ptr, strlen((char*)md->ptr), 0 );        //发送数据
                     ev.data.fd=sockfd;
                     ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;
                     epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,sockfd,&ev); //修改标识符，等待下一个循环时接收数据
            }
            else
            {
                     //其他的处理
            }
        }
    }