五十九、linux 编程—— I/O 多路复用 fcntl

59.1 介绍

　　前面介绍的函数如，recv、send、read 和 write 等函数都是阻塞性函数，若资源没有准备好，则调用该函数的进程将进入阻塞状态。我们可以使用 I/O 多路复用来解决此问题（即解决并发）。

• I/O 多路复用的方式主要有两种实现方法
  • fcntl 函数实现（非阻塞方式）
  • select 函数实现

59.1.1 fcntl 非阻塞方式——I/O多路复用/转换

　　

59.2 例子

59.2.1 动态数组模块

vector_fd.c

 #include <malloc.h>
 #include <stdio.h>
 #include <assert.h>
 #include <stdlib.h>
 #include <memory.h>
 #include "vector_fd.h"

 static void encapacity(vector_fd *vfd)
 {
     if(vfd->counter >= vfd->max_counter){
         int *fds = (int *)calloc(vfd->counter + , sizeof(int));
         assert(fds != NULL);
         memcpy(fds, vfd->fd, sizeof(int) * vfd->counter);
         free(vfd->fd);
         vfd->fd = fds;
         vfd->max_counter += ;
     }
 }

 static int indexof(vector_fd *vfd, int fd)
 {
     int i = ;
     for(; i < vfd->counter; i++){
         if(vfd->fd[i] == fd) return i;
     }

     return -;
 }

 vector_fd *create_vector_fd(void)
 {
     vector_fd *vfd = (vector_fd *)calloc(, sizeof(vector_fd));
     assert(vfd != NULL);

     vfd->fd = (int *)calloc(, sizeof(int));
     assert(vfd->fd != NULL);
     vfd->counter = ;
     vfd->max_counter = ;

     return vfd;
 }

 void destroy_vector_fd(vector_fd *vfd)
 {
     assert(vfd != NULL);
     free(vfd->fd);
     free(vfd);
 }

 int get_fd(vector_fd *vfd, int index)
 {
     assert(vfd != NULL);
     if(index <  || index > vfd->counter - ) return ;

     return vfd->fd[index];
 }

 void remove_fd(vector_fd *vfd, int fd)
 {
     assert(vfd != NULL);
     int index = indexof(vfd, fd);
     if(index == -) return;
     int i = index;
     for(; i < vfd->counter - ; i++){
         vfd->fd[i] = vfd->fd[i + ];
     }
     vfd->counter--;
 }

 void add_fd(vector_fd *vfd, int fd)
 {
     assert(vfd != NULL);
     encapacity(vfd);
     vfd->fd[vfd->counter++] = fd;
 }

vector_fd.h

 #ifndef __VECTOR_FD_H__
 #define __VECTOR_FD_H__

 typedef struct {
     int     *fd;
     int     counter;
     int     max_counter;
 }vector_fd;

 extern vector_fd *create_vector_fd(void);
 extern void destroy_vector_fd(vector_fd *);
 extern int get_fd(vector_fd *, int index);
 extern void remove_fd(vector_fd *, int fd);
 extern void add_fd(vector_fd *, int fd);

 #endif

　　编译成模块：gcc -o obj/vector_fd.o -Iinclude -c src/vector_fd.c

59.2.2 服务器端

　　echo_tcp_server_fcntl.c

 #include <netdb.h>
 #include <netinet/in.h>
 #include <sys/socket.h>
 #include <sys/wait.h>
 #include <unistd.h>
 #include <string.h>
 #include <stdio.h>
 #include <stdlib.h>
 #include <memory.h>
 #include <signal.h>
 #include <fcntl.h>
 #include <time.h>
 #include <arpa/inet.h>
 #include <errno.h>
 #include <pthread.h>
 #include "vector_fd.h"

 vector_fd *vfd;
 int sockfd;

 void sig_handler(int signo)
 {
     if(signo == SIGINT){
         printf("server close\n");
         /** 步骤6: 关闭 socket */
         close(sockfd);
         /** 销毁动态数组 */
         destroy_vector_fd(vfd);
         exit();
     }
 }

 /**
  * fd 对应于某个连接的客户端，和某一个连接的客户端进行双向通信(非阻塞方式)
  */
 void do_service(int fd)
 {
     char buff[];
     memset(buff, , sizeof(buff));

     /**
      *  因为采用非阻塞方式，若读不到数据直接返回，
      *  直接服务于下一个客户端,
      *  因此不需要判断 size < 0 的情况 */
     ssize_t size = read(fd, buff, sizeof(buff));

     if(size == ){
         /** 客户端已经关闭连接 */
         char info[] = "client closed";
         write(STDOUT_FILENO, info, sizeof(info));
         /** 从动态数组中删除对应的 fd */
         remove_fd(vfd, fd);
         /** 关闭对应客户端的 socket */
         close(fd);
     }
     else if(size > ){
         write(STDOUT_FILENO, buff, sizeof(buff));
         if(write(fd, buff, size) < ){
             if(errno == EPIPE){
                 /** 客户端关闭连接 */
                 perror("write error");
                 remove_fd(vfd, fd);
                 close(fd);
             }
             perror("protocal error");
         }
     }
 }

 void out_addr(struct sockaddr_in *clientaddr)
 {
     char ip[];
     memset(ip, , sizeof(ip));
     int port = ntohs(clientaddr->sin_port);
     inet_ntop(AF_INET, &clientaddr->sin_addr.s_addr, ip, sizeof(ip));
     printf("%s(%d) connected!\n", ip, port);
 }

 void *th_fn(void *arg)
 {
     int i;
     while(){
         i = ;
         /** 遍历动态数组中的 socket 描述符 */
         for(; i < vfd->counter; i++){
             do_service(get_fd(vfd, i));
         }
     }

     return (void *);
 }

 int main(int argc, char *argv[])
 {
     if(argc < ){
         printf("usage: %s #port\n", argv[]);
         exit();
     }

     if(signal(SIGINT, sig_handler) == SIG_ERR){
         perror("signal sigint error");
         exit();
     }

     /** 步骤1: 创建 socket(套接字)
      *  注: socket 创建在内核中，是一个结构体.
      *  AF_INET: IPV4
      *  SOCK_STREAM: tcp 协议
      *  AF_INET6: IPV6
      */
     sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, );
     if(sockfd < ){
         perror("socket error");
         exit();
     }

     /**
      * 步骤2: 调用 bind 函数将 socket 和地址(包括 ip、port)进行绑定
      */
     struct sockaddr_in  serveraddr;
     memset(&serveraddr, , sizeof(struct sockaddr_in));
     /** 往地址中填入 ip、port、internet 地址族类型 */
     serveraddr.sin_family = AF_INET;    ///< IPV4
     serveraddr.sin_port = htons(atoi(argv[1])); ///< 填入端口
     serveraddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; ///< 填入 IP 地址
     if(bind(sockfd, (struct sockaddr *)&serveraddr, sizeof(struct sockaddr_in))){
         perror("bind error");
         exit();
     }

     /**
      *  步骤3: 调用 listen 函数启动监听(指定 port 监听)
      *         通知系统去接受来自客户端的连接请求
      *         (将接受到的客户端连接请求放置到对应的队列中)
      *  第二个参数: 指定队列的长度
      */
     if(listen(sockfd, ) < ){
         perror("listen error");
         exit();
     }

     /** 创建放置套接字描述符 fd 的动态数组 */
     vfd = create_vector_fd();

     /** 设置线程的分离属性 */
     pthread_t th;
     pthread_attr_t attr;
     pthread_attr_init(&attr);
     pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);
     int err;
     if((err = pthread_create(&th, &attr, th_fn, (void *))) != ){
         perror("pthread create error");
         exit();
     }
     pthread_attr_destroy(&attr);

     /**
      * 1)主控线程获得客户端的链接，将新的 socket 描述符放置到动态数组中
      * 2)启动的子线程负责遍历动态数组中 socket
      *   描述符，并和对应的客户端进行双向通信(采用非阻塞方式读写)
      */
     struct sockaddr_in clientaddr;
     socklen_t len = sizeof(clientaddr);

     while(){
         /**
          *  步骤4: 调用 accept 函数从队列中获得一个客户端的请求连接, 并返回新的
          *         socket 描述符
          *  注意:  若没有客户端连接，调用此函数后会阻塞, 直到获得一个客户端的连接
          */
         /** 主控线程负责调用 accept 去获得客户端的连接 */
         int fd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&clientaddr, &len);
         if(fd < ){
             perror("accept error");
             continue;
         }

         out_addr(&clientaddr);

         /** 将读写修改为非阻塞方式 */
         int val;
         fcntl(fd, F_GETFL, &val);   ///< 获取原来的状态标志
         val |= O_NONBLOCK;
         fcntl(fd, F_SETFL, val);    ///< 添加新的状态标志

         /** 将返回的新的 socket 描述符加入到动态数组中 */
         add_fd(vfd, fd);

     }

     return ;
 }

　　编译：

　　gcc -o bin/echo_tcp_server_fcntl -Iinclude obj/vector_fd.o src/echo_tcp_server_fcntl.c -lpthread

59.2.3 客户端

　　echo_tcp_client_fcntl.c

 #include <sys/types.h>
 #include <stdlib.h>
 #include <stdio.h>
 #include <memory.h>
 #include <unistd.h>
 #include <sys/socket.h>
 #include <netdb.h>
 #include <signal.h>
 #include <string.h>
 #include <time.h>
 #include <arpa/inet.h>

 int main(int argc, char *argv[])
 {
     if(argc < ){
         printf("usage: %s ip port\n", argv[]);
         exit();
     }

     /** 步骤1: 创建 socket */
     int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, );
     if(sockfd < ){
         perror("socket error");
         exit();
     }

     /** 往 serveraddr 中填入 ip、port 和地址族类型(ipv4) */
     struct sockaddr_in serveraddr;
     memset(&serveraddr, , sizeof(struct sockaddr_in));
     serveraddr.sin_family = AF_INET;
     serveraddr.sin_port = htons(atoi(argv[]));
     /** 将 ip 地址转换成网络字节序后填入 serveraddr 中  */
     inet_pton(AF_INET, argv[], &serveraddr.sin_addr.s_addr);

     /**
      *  步骤2: 客户端调用 connect 函数连接到服务器端
      */
     if(connect(sockfd, (struct sockaddr *)&serveraddr, sizeof(struct sockaddr_in)) < ){
         perror("connect error");
         exit();
     }

     /** 步骤3: 调用 IO 函数(read/write)和服务器端进行双向通信 */
     char buff[];
     ssize_t size;
     char *prompt = "==>";
     while(){
         memset(buff, , sizeof(buff));
         write(STDOUT_FILENO, prompt, );
         size = read(STDIN_FILENO, buff, sizeof(buff));
         if(size < ) continue;
         buff[size - ] = '\0';

         if(write(sockfd, buff, sizeof(buff)) < ){
             perror("write msg error");
             continue;
         }
         else {
             if(read(sockfd, buff, sizeof(buff)) < ){
                 perror("read msg error");
                 continue;
             }
             else {
                 printf("%s\n", buff);
             }
         }
     }

     /** 步骤4: 关闭 socket */
     close(sockfd);

     return ;
 }

　　编译：gcc -o bin/echo_tcp_client_fcntl src/echo_tcp_client_fcntl.c

59.2.4 测试运行