I/O复用：异步聊天

一.I/O复用

在《TCP套接字编程》的同步聊天程序中，我们看到TCP客户同时处理两个输入：标准输入和TCP套接字。考虑在客户阻塞于标准输入fgets调用时，服务器进程被杀死，服务器TCP虽然会给客户TCP发送一个FIN，但是客户客户进程正阻塞于标准输入读入过程，它将看不到这个EOF，直到从套接字读时为止。这样的进程需要一种预先告知内核的能力，使得内核一旦发现内核指定的一个或多个I/O条件就绪，它就通知进程。这个能力就称之为I/O复用，由select和poll这两个函数支持。

I/O复用通常应用在下列场合：

• 当客户处理多个应用场合时（交互式输入和网络套接字）；
• 一个客户同时处理多个套接字；
• 一个TCP服务器既要处理监听套接字，又要处理已连接套接字；
• 一个服务器既要处理TCP，又要处理UDP；
• 一个服务器要处理多个服务或者多个协议。

二.select函数

select函数允许进程指示内核等待多个事件中的任意一个发生，并只在有一个或多个事件发生或经历一段指定时间后才唤醒它。

#include<sys/select.h>
#include<sys/time.h>
int select(int maxfdp1,fd_set *readset,fd_set *writeset,fd_set *exceptset,const struct timeval *timeout);

返回：若有就绪描述符则返回其数目，若超时返回0，若出错返回1。

头文件<sys/select.h>中定义的FD——SETSIZE常值是数据类型fd_set中的描述符总数，其值通常是。

maxfdp1参数指定带测试的描述符个数，它的值是带测试最大描述符加1，描述符0，1，2，...，maxfdp1-1均将被测试。

中间三个参数readset，writeset和exceptset指定我们要让内核测试读/写和异常条件的描述符。

void FD_ZERO(fd_set *fdset);         //clear all bits in fdset
void FD_SET(int fd,fd_set *fdset);   //turn on the bit for fd in fdset
void FD_CLR(int fd,fd-set *fdset);    //turn off the bit for fd in fdset
int FD_ISSET(int fd,fd_set *fdset);  //is the bit for fd on in fdset?

其中，描述符集的初始化非常重要。

参数timeout告知内核等待所指定描述符中的任何一个就绪可花多少时间，timeval结构用于指定这段时间的秒数和微妙数。

struct timeval
{
     long tv_sec;    //second
     long tv_usec;   //microsecond
};

这个参数有三种可能：

• 永远等待下去：仅在有一个描述符准备好I/O时才返回，为此，把该参数设为空；
• 等待一段固定时间：在有一个描述符准备好I/O时返回，但是不超过timeval所指定时间；
• 根本不等待：检查描述符后立即返回，这个称为轮询（polling），为此，秒数和微妙数必须为0。

三.异步聊天程序

写一个TCP异步聊天程序来加深理解。

服务器代码：

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

#define MAXSIZE 1024
#define PORT 8080
#define BACKLOG 10

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

	fd_set rfds;
//	struct timeval tv;
	int retval,maxfd=-1;

	if((listenfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==-1)
	{
		perror("socket");
		exit(1);
	}
	else printf("socket create success!\n");

	bzero(&servaddr,sizeof(servaddr));
	servaddr.sin_family=AF_INET;
	servaddr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
	servaddr.sin_port=htons(PORT);

	if((bind(listenfd,(struct sockaddr*)&servaddr,sizeof(struct sockaddr)))==-1)
	{
		perror("bind");
		exit(1);
	}
	else printf("bind success!\n");

	if(listen(listenfd,BACKLOG)==-1)
	{
		perror("listen");
		exit(1);
	}
	else printf("sever is listening!\n");

	for( ; ; )
	{
		printf("等待连接...\n");
		len=sizeof(struct sockaddr);
		if((connfd=accept(listenfd,(struct sockaddr*)&cliaddr,&len))==-1)
		{
			perror("accept");
			exit(1);
		}
		else printf("客户端:%s: %d\n",inet_ntoa(cliaddr.sin_addr),ntohs(cliaddr.sin_port));
		printf("开始聊天!\n");
		for( ; ; )
		{
			FD_ZERO(&rfds);
			FD_SET(0,&rfds);
			maxfd=0;
			FD_SET(connfd,&rfds);
			if(connfd>maxfd) maxfd=connfd;
			retval=select(maxfd+1,&rfds,NULL,NULL,NULL);
			if(retval==-1)
			{
				printf("select出错！%s",strerror(errno));
				break;
			}
			else if(retval==0)
			{
				printf("等待对方输入...\n");
				continue;
			}
			else
			{
				if(FD_ISSET(0,&rfds))
				{
					bzero(message,MAXSIZE);
			        printf("输入：");
			        fgets(message,MAXSIZE,stdin);

			        if(!strncasecmp(message, "quit", 4))
			        {
						printf("终止聊天!\n");
				        break;
			        }
					else len=send(connfd,message,strlen(message),0);
                    if(len<0)
			        {
						printf("发送失败");
				        break;
			        }
				}
				if(FD_ISSET(connfd,&rfds))
				{
					bzero(message,MAXSIZE);
			        len=recv(connfd,message,MAXSIZE,0);
			        if(len>0) printf("客户端：%s",message);
			        else
					{
						if(len<0) printf("接受消息失败！\n");
			            else printf("客户端不在线！\n");
						break;
					}
				}
			}
		}
        close(connfd);
     	printf("是否退出服务器[Y/N]:");
    	bzero(message,MAXSIZE);
    	fgets(message,MAXSIZE,stdin);
        if(!strncasecmp(message, "Y", 1))
    	{
	    	printf("服务器已退出！\n");
	    	break;
    	}
  	}
	close(listenfd);
	return 0;
}

客户端代码：

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

#define MAXSIZE 1024
#define PORT 8080

int main(int argc, char **argv)
{
    int sockfd;
    struct sockaddr_in servaddr;
    socklen_t len;
	fd_set rfds;
//	struct timeval tv;
	int retval,maxfd=-1;

    char message[MAXSIZE];    

    if((sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==-1)
	{
        perror("socket");
        exit(1);
    }
	else printf("socket create success!\n");

    bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_port = htons(PORT);

	inet_aton(argv[1],&servaddr.sin_addr);

    if(connect(sockfd,(struct sockaddr*)&servaddr,sizeof(struct sockaddr))==-1)
	{
        perror("connect");
        exit(1);
    }
	else printf("conncet success!\n");

    for( ; ; )
	{
		FD_ZERO(&rfds);
		FD_SET(0,&rfds);
		maxfd=0;
		FD_SET(sockfd,&rfds);
		if(sockfd>maxfd) maxfd=sockfd;
		retval=select(maxfd+1,&rfds,NULL,NULL,NULL);
		if(retval==-1)
		{
			printf("select出错！%s",strerror(errno));
			break;
		}
		else if(retval==0)
		{
			printf("等待对方输入...\n");
			continue;
		}
		else
		{
			if(FD_ISSET(sockfd,&rfds))
			{
				bzero(message,MAXSIZE);
                len=recv(sockfd,message,MAXSIZE,0);
                if(len>0)
                printf("服务器：%s",message);
                else
		        {
					if(len<0) printf("接受消息失败！\n");
                    else printf("服务器已退出！\n");
                    break;
                }
			}
			if(FD_ISSET(0,&rfds))
			{
				bzero(message,MAXSIZE);
                printf("输入：");
                fgets(message,MAXSIZE,stdin);

                if(!strncasecmp(message, "quit", 4))
		        {
					printf("client 请求终止聊天!\n");
                    break;
                }
                else len = send(sockfd,message,strlen(message),0);
                if(len<0)
                {
                    printf("消息发送失败!\n");
                    break;
                }
			}
		}
	}
    close(sockfd);
    return 0;
}

编译：

gcc -Wall server.c -o server
gcc -Wall client.c -o client

服务器运行结果：

./server
socket create success!
bind success!
sever is listening!
等待连接...
客户端:127.0.0.1: 50235
开始聊天!
客户端：
客户端：你好啊，服务器！
客户端：我是客户。

输入：你好啊，客户端！
输入：客户端：
客户端：Byebye！
客户端不在线！
是否退出服务器[Y/N]:Y
服务器已退出！

客户端运行结果：

./client 127.0.0.1
socket create success!
conncet success!

输入：你好啊，服务器！
输入：我是客户端。
输入：服务器：
服务器：你好啊，客户端！

输入：Byebye！
输入：quit
输入：client 请求终止聊天!