select實現高併發服務器

　　前言：週末學了兩天網絡編程，把以前的不懂一些問題基本掌握了，例如TCP狀態轉換圖、close和shutdown函數的區別、select函數等，今天分享給你們。

　　1、網絡編程基礎知識

　　在寫代碼以前，須要簡單介紹一下基礎知識。

1. 網絡字節序

　　 小端法（本地）：低地址存低字節、高地址存高字節（簡稱高存高、低存低）

　　 大端法（網絡）：高存底，低存高

　　可能有人會問爲啥不統一呢？歷史遺留問題：IBM最開始使用數據存儲使用大端法，後來微軟非要反着來。

　　因此通訊必須先統一字節序，涉及4個函數，以下：（函數原型都是經過man手冊查的）　

　　#include <arpa/inet.h>

　　uint32_t htonl(uint32_t hostlong);

　　uint16_t htons(uint16_t hostshort);

　　uint32_t ntohl(uint32_t netlong);

　　uint16_t ntohs(uint16_t netshort);

　　說明：h表明本地，n表明網絡，l表示32長整數（也是歷史遺留問題，最開始沒有int型），s表示16位短整型

　　例如htonl函數：就是將本地字節序轉爲網路字節序，而且是長整數，通常用在ip轉換，s則用在端口。

　　2.sockaddr地址結構

通用地址結構體：
struct sockaddr {
sa_family_t sa_family;//協議族 AF_INET AF_INET6
char sa_data[14];//1-2 端口號 3-6 ip地址 7-14 預留
}

ipv4專用地址結構：

struct sockaddr_in {
sa_family_t sin_family; /* address family: AF_INET */
in_port_t sin_port; /* port in network byte order */
struct in_addr sin_addr; /* internet address */
};

/* Internet address. */
struct in_addr {
uint32_t s_addr; /* address in network byte order */
};

　　通用的使用麻煩，弄一個專用的方便了，可是bind函數原型以下：

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

　　要傳通用地址結構，因此使用時就要進行強轉。

　　其實，還應該介紹一下socket、bind、listen等函數，可是以爲很簡單就先不介紹了。

　　2、三次握手和四次揮手

　　這篇主要介紹TCP，TCP常常被問到的問題就是三次握手，應該大部分人都知道，但四次揮手應該不多人知道，確很重要對理解一下概念和函數頗有幫助。

　　1.三次握手

　　三次握手以下圖：（截圖《unix網絡編程》，簡稱UNP，下面還有有圖出自這本書）

　　

　　說明：客戶端發送SYN請求，服務器收到以後，返回ACK應答並攜帶SYN，客戶端收到以後發送ACK應答。更多解釋能夠參考UNP。

　　2.四次揮手

　　四次揮手以下圖，出自UNP：

　　

　　

　　說明：客戶端發起FIN關閉請求，服務器收到以後迴應ACK，到這完成了「半關閉」，就是關了一半。爲啥只關了一半？其實客戶端、服務器各有一個描述符、兩個緩衝區（讀緩衝、寫緩衝），關的只是一個緩衝區。

　　服務端再發FIN,客戶端收到以後再回應ACK應答。

　　理解四次揮手，對close和shutdown函數的區別會有很好的理解。

　　3、TCP狀態轉換圖

　　理解三次握手、四次揮手，對於面試、跟人裝逼頗有幫助，開玩笑了。但理解TCP狀態轉換圖對編程頗有幫助。

　　TCP狀態轉換圖以下，也出自UNP:

　　

　　說明：如圖釋同樣，客戶端狀態走向，虛線服務器的走向，要分別沿着兩條線去看，並結合着三次握手和四次揮手去看。在紙上畫過2個結合的圖，可是沒時間在電腦上，有須要的話聯繫我吧。

• shutdowan、close函數區別：

　　shutdown原型：int shutdown(int sockfd, int how);

　　參數說明：

　　sockfd：文件描述符

　　how：定義三個宏

　　SHUT_RD  關閉讀端

　　SHUT_WR 關閉寫端

　　SHUT_RDWR 關閉讀寫端

　　close原型：int close(int fd); 參數文件描述符。

　　還有一個重要區別：shutdown在關閉多個文件描述符時，採用全關閉方法。close只關閉一個，至關於「-1」操做。

　　4、select函數介紹

　　select函數很是複雜，一點點解釋吧，函數原型以下：

　　int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

　　參數說明：

　　nfds：監聽的全部文件描述符中的最大描述符+1（其實內核是輪詢查的）

　　readfds：讀文件描述符監聽集合

　　writefds：寫文件描述符監聽集合

　　exceptfds：異常文件描述符監聽集合

　　timeout：有幾個值以下：

　　　　　　大於0：設置監聽超時時長

　　　　　　NULL：阻塞監聽

　　　　　　0：非阻塞監聽

　　函數返回值：

　　　　　　　大於0：全部監聽集合（3個）中，知足對應事件的總數

　　　　　　　 0：沒有知足的

　　　　　　　-1：出錯error

　　看第二個、三個、四個參數的類型fd_set,內核爲操做這種集合定義了四個函數，以下：

　　void FD_CLR(int fd, fd_set *set);      //將一個文件描述符從集合中移除

　　int FD_ISSET(int fd, fd_set *set);　 //判斷一個文件描述符是否在一個集合中，返回值：在 1，不在 0
　　void FD_SET(int fd, fd_set *set);　　//將監聽的文件描述符，添加到監聽集合中
　　void FD_ZERO(fd_set *set);　　　　//清空一個文件描述符集合

　　 5、包裹函數

　　這個概念來自UNP，先介紹包裹函數的定義，約定的包裹函數名是實際函數的首字母大寫形式。例如，以下：

　　Socket(int family, int type, int protocol)

　　爲何要怎麼作呢？緣由以下：

　　（1） 檢查返回值

　　（2）獨立錯誤檢查模塊　

　　6、用select實現併發服務器

• 　服務端

　　socket、bind、listen這些都沒變化，但都用的包裹函數形式，封裝在wrap.c中，從accept開始就要開始處理了，程序中都有註釋，不明白在私信我，先主要講解一下，調用FD_ZERO、FD_SET設置fd_set集合，再監聽鏈接、再監聽數據傳輸。代碼以下：

　　

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <ctype.h>

#include "wrap.h"

#define SERV_PORT 6666

int main(int argc, char *argv[])
{
    int i, j, n, maxi;

    int nready, client[FD_SETSIZE];                 /* 自定義數組client, 防止遍歷1024個文件描述符  FD_SETSIZE默認爲1024 */
    int maxfd, listenfd, connfd, sockfd;
    char buf[BUFSIZ], str[INET_ADDRSTRLEN];         /* #define INET_ADDRSTRLEN 16 */

    struct sockaddr_in clie_addr, serv_addr;
    socklen_t clie_addr_len;
    fd_set rset, allset;                            /* rset 讀事件文件描述符集合 allset用來暫存 */

    listenfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    int opt = 1;
    setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));

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

    Bind(listenfd, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr));
    Listen(listenfd, 128);

    maxfd = listenfd;                                           /* 起初 listenfd 即爲最大文件描述符 */

    maxi = -1;                                                  /* 未來用做client[]的下標, 初始值指向0個元素以前下標位置 */
    for (i = 0; i < FD_SETSIZE; i++)
        client[i] = -1;                                         /* 用-1初始化client[] */

    FD_ZERO(&allset);
    FD_SET(listenfd, &allset);                                  /* 構造select監控文件描述符集 */

    while (1) {   
        rset = allset;                                          /* 每次循環時都重新設置select監控信號集 */
        nready = select(maxfd+1, &rset, NULL, NULL, NULL);
        if (nready < 0)
            perr_exit("select error");

        if (FD_ISSET(listenfd, &rset)) {                        /* 說明有新的客戶端連接請求 */

            clie_addr_len = sizeof(clie_addr);
            connfd = Accept(listenfd, (struct sockaddr *)&clie_addr, &clie_addr_len);       /* Accept 不會阻塞 */
            printf("received from %s at PORT %d\n",
                    inet_ntop(AF_INET, &clie_addr.sin_addr, str, sizeof(str)),
                    ntohs(clie_addr.sin_port));

            for (i = 0; i < FD_SETSIZE; i++)
                if (client[i] < 0) {                            /* 找client[]中沒有使用的位置 */
                    client[i] = connfd;                         /* 保存accept返回的文件描述符到client[]裏 */
                    break;
                }

            if (i == FD_SETSIZE) {                              /* 達到select能監控的文件個數上限 1024 */
                fputs("too many clients\n", stderr);
                exit(1);
            }

            FD_SET(connfd, &allset);                            /* 向監控文件描述符集合allset添加新的文件描述符connfd */
            if (connfd > maxfd)
                maxfd = connfd;                                 /* select第一個參數須要 */

            if (i > maxi)
                maxi = i;                                       /* 保證maxi存的老是client[]最後一個元素下標 */

            if (--nready == 0)
                continue;
        } 

        for (i = 0; i <= maxi; i++) {                               /* 檢測哪一個clients 有數據就緒 */

            if ((sockfd = client[i]) < 0)
                continue;
            if (FD_ISSET(sockfd, &rset)) {

                if ((n = Read(sockfd, buf, sizeof(buf))) == 0) {    /* 當client關閉連接時,服務器端也關閉對應連接 */
                    Close(sockfd);
                    FD_CLR(sockfd, &allset);                        /* 解除select對此文件描述符的監控 */
                    client[i] = -1;
                } else if (n > 0) {
                    for (j = 0; j < n; j++)
                        buf[j] = toupper(buf[j]);
                    Write(sockfd, buf, n);
                    Write(STDOUT_FILENO, buf, n);
                }
                if (--nready == 0)
                    break;                                          /* 跳出for, 但還在while中 */
            }
        }
    }
    Close(listenfd);
    return 0;
}

View Code

•    客戶端

　　實現簡單功能：客戶端發小寫，服務器轉爲大寫再返回給客戶端。客戶端首先socket、connect，依然是包裹函數。代碼以下：

　　

/* client.c */
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>

#include "wrap.h"

#define MAXLINE 80
#define SERV_PORT 6666

int main(int argc, char *argv[])
{
    struct sockaddr_in servaddr;
    char buf[MAXLINE];
    int sockfd, n;

    if (argc != 2)
        printf("./client IP\n");

    sockfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

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

    Connect(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));
    printf("------------connect ok----------------\n");

    while (fgets(buf, MAXLINE, stdin) != NULL) {
        Write(sockfd, buf, strlen(buf));
        n = Read(sockfd, buf, MAXLINE);
        if (n == 0) {
            printf("the other side has been closed.\n");
            break;
        }
        else
            Write(STDOUT_FILENO, buf, n);
    }
    Close(sockfd);

    return 0;
}

View Code

　　這樣就能夠了，想要《unix網絡編程》、wrap.c的，推薦評論我。

　　其實，TCP狀態轉換圖、select實現原理，應該用畫圖來解釋一下，今天7點多就到公司了，準備寫博客，而後9點就去處理需求了，下午才寫完，等有時間再詳細介紹這兩方面吧。

　　最後，評論你的不懂問題，須要資料的也隨時歡迎評論。