关于SOCKET的一个具体对话模型
作者：Simon Lei
某天偶然翻到以前的程序, 拿来改了改,顺便写了一点心得, 与大家共享: 如果想获得文中的程序源码, 请参观码源主页:
http://edoc.163.net/ 或者科大镜象:
http://202.38.79.17:8080/
一个简单聊天室的两种实现 (fcntl 和 select)
一个简单的聊天室, 其功能是当在这个聊天室中的任何一个
用户输入一段字符之后, 室内的所有其他用户都可以得到这一句
话. 本聊天室功能非常简单, 感兴趣的朋友可以将其功能扩展, 发
展成一个功能比较完整的聊天室, 如加上用户认证, 用户昵称, 秘密
信息, semote 等功能. 这个聊天室有两种实现方法: fcntl 和 select,
下面就这个聊天室的实现做一个介绍, 并对两种方法进行比较.
聊天室是一个 client/server 结构的程序, 首先启动 server,
然后用户使用 client 进行连接. client/server 结构的优点是速度
快, 缺点是当 server 进行更新时, client 也必需更新.
首先是 初始化 server, 使server 进入监听状态: (为了简洁起见,
以下引用的程序与实际程序略有出入, 下同)
sockfd = socket( AF_INET,SOCK_STREAM, 0);
// 首先建立一个 socket, 族为 AF_INET, 类型为 SOCK_STREAM.
// AF_INET = ARPA Internet protocols 即使用 TCP/IP 协议族
// SOCK_STREAM 类型提供了顺序的, 可靠的, 基于字节流的全双工连接.
// 由于该协议族中只有一个协议, 因此第三个参数为 0
bind( sockfd, ( struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof( serv_addr));
// 再将这个 socket 与某个地址进行绑定.
// serv_addr 包括 sin_family = AF_INET 协议族同 socket
// sin_addr.s_addr = htonl( INADDR_ANY) server 所接受的所有其他
// 地址请求建立的连接.
// sin_port = htons( SERV_TCP_PORT) server 所监听的端口
// 在本程序中, server 的 IP和监听的端口都存放在 config 文件中.
listen( sockfd, MAX_CLIENT);
// 地址绑定之后, server 进入监听状态.
// MAX_CLIENT 是可以同时建立连接的 client 总数.
server 进入 listen 状态后, 等待 client 建立连接. 此时如果有
client 进行连接时, 也要先进行网络部分的初始化工作:
sockfd = socket( AF_INET,SOCK_STREAM,0));
// 同样的, client 也先建立一个 socket, 其参数与 server 相同.
connect( sockfd, ( struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof( serv_addr));
// client 使用 connect 建立一个连接.
// serv_addr 中的变量分别设置为:
// sin_family = AF_INET 协议族同 socket
// sin_addr.s_addr = inet_addr( SERV_HOST_ADDR) 地址为 server
// 所在的计算机的地址.
// sin_port = htons( SERV_TCP_PORT) 端口为 server 监听的端口.
当 client 建立新连接时, server 使用 accept 来接受该连接:
accept( sockfd, (struct sockaddr*)&cli_addr, &cli_len);
// 在函数返回时, cli_addr 中保留的是该连接对方的信息
// 包括对方的 IP 地址和对方使用的端口.
// accept 返回一个新的文件描述符.
在 server 进入 listen 状态之后, 我们下面分别讨论两种实现方法:
1. fcntl 方法
对一个文件描述符指定的文件或设备, 有两种工作方式: 阻塞与非阻塞,
阻塞的意思是指, 当试图对该文件描述符进行读写时, 如果当时没有东西可读,
或者暂时不可写, 程序就进入等待状态, 直到有东西可读或者可写为止. 而对于
非阻塞状态, 如果没有东西可读, 或者不可写, 读写函数马上返回, 而不会等待.
缺省情况下, 文件描述符处于阻塞状态. 在实现聊天室时, server 轮流查询与各
client 建立 socket, 一旦可读就将该 socket 中的字符读出来并向所有其他
client 发送. 并且, server 还要随时查看是否有新的 client 试图建立连接,
这样, 如果 server 在任何一个地方阻塞了, 其他 client 发送的内容就会受到
影响, 新 client 试图建立连接也会受到影响. 因此, 我们使用 fcntl 将该
文件描述符变为非阻塞的:
fcntl( sockfd, F_SETFL, O_NONBLOCK);
// sockfd 是要改变状态的文件描述符.
// F_SETFL 表明要改变文件描述符的状态
// O_NONBLOCK 表示将文件描述符变为非阻塞的.
使用自然语言描述聊天室 server :
while ( 1) {
if 有新连接 then 建立并记录该新连接;
for ( 所有的有效连接) {
if 该连接中有字符可读 then {
for ( 所有其他的有效连接) {
将该字符串发送给该连接;
}
}
}
}
由于判断是否有新连接, 是否可读都是非阻塞的, 因此每次判断, 不管
有还是没有, 都会马上返回. 这样, 任何一个 client 向 server 发送字符
或者试图建立新连接, 都不会对其他 client 的活动造成影响.
对 client 而言, 建立连接之后, 只需要处理两个文件描述符, 一个是
建立了连接的 socket 描述符, 另一个是标准输入. 和 server 一样, 如果
使用阻塞方式的话, 很容易因为其中一个暂时没有输入而影响另外一个的读
入. 因此将它们都变成非阻塞的, 然后client 进行如下动作:
while ( 不想退出) {
if ( 与 server 的连接有字符可读) {
从该连接读入, 并输出到标准输出上去.
}
if ( 标准输入可读) {
从标准输入读入, 并输出到与 server 的连接中去.
}
}
上面的读写分别调用这样两个函数:
read( userfd[i], line, MAX_LINE);
// userfd[i] 是指第 i 个 client 连接的文件描述符.
// line 是指读出的字符存放的位置.
// MAX_LINE 是一次最多读出的字符数.
// 返回值是实际读出的字符数.
write( userfd[j], line, strlen( line));
// userfd[j] 是第 j 个 client 的文件描述符.
// line 是要发送的字符串.
// strlen( line) 是要发送的字符串长度.
分析上面的程序可以知道, 不管是 server 还是 client, 它们都
不停的轮流查询各个文件描述符, 一旦可读就读入并进行处理. 这样的
程序, 不停的在执行, 只要有CPU 资源, 就不会放过. 因此对系统资源
的消耗非常大. server 或者 client 单独执行时, CPU 资源的 98% 左
右都被其占用. 因此, 我们可以使用另外一种阻塞的方法来解决这个问题,
这就是 select.
2. select 方法
select 方法中, 所有文件描述符都是阻塞的. 使用 select 判断一
组文件描述符中是否有一个可读(写), 如果没有就阻塞, 直到有一个的
时候就被唤醒. 我们先看比较简单的 client 的实现:
由于 client 只需要处理两个文件描述符, 因此, 需要判断是否有可
读写的文件描述符只需要加入两项:
FD_ZERO( sockset);
// 将 sockset 清空
FD_SET( sockfd, sockset);
// 把 sockfd 加入到 sockset 集合中
FD_SET( 0, sockset);
// 把 0 (标准输入) 加入到 sockset 集合中
然后 client 的处理如下:
while ( 不想退出) {
select( sockfd+1, &sockset, NULL, NULL, NULL);
// 此时该函数将阻塞直到标准输入或者 sockfd 中有一个可读为止
// 第一个参数是 0 和 sockfd 中的最大值加一
// 第二个参数是 读集, 也就是 sockset
// 第三, 四个参数是写集和异常集, 在本程序中都为空
// 第五个参数是超时时间, 即在指定时间内仍没有可读, 则出错
// 并返回. 当这个参数为NULL 时, 超时时间被设置为无限长.
// 当 select 因为可读返回时, sockset 中包含的只是可读的
// 那些文件描述符.
if ( FD_ISSET( sockfd, &sockset)) {
// FD_ISSET 这个宏判断 sockfd 是否属于可读的文件描述符
从 sockfd 中读入, 输出到标准输出上去.
}
if ( FD_ISSET( 0, &sockset)) {
// FD_ISSET 这个宏判断 sockfd 是否属于可读的文件描述符
从标准输入读入, 输出到 sockfd 中去.
}
重新设置 sockset. (即将 sockset 清空, 并将 sockfd 和 0 加入)
}
下面看 server 的情况:
设置 sockset 如下:
FD_ZERO( sockset);
FD_SET( sockfd, sockset);
for ( 所有有效连接)
FD_SET( userfd[i], sockset);
}
maxfd = 最大的文件描述符号 + 1;
server 处理如下:
while ( 1) {
select( maxfd, &sockset, NULL, NULL, NULL);
if ( FD_ISSET( sockfd, &sockset)) {
// 有新连接
建立新连接, 并将该连接描述符加入到 sockset 中去了.
}
for ( 所有有效连接) {
if ( FD_ISSET ( userfd[i], &sockset)) {
// 该连接中有字符可读
从该连接中读入字符, 并发送到其他有效连接中去.
}
}
重新设置 sockset;
}
由于采用 select 机制, 因此当没有字符可读时, 程序处于阻塞状态,
最小程度的占用CPU 资源, 在同一台机器上执行一个 server 和若干个
client 时, 系统负载只有 0.1 左右, 而采用原来的 fcntl 方法, 只运行
一个 server, 系统负载就可以达到 1.5 左右. 因此我们推荐使用 select.
发布人:netbull 来自:Linux开发指南