套接字基础
- 套接字
- 一、socket
- 二、setsockopt
- 三、bind
- 四、listen
- 五、select
- 六、poll
- 七、epoll
- 一、水平模式(Level-Triggered,LT)
- 二、边沿模式(Edge-Triggered,ET)
套接字
最近学习网络编程的时候,在使用
select
,poll
和epoll
时总容易出错,像什么优缺点啊,形参啥的,翻来覆去的,搞得有点难受,现在总结一下吧,发现如果不总结,后面还是容易出错。
一、socket
除了那三个函数外,容易出错的还有
socket
函数,而且那三个参数都需要都需要使用这个函数,我觉得很有必要总结一下
int socket(int domain, int type, int protocol);
-
参数一
domain
:指定了socket使用的地址族,它决定了socket的地址类型,最近接触的也就是ipv4类型,即
AF_INET
,常见的还有IPv6网络协议的地址族AF_INET6
等 -
参数二
type
:这个参数指定了socket的类型,决定了
通信的性质,主要是数据传输的方式
SOCK_STREAM
:提供顺序、可靠、双向、基于连接的字节流,使用这种类型通常会使用TCP协议
。SOCK_DGRAM
:支持无连接、不可靠的消息传递,消息的最大长度是固定的,使用这种类型通常会使用UDP协议
。
-
参数三
protocol
:这个参数指定了在给定的domain和type的情况下,使用哪种具体的协议。
通常情况下,可以设置为0,表示选择默认的协议
,以下是默认IPPROTO_TCP
:TCP传输协议。IPPROTO_UDP
:UDP传输协议。IPPROTO_SCTP
:SCTP传输协议。
使用示例:
int listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
二、setsockopt
实现端口复用函数,由于函数复杂,manual pages是查询不到的什么有用的东西的,可以在《UNIX系统高级编程》(简称:EPUG)这本书查到,庆幸的是端口复用是固定模板,直接用就行
int setsockopt(int sockfd, int level, int optname,const void optval[.optlen],socklen_t optlen);
使用示例:
int opt = 1;
setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));
三、bind
#include <sys/socket.h>int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr,socklen_t addrlen);
这个函数并不复杂,只需要注意一下几点:
socked
:这个参数填的是监听描述符,也就是socket的返回值,这个函数就是绑定服务器地址
嘛,好让客户端连接,不难理解addr
:因为sockaddr已经被弃用,所有我们一般定义sockaddr_in
这种类型,然后在使用时将sockaddr_in
类型强转为sockaddr
类型addrlen
:就是sizeof(sockaddr_in)
的长度
sockaddr_in
结构体
struct sockaddr_in {sa_family_t sin_family; /* AF_INET */in_port_t sin_port; /* Port number */struct in_addr sin_addr; /* IPv4 address */};
这个结构体也是挺麻烦的,在使用之前我们需要进行初始化,因为我们一般的数据格式是无法在网络中传输了,需要转为特定格式才行,转格式就需要用到下面几个函数,头文件 #include <arpa/inet.h>
这个结构体在使用之前一般还需要清空
方式一:
memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr)); // 清零
方式二:(推荐)
bzero(&server_addr,sizeof(server_addr))
**转IP:**有两种方式,第二种不常用
int inet_pton(int af, const char *restrict src, void *restrict dst); //示例:inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &serverAddr.sin_addr);
inet_pton
这个函数是将IP转为网络格式,
af
:指定地址族,跟socket函数的地址族一致src
:服务器的IP,例如“127.0.0.1”dst
:即sockaddr_in的sin_addr成员server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // INADDR_ANY,电脑自动分配一个可以IP,这个函数不常用
转端口:
server_addr.sin_port = htons(6666); // 端口6666
地址族:
server_addr.sin_family = AF_INET; // IPv4
既然有从本地数据转为网络,自然也有从网络转本地的
转IP:
const char *inet_ntop(int af, const void *restrict src,char dst[restrict .size], socklen_t size); //示例: inet_ntop(AF_INET, &client_addr.sin_addr, buf, sizeof(buf)),
转端口:
ntohs(client_addr.sin_port))
使用示例:
struct sockaddr_in serverAddr;
bzero(&serverAddr, sizeof(serverAddr));
serverAddr.sin_family = AF_INET;
serverAddr.sin_port = htons(6666);
Inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &serverAddr.sin_addr);
Bind(listenfd, (struct sockaddr*)&serverAddr, sizeof(serverAddr));
四、listen
设置监听的最大同时在线数,系统默认128,最大也是128,所有也是固定格式
#include <sys/socket.h>int listen(int sockfd, int backlog);
使用示例:
listen(listenfd, 128);
五、select
优点:跨平台,在window,Linux,MacOS上面都能用
缺点:1024最大文件描述符限制
#include <sys/select.h>
int select(int nfds, fd_set *_Nullable restrict readfds,fd_set *_Nullable restrict writefds,fd_set *_Nullable restrict exceptfds,struct timeval *_Nullable restrict timeout);
//select 函数的返回值表示就绪的文件描述符数量
参数一 nfds
:
表示
参数是最大的文件描述符+1
参数二 ,三,四 readfds
,writefds
,exceptfds
:
这三个都是指向
fd_set
结构的指针,都是传入传出参数
,是检测读就绪状态的文件描述符集合
,select函数会将符合对应条件的文件放在对应的集合中,放置将文件描述符对应的位值置1存在里面,一般我们只使用readfds
,即我们只监听可读的文件描述符,可写目前我还没使用过,异常一般是系统才使用的
参数三:
如果
timeout
设置为NULL
,select
函数将会无限期等待,直到某个文件描述符就绪。如果timeout
的时间设置为0秒0微秒,select
将立即返回,进行一个非阻塞的查询。如果timeout非0
,在指定时间内没有文件描述符就绪,它将返回0;如果函数执行出错,将返回-1,并设置相应的errno
。
使用示例:
count = select(maxfd + 1, &rset, nullptr, nullptr, nullptr);
由于select函数设计的比较好,所有使用是来就略显的复杂,由于select函数只返回符合条件的文件描述符的总数,我们并不知道具体是哪个文件描述符符合,所有我们需要不断的遍历1024次(1024是select所支持的最大文件描述符数量),这样效率看起来就很低,在遍历的过程中我们还需要配合几个函数使用,当然,select也可以通过改变实现方式提高效率,如添加一个数组,等下可以看实现,现在先讲配合select使用的四个函数
fd
是要操作的文件描述符,set
就是集合
void FD_CLR(int fd, fd_set *set); //从集合中删除某文件描述符,即断开连接时使用
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set);//查询某文件描述符是否在集合中
void FD_SET(int fd, fd_set *set);//将某文件描述符添加到集合中
void FD_ZERO(fd_set *set);//将集合清空,全部置0
关于为什么要每次都循环1024次,主要还是怕没检查到位而遗漏某请求,因为每有请求时都需要循环1024次,这样看起来效率就很低,关于为什么select还没有被淘汰,那就是它跨平台,耐打。关于使用数组优化,那就是在每添加一个请求时,将这个请求放入这个数组中,我们在某程度上就能减少循环次数,我们只需要循环 我们给定的数组就行,而不需要每次都遍历全部的连接文件描述符,借鉴于poll函数
完整代码:
/*select实现多路IO转接 */
#include <algorithm>
#include <iostream>
#include "wrap.h"#define IPSERVER "127.0.0.1"
#define PORT 6666int main() {/* Create a client[] array to make up for the problem of selecting looping 1024 times each time */int clientfd, client[FD_SETSIZE], listenfd, maxi, maxfd;char buf[BUFSIZ], str[INET_ADDRSTRLEN];struct sockaddr_in serverAddr, clientAddr;socklen_t clientAddrLen;fd_set rset, allset;listenfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);int opt = 1;setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));bzero(&serverAddr, sizeof(serverAddr));serverAddr.sin_family = AF_INET;Inet_pton(AF_INET, IPSERVER, &serverAddr.sin_addr);serverAddr.sin_port = htons(PORT);Bind(listenfd, (struct sockaddr*)&serverAddr, sizeof(serverAddr));Listen(listenfd, 128);FD_ZERO(&allset);FD_SET(listenfd, &allset);maxfd = listenfd;maxi = -1;for (int i = 0; i < FD_SETSIZE; i++) {client[i] = -1;}int count;clientAddrLen = sizeof(clientAddr);while (true) {rset = allset;count = select(maxfd + 1, &rset, nullptr, nullptr, nullptr);if (FD_ISSET(listenfd, &rset)) {int i;clientfd = Accept(listenfd, (struct sockaddr*)&clientAddr, &clientAddrLen);for (i = 0; i < FD_SETSIZE; i++) {if (client[i] < 0) {client[i] = clientfd;break;}}if (maxi == FD_SETSIZE) {perr_exit("文件描述符已满");continue;}maxi = std::max(i, maxi);maxfd = std::max(clientfd, maxfd);FD_SET(clientfd, &allset);if (count == 1)continue;}for (int i = 0; i <= maxi; i++) {if (FD_ISSET(client[i], &rset)) {int n = Read(client[i], buf, BUFSIZ);if (n == 0) {Close(client[i]);FD_CLR(client[i], &allset);client[i] = -1;}Write(STDOUT_FILENO, buf, n);for (int j = 0; j < n; ++j) {buf[j] = toupper(buf[j]);}Write(client[i], buf, n);}}}return 0;
}
六、poll
poll相比于select函数优点,那就是他能突破1024文件描述符,实现更简单了一点,但它还是没有真正解决多次循环的问题,他的机制select通过添加一个数组就能实现(select添加数组就是参照poll实现的),但效率还是不太行。
#include <poll.h>
int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
//返回值大于0,表示符合条件的总文件描述符数,等于0表示在指定的超时期间内没有任何事件发生,-1表示发生错误,错误原因存储在全局变量 errno 中。
参数一 fds
:
struct pollfd
类型数组的指针,poll会将符合条件的文件描述符添加到里面
参数二 nfds
:
即
fds
结构体的数量,即你要监视的文件描述符的总数struct pollfd {int fd; /* 文件描述符 */short events; /* 关注的事件 */short revents; /* 实际发生的事件,由系统填充 */ };
events
:指明要监听的操作
- POLLIN:监听可读事件
- POLLOUT:监听可写时间
- …具体可以查官方文档,POLLIN比较常用
revents
:一般不需要填写,-1即可
参数三 timeout
:
指定等待事件发生的最大时间(以毫秒为单位)。特殊值有:
-1
:使poll
无限期等待,直到某个事件发生。0
:让poll
立即返回,进行非阻塞的轮询。- 正值:等待指定的毫秒数,如果超时还没有任何事件发生,
poll
将返回。
示例:
struct pollfd client[FD_SETSIZE];
int nready = poll(client, maxi + 1, -1);
完整代码示例:
#include <poll.h>
#include <algorithm>
#include <iostream>
#include "wrap.h"#define IPADDR "127.0.0.1"
#define PORT 6666int main() {int clientfd, listenfd, maxi, n;char buf[BUFSIZ], str[INET_ADDRSTRLEN];struct sockaddr_in serverAddr, clientAddr;socklen_t clientAddrLen;struct pollfd client[FD_SETSIZE];listenfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);int opt = 1;setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));bzero(&serverAddr, sizeof(serverAddr));serverAddr.sin_family = AF_INET;Inet_pton(AF_INET, IPADDR, &serverAddr.sin_addr);serverAddr.sin_port = htons(PORT);Bind(listenfd, (struct sockaddr*)&serverAddr, sizeof(serverAddr));Listen(listenfd, 128);client[0].fd = listenfd;client[0].events = POLLIN;for (int i = 1; i < FD_SETSIZE; i++) {client[i].fd = -1;}while (1) {int nready = poll(client, maxi + 1, -1);if (nready < 0) {perror("poll error");exit(1);}if (client[0].revents & POLLIN) { // New connectionint i;clientAddrLen = sizeof(clientAddr);clientfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)&clientAddr, &clientAddrLen);for (i = 1; i < FD_SETSIZE; i++) {if (client[i].fd < 0) {client[i].fd = clientfd;break;}}if (i == FD_SETSIZE) {printf("Too many clients\n");close(clientfd);continue;}client[i].events = POLLIN;if (i > maxi)maxi = i;if (--nready <= 0)continue;}for (int i = 1; i <= maxi; i++) { // Check all clients for dataif (client[i].fd < 0)continue;if (client[i].revents & (POLLIN | POLLERR)) {n = read(client[i].fd, buf, BUFSIZ);if (n < 0) {perror("read error");close(client[i].fd);client[i].fd = -1;} else if (n == 0) {printf("Client closed connection\n");close(client[i].fd);client[i].fd = -1;} else {write(client[i].fd, buf, n); // Echo backwrite(STDOUT_FILENO, buf, n); // Echo back}}}}return 0;
}
七、epoll
能够直接返回请求的文件描述符,效率高,缺点是不能跨平台,只适用于Linux系统
epoll的使用一共需要三个函数
- int epoll_create(int size);
- int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);
- int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
- epoll_create函数:
创建一个 epoll 实例(创建一个红黑树),并返回一个文件描述符,得到一个句柄
size
:红黑树节点个数,这是个建议值,如果节点数不够系统会自动扩容int epfd = epoll_create(128); //示例
- epoll_ctl函数
控制 epoll 文件描述符上的事件,可以用来添加、修改或删除监视的文件描述符。
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
参数一 epfd
:
epoll_create
返回的 epoll 文件描述符。
参数二 op:
指定操作类型,可以是
EPOLL_CTL_ADD
,EPOLL_CTL_MOD
, 或EPOLL_CTL_DEL
EPOLL_CTL_ADD
: 添加新的文件描述符到 epoll 实例。EPOLL_CTL_MOD
: 修改已存在的文件描述符的监视事件。EPOLL_CTL_DEL
: 从 epoll 实例中删除一个文件描述符。
参数三 fd
:
需要操作的文件描述符。
参数四 event:
指向
epoll_event
结构的指针struct epoll_event {uint32_t events; /* Epoll events */epoll_data_t data; /* User data variable */ };union epoll_data {void *ptr;//用于epoll反应堆int fd;//文件描述符uint32_t u32;//不需要管uint64_t u64;//不需要管 };
- epoll_wait函数
等待事件的发生,与select,poll作用相同
参数一 apfd
:
句柄,即
epoll_create函数的返回值
参数二 events
:
指向
epoll_event
结构数组的指针,用来从内核得到事件集合,epoll会将符合的结构体放入这个数组中,每个结构体都存有对应文件描述符
参数三 maxevents
:
告诉内核这个 events 数组可以处理的最大事件数
参数四 timeout
:
timeout: 等待事件的最长时间(毫秒)。特殊值
-1
表示无限等待,0
表示非阻塞立即返回
//示例:
struct epoll_event temp, client[FD_SETSIZE];
ret = epoll_wait(epfd, client, 128, -1);
完整代码:
#include <sys/epoll.h>
#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>
#include <iostream>
#include "wrap.h"int main() {int listenfd, clientfd;socklen_t clientAddrLen;struct sockaddr_in serverAddr, clientAddr;char buf[BUFSIZ];listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);int opt = 1;setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));bzero(&serverAddr, sizeof(serverAddr));serverAddr.sin_family = AF_INET;serverAddr.sin_port = htons(6666);Inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &serverAddr.sin_addr);Bind(listenfd, (struct sockaddr*)&serverAddr, sizeof(serverAddr));Listen(listenfd, 128);/* 创建红黑树,得到句柄 */int epfd = epoll_create(128);/* temp用于设置单个fd的属性 */struct epoll_event temp, client[FD_SETSIZE];temp.events = EPOLLIN;temp.data.fd = listenfd;epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, listenfd, &temp);int ret, n;clientAddrLen = sizeof(clientAddr);while (true) {ret = epoll_wait(epfd, client, 128, -1);for (int i = 0; i < ret; ++i) {if (listenfd == client[i].data.fd) {clientfd = Accept(listenfd, (struct sockaddr*)&clientAddr, &clientAddrLen);client[i].data.fd = clientfd;temp.events = EPOLLIN;temp.data.fd = clientfd;epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, clientfd, &temp);} else {n = Read(client[i].data.fd, buf, sizeof(buf));if (n == 0) {Close(client[i].data.fd);epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, client[i].data.fd, &temp);} else {Write(STDOUT_FILENO, buf, n);}}}}return 0;
}
一、水平模式(Level-Triggered,LT)
epoll默认情况下使用水平模式,即如果缓冲区中的数据没有读取完,那么这些数据还会返回epoll,即被epoll捕获
二、边沿模式(Edge-Triggered,ET)
边沿模式一般用于我们
不需要读取全部数据的场景
,为即便数据没有读取完,也不会再被触发epoll捕获,剩余的数据由我们自行处理,该抛弃抛弃,该干嘛干嘛
从**水平模式转为边沿模式,**只需要或上EPOLLET
#include <sys/epoll.h>int epfd = epoll_create1(0);
if (epfd == -1) {perror("epoll_create1");exit(EXIT_FAILURE);
}struct epoll_event event;
int fd = ...; // 这里 fd 是你需要监控的文件描述符event.events = EPOLLIN | EPOLLET; // 设置为边缘触发模式
event.data.fd = fd;if (epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &event) == -1) {perror("epoll_ctl");exit(EXIT_FAILURE);
}
边沿模式需要配合 无阻塞和忙轮询
,我们的epoll反应堆就是基于边沿模式,无阻塞,忙轮询,回调实现的
// epoll ET
#include <fcntl.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>
#include <iostream>
#include "wrap.h"int main() {int listenfd, clientfd;socklen_t clientAddrLen;struct sockaddr_in serverAddr, clientAddr;char buf[BUFSIZ];listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);int opt = 1;setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));bzero(&serverAddr, sizeof(serverAddr));serverAddr.sin_family = AF_INET;serverAddr.sin_port = htons(6666);Inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &serverAddr.sin_addr);Bind(listenfd, (struct sockaddr*)&serverAddr, sizeof(serverAddr));Listen(listenfd, 128);int epfd = epoll_create(128);struct epoll_event temp, client[FD_SETSIZE];temp.events = EPOLLIN | EPOLLET; // 设置ET模式_ET// temp.events = EPOLLIN;temp.data.fd = listenfd;epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, listenfd, &temp);int ret, n;clientAddrLen = sizeof(clientAddr);while (true) {ret = epoll_wait(epfd, client, 128, -1);for (int i = 0; i < ret; ++i) {if (listenfd == client[i].data.fd) {clientfd = Accept(listenfd, (struct sockaddr*)&clientAddr, &clientAddrLen);// 设置非阻塞int flags = fcntl(clientfd, F_GETFL, -1);flags |= O_NONBLOCK;fcntl(clientfd, F_SETFL, flags);client[i].data.fd = clientfd;temp.events = EPOLLIN;temp.data.fd = clientfd;epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, clientfd, &temp);} else {while (true) {n = read(client[i].data.fd, buf, sizeof(buf));if (n > 0) {write(STDOUT_FILENO, buf, n);} else if (n == -1 && errno == EAGAIN) {break; // 没有更多数据} else if (n == 0) {// 客户端关闭了连接close(client[i].data.fd);epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, client[i].data.fd, NULL);break;} else {// 处理其他错误perror("Read error");close(client[i].data.fd);epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, client[i].data.fd, NULL);break;}}}}}return 0;
}