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Linux C/C++之IO多路复用(select)

2024-10-14 543
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简介： 这篇文章主要介绍了TCP的三次握手和四次挥手过程，TCP与UDP的区别，以及如何使用select函数实现IO多路复用，包括服务器监听多个客户端连接和简单聊天室场景的应用示例。

1. TCP的连接与断开

1.1 创建连接过程(三次握手)

  1. 客户端向服务器发送连接请求SYN
  2. 服务器接收到连接请求SYN后, 向客户端发送收到指令ACK和连接请求SYN
  3. 客户端收到服务器发送的ACK和SYN后向服务器发送收到指令ACK

1.2 断开连接过程(四次挥手)

  1. 客户端向服务器发送断开请求FIN
  2. 服务器接收到客户端发送的断开请求FIN后向客户端发送收到指令ACK
  3. 服务器检查是否还有没有收发完的数据, 如果数据已经收发完毕, 服务器向客户端发送断开请求FIN
  4. 客户端接收到服务器发来的断开请求后, 检查是否还有没有接收完的数据,如果没有就向服务器发送收到指令ACK

2. TCP与UDP的区别

  1. TCP有连接, UDP没有连接
  2. TCP是数据流, UDP是数据报文
  3. TCP收发数据相对慢, UDP收发数据相对快(局域网内传输数据用UDP相对较好,它可以极大限度地利用带宽)
  4. TCP安全,稳定,可靠;UDP不安全,不稳定,不可靠(安全: 数据相对不容易被窃取 稳定: 几乎没有传输速率的变化 可靠: 一定能收到数据)
  5. TCP有序(先发送的数据先到, 后发送的数据后到), 数据有边界;UDP无序(可能后发送的数据会先到),数据无边界

3. IO多路复用之select

3.1 select函数

//select函数原型
//监视放在里面的描述符号,有反应返回1, 没有反应返回-1
int select(int nfds,                  //描述符号数量,最大描述符号数加一
           fd_set *readfds,           //描述符号集合(读取)   
           fd_set *writefds,          //描述符号集合(写入)
           fd_set *exceptfds,         //描述符号集合(异常)
           struct timeval *timeout);  //延时


void FD_CLR(int fd,fd_set *set);   //将fd从set中删除
int  FD_ISSET(int fd,fd_set *set); //判断fd是否在set中(是返回非0,否返回0)
void FD_SET(int fd,fd_set *set);   //将fd添加到set中
void FD_ZERO(fd_set *set);         //将set置为0(清空)

3.2 select函数实现监视标准输入 0

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/select.h>
#include <fcntl.h>

int main(){

    fd_set fds; //描述符号集合

    FD_ZERO(&fds);  //置零
    FD_SET(0,&fds); //将标准输入设备 0 添加到描述符号集合

    int r;
    char buff[1024] = {0};
    while(1){
        //使用一次阻塞替代多次阻塞
        r = select(1,&fds,NULL,NULL,NULL);
        if(r > 0){
            printf("%d有动静!\n",r);
            scanf("%s",buff);
            printf("接收到了:%s\n",buff);
        }
    }

    return 0;
}

3.3 select函数实现服务器连接多个客户端

服务器(server)端

//服务器端
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>        
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>
#include <signal.h>
#include <sys/select.h>
#include <fcntl.h>

//最多允许的客户端数量
#define NUM 100

int serverSocket,clientSocket[NUM];
int currentNum = 0;      //当前客户端数量

void hand(int val){
    //7. 关闭连接
    for(int i = 0;i < NUM; i++){
        if(-1 != clientSocket[i])
            close(clientSocket[i]);
    }
    close(serverSocket);
    printf("bye bye!\n");
    exit(0);
}
int main(int argc,char* argv[]){
    if(argc != 3) printf("请输入ip地址和端口号!\n"),exit(0);
    printf("ip: %s     port:%d\n",argv[1],atoi(argv[2]));

    signal(SIGINT,hand);

    //1. 创建socket 参数一: 协议类型(版本) 参数二: 通信媒介 参数三: 保护方式
    serverSocket = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    if(-1 == serverSocket) printf("创建socket失败:%m\n"),exit(-1);
    printf("创建socket成功!\n");

    //2. 创建服务器协议地址簇
    struct sockaddr_in sAddr = { 0 };
    sAddr.sin_family = AF_INET;        //协议类型 和socket函数第一个参数一致
    sAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);  //将字符串转整数
    sAddr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));    //将字符串转整数,再将小端转换成大端

    //3. 绑定服务器协议地址簇
    int r = bind(serverSocket,(struct sockaddr*)&sAddr,sizeof sAddr);
    if(-1 == r) printf("绑定失败:%m\n"),close(serverSocket),exit(-2);
    printf("绑定成功!\n");

    //4. 监听  
    r = listen(serverSocket,10);   //数量
    if(-1 == r) printf("监听失败:%m\n"),close(serverSocket),exit(-3);
    printf("监听成功!\n");


    //初始化客户端描述符号数组
    for (int i = 0; i < NUM; ++i){
        clientSocket[i] = -1;
    }

    //开始监视
    //不仅需要监视serverSocket还要监视每一个返回回来的clientSocket
    fd_set fds;

    int maxFd;       //最大描述符号
    struct sockaddr_in cAddr = {0};
    int len = sizeof(cAddr);
    int cfd;

    char buff[1024] = {0};

    maxFd = 0;
    maxFd = ((maxFd > serverSocket) ? maxFd : serverSocket);

    while(1){

        FD_ZERO(&fds);   //清空

        FD_SET(serverSocket,&fds);    //将服务器socketFd放到监视集合之中

        //将客户端socketFd放到监视集合之中
        for (int i = 0; i < NUM; ++i){
            if(-1 != clientSocket[i]){
                FD_SET(clientSocket[i],&fds);
            }
        }

        //开始监视
        r = select(maxFd+1,&fds,NULL,NULL,NULL);
        if(-1 == r)
            printf("服务器崩溃:%m\n"),close(serverSocket),exit(-1);
        else if(0 == r){
            printf("服务器处于等待状态!\n");
            continue;
        }else{
            //检查是不是serverSocket的动静
            if(FD_ISSET(serverSocket,&fds)){
                cfd = accept(serverSocket,NULL,NULL);
                if(-1 == cfd){
                    printf("客户端连接失败!\n");
                }else{
                    printf("有客户端连接上服务器了:%d\n",cfd);

                    //保存客户端描述符号
                    for (int i = 0; i < NUM; ++i){
                        if(-1 == clientSocket[i]){
                            clientSocket[i] = cfd;
                            maxFd = ((maxFd > cfd) ? maxFd : cfd);
                            break;
                        }
                    }
                }
            }
        }

        //检查客户端是否有动静
        for (int i = 0; i < NUM; ++i){
            if(-1 != clientSocket[i] && FD_ISSET(clientSocket[i],&fds)){
                r = recv(clientSocket[i],buff,1023,0);
                if(r > 0){
                    buff[r] = 0;
                    printf("%d >> %s\n",clientSocket[i], buff);
                }else{
                    printf("客户端: %d 已经断开连接了\n",clientSocket[i]);
                    clientSocket[i] = -1;
                }
            }
        }
    }

    return 0;
}

客户(Client)端

//客户端
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>        
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>
#include <signal.h>

int clientSocket;
void hand(int val){
    //5. 关闭连接
    close(clientSocket);
    printf("bye bye!\n");
    exit(0);
}
int main(int argc,char* argv[]){
    if(argc != 3) printf("请输入ip地址和端口号!\n"),exit(0);
    printf("ip: %s     port:%d\n",argv[1],atoi(argv[2]));

    signal(SIGINT,hand);

    //1. 创建socket 参数一: 协议类型(版本) 参数二: 通信媒介 参数三: 保护方式
    clientSocket = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    if(-1 == clientSocket) printf("创建socket失败:%m\n"),exit(-1);
    printf("创建socket成功!\n");

    //2. 创建服务器协议地址簇
    struct sockaddr_in cAddr = { 0 };
    cAddr.sin_family = AF_INET;
    cAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);  //将字符串转整数
    cAddr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));    //将字符串转整数,再将小端转换成大端

    //3.连接服务器
    int r = connect(clientSocket,(struct sockaddr*)&cAddr,sizeof cAddr);
    if(-1 == r) printf("连接服务器失败:%m\n"),close(clientSocket),exit(-2);
    printf("连接服务器成功!\n");


    //4. 通信
    char buff[256] = {0};
    while(1){
        printf("你想要发送:");
        scanf("%s",buff);
        send(clientSocket,buff,strlen(buff),0);
    }

    return 0;
}

3.4 select函数实现简单聊天室

服务器(Server)端

//服务器端
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>        
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>
#include <signal.h>
#include <sys/select.h>
#include <fcntl.h>

//最多允许的客户端数量
#define NUM 100

int serverSocket,clientSocket[NUM];
int currentNum = 0;      //当前客户端数量

void hand(int val){
    //7. 关闭连接
    for(int i = 0;i < NUM; i++){
        if(-1 != clientSocket[i])
            close(clientSocket[i]);
    }
    close(serverSocket);
    printf("bye bye!\n");
    exit(0);
}

int main(int argc,char* argv[]){
    if(argc != 3) printf("请输入ip地址和端口号!\n"),exit(0);
    printf("ip: %s     port:%d\n",argv[1],atoi(argv[2]));

    signal(SIGINT,hand);

    //1. 创建socket 参数一: 协议类型(版本) 参数二: 通信媒介 参数三: 保护方式
    serverSocket = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    if(-1 == serverSocket) printf("创建socket失败:%m\n"),exit(-1);
    printf("创建socket成功!\n");

    //2. 创建服务器协议地址簇
    struct sockaddr_in sAddr = { 0 };
    sAddr.sin_family = AF_INET;        //协议类型 和socket函数第一个参数一致
    sAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);  //将字符串转整数
    sAddr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));    //将字符串转整数,再将小端转换成大端

    //3. 绑定服务器协议地址簇
    int r = bind(serverSocket,(struct sockaddr*)&sAddr,sizeof sAddr);
    if(-1 == r) printf("绑定失败:%m\n"),close(serverSocket),exit(-2);
    printf("绑定成功!\n");

    //4. 监听  
    r = listen(serverSocket,10);   //数量
    if(-1 == r) printf("监听失败:%m\n"),close(serverSocket),exit(-3);
    printf("监听成功!\n");


    //初始化客户端描述符号数组
    for (int i = 0; i < NUM; ++i){
        clientSocket[i] = -1;
    }
    //开始监视
    //不仅需要监视serverSocket还要监视每一个返回回来的clientSocket
    fd_set fds;

    int maxFd;       //最大描述符号
    struct sockaddr_in cAddr = {0};
    int len = sizeof(cAddr);
    int cfd;

    char buff[1024] = {0};

    maxFd = 0;
    maxFd = ((maxFd > serverSocket) ? maxFd : serverSocket);

    while(1){
        FD_ZERO(&fds);   //清空监视集合

        FD_SET(serverSocket,&fds);    //将服务器socketFd放到监视集合之中

        //将客户端socketFd放到监视集合之中
        for (int i = 0; i < NUM; ++i){
            if(-1 != clientSocket[i]){
                FD_SET(clientSocket[i],&fds);
            }
        }

        //开始监视
        r = select(maxFd+1,&fds,NULL,NULL,NULL);
        if(-1 == r)
            printf("服务器崩溃:%m\n"),close(serverSocket),exit(-1);
        else if(0 == r){
            printf("服务器处于等待状态!\n");
            continue;
        }else{
            //检查是不是serverSocket的动静
            if(FD_ISSET(serverSocket,&fds)){
                cfd = accept(serverSocket,NULL,NULL);
                if(-1 == cfd){
                    printf("客户端连接失败!\n");
                }else{
                    printf("有客户端连接上服务器了:%d\n",cfd);

                    //保存客户端描述符号
                    for (int i = 0; i < NUM; ++i){
                        if(-1 == clientSocket[i]){
                            clientSocket[i] = cfd;
                            maxFd = ((maxFd > cfd) ? maxFd : cfd);
                            break;
                        }
                    }
                }
            }
        }
        //检查客户端是否有动静
        for (int i = 0; i < NUM; ++i){
            if(-1 != clientSocket[i] && FD_ISSET(clientSocket[i],&fds)){
                r = recv(clientSocket[i],buff,1023,0);
                if(r > 0){
                    buff[r] = 0;
                    printf("%d >> %s\n",clientSocket[i], buff);

                    //服务器将数据转发给每一个在线的客户端(除了发消息给服务器的客户端)
                    char tBuff[2048];
                    sprintf(tBuff,"来自%d客户端发给服务器的消息:%s",clientSocket[i],buff);
                    for(int j = 0; j < NUM; j++){
                        if(-1 != clientSocket[j] && clientSocket[i] != clientSocket[j]){
                            send(clientSocket[j],tBuff,strlen(tBuff),0);
                        }
                    }
                }else{
                    printf("客户端: %d 已经断开连接了\n",clientSocket[i]);
                    clientSocket[i] = -1;
                }
            }
        }
    }

    return 0;
}

客户(Client)端

//客户端
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>        
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>
#include <signal.h>

int clientSocket;
void hand(int val){
    //5. 关闭连接
    close(clientSocket);
    printf("bye bye!\n");
    exit(0);
}
int main(int argc,char* argv[]){
    if(argc != 3) printf("请输入ip地址和端口号!\n"),exit(0);
    printf("ip: %s     port:%d\n",argv[1],atoi(argv[2]));

    signal(SIGINT,hand);

    //1. 创建socket 参数一: 协议类型(版本) 参数二: 通信媒介 参数三: 保护方式
    clientSocket = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    if(-1 == clientSocket) printf("创建socket失败:%m\n"),exit(-1);
    printf("创建socket成功!\n");

    //2. 创建服务器协议地址簇
    struct sockaddr_in cAddr = { 0 };
    cAddr.sin_family = AF_INET;
    cAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);  //将字符串转整数
    cAddr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));    //将字符串转整数,再将小端转换成大端

    //3.连接服务器
    int r = connect(clientSocket,(struct sockaddr*)&cAddr,sizeof cAddr);
    if(-1 == r) printf("连接服务器失败:%m\n"),close(clientSocket),exit(-2);
    printf("连接服务器成功!\n");


    //开始监视
    //不仅要监视标准输入设备, 还要监视clientSocket服务器是否发送数据
    fd_set fds;

    int maxFd = clientSocket > 0 ? clientSocket : 0;
    char buff[2048] = {0};
    while(1){
        //清空集合
        FD_ZERO(&fds);
        //将标准输入输出放入到集合中
        FD_SET(0,&fds);
        //将clientSocket放入到监视集合中
        FD_SET(clientSocket,&fds);

        //开始监视
        r = select(maxFd + 1, &fds, NULL,NULL,NULL);
        if(-1 == r)
            printf("客户端崩溃:%m\n"),close(clientSocket),exit(-1);
        else if(0 == r){
            printf("客户端处于等待状态!\n");
            continue;
        }else{
            memset(buff,0,2048);
            //如果 0 有动静就向服务器发消息
            if(FD_ISSET(0,&fds)){
                scanf("%s",buff);
                send(clientSocket,buff,strlen(buff),0);
                continue;
            }
            //如果 clientSocket有动静就接收服务器发来的消息
            if(FD_ISSET(clientSocket,&fds) && -1 != clientSocket){
                memset(buff,0,2048);
                printf("服务器发来了客户端的消息!\n");
                r = recv(clientSocket,buff,2047,0);
                if(r > 0){
                    buff[r] = 0;
                    printf("服务器发来消息 >> %s\n",buff);
                }
            }
        }
    }

    return 0;
}

文章标签：
容器服务Kubernetes版
网络协议
C++
Linux
安全
关键词：
io复用select
C++ io复用
C++复用
Linux复用select
Linux io复用select
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【Linux】进程IO|系统调用|open|write|文件描述符fd|封装|理解一切皆文件
本文详细介绍了Linux中的进程IO与系统调用，包括 `open`、`write`、`read`和 `close`函数及其用法，解释了文件描述符（fd）的概念，并深入探讨了Linux中的“一切皆文件”思想。这种设计极大地简化了系统编程，使得处理不同类型的IO设备变得更加一致和简单。通过本文的学习，您应该能够更好地理解和应用Linux中的进程IO操作，提高系统编程的效率和能力。
蓝易云
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hahaha无
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Linux C语言 网络架构
Linux的基础IO内容补充-FILE
而当我们将运行结果重定向到log.txt文件时，数据的刷新策略就变为了全缓冲，此时我们使用printf和fwrite函数打印的数据都打印到了C语言自带的缓冲区当中，之后当我们使用fork函数创建子进程时，由于进程间具有独立性，而之后当父进程或是子进程对要刷新缓冲区内容时，本质就是对父子进程共享的数据进行了修改，此时就需要对数据进行写时拷贝，至此缓冲区当中的数据就变成了两份，一份父进程的，一份子进程的，所以重定向到log.txt文件当中printf和fwrite函数打印的数据就有两份。此时我们就可以知道，
hahaha无
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hahaha无
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存储 Linux Shell
Linux的基础IO
那么，这里我们温习一下操作系统的概念我们在Linux平台下运行C代码时，C库函数就是对Linux系统调用接口进行的封装，在Windows平台下运行C代码时，C库函数就是对Windows系统调用接口进行的封装，这样做使得语言有了跨平台性，也方便进行二次开发。这就是因为在根本上操作系统确实像银行一样，并不完全信任用户程序，因为直接开放底层资源（如内存、磁盘、硬件访问权限）给用户程序会带来巨大的风险。所以就向银行一样他的服务是由工作人员隔着一层玻璃，然后对顾客进行服务的。
hahaha无
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蓝易云
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Linux API C语言
Linux基础IO
Linux基础IO操作是系统管理和开发的基本技能。通过掌握文件描述符、重定向与管道、性能分析工具、文件系统操作以及网络IO命令等内容，可以更高效地进行系统操作和脚本编写。希望本文提供的知识和示例能帮助读者更深入地理解和运用Linux IO操作。
蓝易云
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平凡程序猿~
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编译器 C++ 开发者
【C++篇】深度解析类与对象（下）
在上一篇博客中，我们学习了C++的基础类与对象概念，包括类的定义、对象的使用和构造函数的作用。在这一篇，我们将深入探讨C++类的一些重要特性，如构造函数的高级用法、类型转换、static成员、友元、内部类、匿名对象，以及对象拷贝优化等。这些内容可以帮助你更好地理解和应用面向对象编程的核心理念，提升代码的健壮性、灵活性和可维护性。
平凡程序猿~
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ephemerals__
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编译器 C++ 容器
【c++11】c++11新特性（上）（列表初始化、右值引用和移动语义、类的新默认成员函数、lambda表达式）
C++11为C++带来了革命性变化，引入了列表初始化、右值引用、移动语义、类的新默认成员函数和lambda表达式等特性。列表初始化统一了对象初始化方式，initializer_list简化了容器多元素初始化；右值引用和移动语义优化了资源管理，减少拷贝开销；类新增移动构造和移动赋值函数提升性能；lambda表达式提供匿名函数对象，增强代码简洁性和灵活性。这些特性共同推动了现代C++编程的发展，提升了开发效率与程序性能。
ephemerals__
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羑悻的小杀马特
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编译器 C语言 C++
类和对象的简述（c++篇）
类和对象的简述（c++篇）
羑悻的小杀马特
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hahaha无
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人工智能 机器人 编译器
c++模板初阶----函数模板与类模板
class 类模板名private://类内成员声明class Apublic:A(T val):a(val){}private:T a;return 0;运行结果：注意：类模板中的成员函数若是放在类外定义时，需要加模板参数列表。return 0;
hahaha无
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