Linux socket 通信和 select 以及 epoll 函数

金顺祥

1.socket 通信

1.1 大小端转换

• 主机字节序 16 位值  网络字节序 16 位值
  
• 主机字节序 32 位值  网络字节序 32 位值
  

1. #include <arpa/inet.h>
3. // 主机字节序转换为网络字节序
4. uint16_t htons(uint16_t hostshort);    // host to net unsigned short 可用端口转换
5. unit32_t htonl(unit32_t hostlong);     // host to net unsigned int 可用ip地址转换
7. // 网络字节序转换为主机字节序
8. uint16_t ntohs(uint16_t netshort);
9. unit32_t ntohl(unit32_t netlong);

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1.2 IP地址转换

• 主机字节序的字符串IP地址   网络字节序的整形IP地址
  

1. #include <arpa/inet.h>
3. // 主机字节序IP to 网络字节序（大端）IP
4. int inet_pton(int af, const char* src, void* dst);
5. /*  参数:
6.         af: 地址族协议 AF_INET(ipv4), AF_INET6(ipv6)
7.         src: 主机字节序的字符串类型的IP地址，被转换的数据
8.         dst: 传出参数, 存储转换之后的大端的IP地址
9.     返回值: 成功0; 失败-1                */
11. const char *int_ntop(int af, const void *src, char *dst, socklen_t size);
12. /*  参数:
13.         af: 地址族协议 AF_INET; AF_INET6
14.         src: 传入参数, 要被转换的数据指针, 指向内存中存储的大端IP地址（整形数）
15.         dst: 传出参数, 指针指向主机字节序, 字符串类型的IP地址
16.         size: dst指向的内存的大小
17.     返回值:
18.         成功: 返回指向 dst 指针指向的内存
19.         失败: NULL                          */

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1.3 套接字相关函数

1.3.1 socket 创建

1. #include <arpa/inet.h>  // 该头文件包括了 <sys/socket.h>
3. int socket(int domain, int type, int protocol);
4. /* 参数:
5.         domain: AF_INET; AF_INET6
6.         type:
7.             SOCK_STREAM: 流式传输协议 TCP
8.             SOCK_DGRAM: 报式传输协议 UDP
9.         protocol: 默认写0
10.             流式传输默认 TCP
11.             报式传输默认 UDP
12.     返回值:
13.         成功: 返回文件描述符
14.         失败: 返回-1                      */

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1.3.2 bind 绑定套接字

　　将监听的套接字和本地IP和端口进行关联

1. int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
2. /*  参数:
3.         sockfd: 用于监听的套接字, 通过socket创建
4.         addr: 将本地ip和端口初始化给该结构体（需要用大端）
5.             绑定的时候服务器一般ip使用宏 INADDR_ANY (0)
6.             0 表示绑定该主机的所有ip地址, 多个网卡可能有多个ip
7.         addrlen: 记录第二个指针指向内存的大小, sizeof(struct sockaddr)
8.     返回值:
9.         成功0, 失败-1                       */

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1.3.3 listen 监听套接字

　　给监听的套接字设置监听，开始检测客户端链接

1. int listen(int sockfd, int backlog);
2. /*  参数:
3.         sockfd: 监听的套接字, 设置监听前需要先绑定
4.         backlog: 可以同时检测的新的连接个数, 最大值128
5.     返回值:
6.         成功0, 失败-1                */

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1.3.4 accept 接收客户端连接

　　等待并接受客户端的连接，阻塞函数，没有客户端连接就阻塞，监听的文件描述符缓冲区没有数据就阻塞，有数据就解除阻塞建立连接，连接建立成功后，返回一个通信用的文件描述符

1. int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
2. /*  参数:
3.         sockfd: 监听的文件描述符
4.         addr: 传出参数, 保存了建立连接的客户端的地址信息(ip 端口) -> 大端存储
5.             不需要客户端信息则填NULL
6.         addrlen: 传入传出参数, 传入addr指针指向的内存大小, 传出存储了客户端信息的addr内存大小
7.             addr为NULL，则该参数也填NULL                    
8.     返回值:
9.         文件描述符或-1                           */

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1.3.5 read、recv 读数据

　　读取数据，如果数据区空会读堵塞

1. ssize_t read(int sockfd, void *buf, size_t size);
2. ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t size, int flags);
3. /*  参数:
4.         sockfd: 通信文件描述符
5.             服务器端: accept 返回值
6.             客户端: socket 创建得到, connect 初始化连接
7.         buf: 存储接收到的数据, 数据来自文件描述符对应的缓冲区
8.         size: buf 的内存容量
9.         flag: 默认属性0即可
10.     返回值:
11.         >0: 读到的字节数
12.         =0: 对方断开连接
13.         -1: 读异常, 失败                      */

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1.3.6 write、send 写数据

　　发送数据，如果数据区满会写阻塞

1. ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t len);
2. ssize_t send(int fd, const void *buf, size_t len, int flags);
3. /*  参数:
4.         fd: 通信的文件描述符
5.         buf: 要发送的数据缓冲区
6.         len: 缓冲区大小
7.         flags: 使用默认属性0即可             */

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1.3.7 recvfrom / sendto 发送接收

• 报式传输协议发送
  

1. ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags, struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);
2. /*  参数:
3.         sockfd: 通信文件描述符
4.         buf: 一块有效内存地址
5.         len: 参数buf指向的内存地址大小
6.         flags: 默认属性0即可
7.         src_addr: 传出参数, 保存发送端的IP和端口(网络字节序), 不感兴趣可以NULL
8.         addrlen: 传入传出参数, src_addr指针指向内存空间的大小, 如果src_addr为NULL, 则填NULL
9.     返回值:
10.         >0: 接收到的字节数;  -1: 失败                     */

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• 报式传输协议接收
  

1. ssize_t sendto(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags, const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t *addrlen);
2. /*  参数:
3.         sockfd: 通信文件描述符
4.         buf: 待发送的数据地址
5.         len: 参数buf指向的内存地址大小
6.         flags: 默认属性0即可
7.         dest_addr: 传入参数, 接收端的IP和端口信息（网络字节序）
8.         addrlen: 传入参数, src_addr指针指向内存空间的大小
9.     返回值:
10.         >0: 发送的字节数;  -1: 失败                     */

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1.3.8 connect 客户端连接

　　客户端连接服务器

1. int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
2. /*  参数:
3.         sockfd: 通信文件描述符
4.         addr: 连接服务器的ip和端口信息（需要使用大端描述）
5.         addrlen: 参数addr指向的内存大小
6.     返回值:
7.         成功0; 失败-1                   */

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1.4 套接字选项

　　该函数用来设置套接字选项，端口复用、广播、组播等，下面是端口复用的参数解释

1. int setsockopt(int sockfd, int level, int optname, const void *optval, socklen_t optlen);
2. /*  参数
3.         sockfd: 监听的套接字
4.         level: SOL_SOCKET
5.         optname: SO_REUSEPORT
6.         optval: 实际类型int
7.             0 -> 端口不复用
8.             1 -> 端口复用
9.         optlen: optval 指针指向的内存大小 sizeof(int)
10.     返回值
11.         成功0, 失败-1                        */

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2. IO多路复用

2.1 select

• 构造一个文件描述符列表，将要监听的文件描述符添加到该列表中（最大支持1024，线性描述）调用一个函数，监听该表中的文件描述符，知道这些描述符中的一个进行IO操作时，函数返回（该函数为阻塞函数，检测由内核完成）
  
  
  
  • 读集合：检测文件描述符列表的读缓冲区
    
    
    
    • 监听的文件描述符：新客户端连接
      
    • 通信的文件描述符：新数据到达
      
    
    
  
  
• 
  
  
  
  • 写集合：内核检测集合中文件描述符是否可写
    
    
    
    • 通信的文件描述符
      
    
    
  • 异常集合：检测文件描述符是否有异常
    
  
  
• 返回时，告诉进程有哪些描述符需要进行IO操作
  

1. #include <sys/select.h>
2. int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
3. /*  参数:
4.         nfds: 下面三个集合中, 最大文件描述符值 + 1
5.         readfds: 传出传出参数，读集合，检测若干文件描述符的读缓冲区（新连接 / 新数据）
6.         writefds: 传入传出参数，写集合，检测若干文件描述符的写缓冲区（一般都可写，很少用）
7.         execptfds: 传入传出参数，异常集合
8.         timeout: 表示时间段，最长检测多长时间，超过这个时间还在阻塞就解除阻塞
9.             NULL 一直阻塞等待； 0 函数调用后立刻返回
10.     返回值:
11.         >0: 检测完成后，满足条件的总个数
12.         =0: 超时强制返回
13.         - 1: 失败                                            */

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　　timeval 结构体

1. struct timeval {
2.     time_t         tv-sec;
3.     suseconds_t    tv_usec;
4. };

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　　fd_set 文件描述符集合（位操作）操作函数

1. void FD_CLR(int fd, fd_set *set);     // 删除fd
2. int FD_ISSET(int fd, fd_set *set);    // 判断fd是否在集合
3. void FD_SET(int fd, fd_set *set);     // 添加fd
4. void FD_ZERO(fd_set *set);            // 清空fd（初始化）

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2.2 epoll

　　在select/poll时代，服务器进程每次都把这100万个连接告诉操作系统(从用户态复制句柄数据结构到内核态)，让操作系统内核去查询这些套接字上是否有事件发生，轮询完后，再将句柄数据复制到用户态，让服务器应用程序轮询处理已发生的网络事件，这一过程资源消耗较大，因此，select/poll一般只能处理几千的并发连接。
epoll的设计和实现与select完全不同。epoll通过在Linux内核中申请一个简易的文件系统。把原先的select/poll调用分成了3个部分：
1）调用epoll_create()建立一个epoll对象(在epoll文件系统中为这个句柄对象分配资源)
2）调用epoll_ctl向epoll对象中添加这100万个连接的套接字
3）调用epoll_wait收集发生的事件的连接
如此一来，要实现上面说是的场景，只需要在进程启动时建立一个epoll对象，然后在需要的时候向这个epoll对象中添加或者删除连接。同时，epoll_wait的效率也非常高，因为调用epoll_wait时，并没有一股脑的向操作系统复制这100万个连接的句柄数据，内核也不需要去遍历全部的连接。
2.2.1 epoll_create 创建 epoll

1. #include <sys/epoll.h>
2. int epoll_create(int size);
3. /*  参数:
4.         size: 没有实际意义, 大于0即可
5.     返回值:
6.         成功: 返回一个文件描述符
7.                 该文件描述符对应的指针存储了红黑树的根节点
8.         失败: -1                             */

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2.2.2 epoll_ctl 操作epoll

　　实现对 epoll 树上节点的操作（添加、修改、删除节点）

1. int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
2. /* 参数:
3.         epfd: epoll_create() 函数的返回值，找到对应的epoll实例
4.         op:
5.             EPOLL_CTL_ADD: 添加新节点
6.             EPOLL_CTL_MOD: 修改已经添加到树上节点的属性（读改写）
7.             EPOLL_CTL_DEL: 删除节点
8.         fd: 要操作的文件描述符
9.             添加 / 修改 / 删除（监听、通信）
10.         event: 对应的事件（若删除填NULL）
11.             EPOLLIN: 读事件
12.             EPOLLOUT: 写事件                     */

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• epoll_data
  

1. typedef union epoll_data{
2.     void      *ptr;
3.     int        fd;         // 该联合体常用这个
4.     uint32_t   u32;
5.     uint64_t   u64;
6. } epoll_data_t;

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• epoll_event
  
  
  
  • event 是位操作，EPOLLIN 检测写缓冲区，EPOLLOUT 检测读缓冲区
    
  • data.fd 等于 epoll_ctl 函数调用的第三个参数
    
  
  

1. struct epoll_event{
2.     uint32_t    event;    // Epoll events;
3.     epoll_data_t data;    // User data variable
4. };

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2.2.3 epoll_wait

　　阻塞函数，委托内核检测epoll树上文件描述符的状态，如果没有状态变化，默认一直阻塞

1. int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);
2. /*  参数:
3.         epfd: epoll_create() 的返回值, 找到epoll实例
4.         event: 传出参数，记录了这轮检测到epoll模型中有状态变化的文件描述符（结构体数组地址）
5.         maxevent: events数组的容量
6.         timeout: 超时时长 ms（-1一直阻塞; 0立即返回）
7.     返回值:
8.         成功: 有多少文件描述符发生变化                        */

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2.2.4 Level triggered 水平模式（默认）

　　LT（level triggered）是缺省的工作方式，同时支持 block 和 no-block socket。这种模式下，内核会通知文件描述符是否就绪，如果不进行任何操作，内核会一直通知你该文件描述符就绪
2.2.5 Edge triggered 边沿模式

　　ET（edge triggered）是高速工作模式，只支持 no-block socket。这种模式下，如果接到通知，但是没有把数据从缓冲区读完，epoll_wait不会再次通知；直到再次接收到新数据也一样通知一次，但是此时他会接着上次的缓冲区数据读。

1.     struct epoll_event ev;
2.     ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;  // 设置文件描述符为边沿模式
3.     ev.data.fd = lfd;

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　　使用边沿模式读数据需要在收到消息后我们一般需要 while(1) 死循环读取数据直到缓冲区数据读完，所以需要设置文件描述符为非阻塞状态，让read可以非阻塞读取数据，通过 read 的返回值判断是否结束该死循环

1. int fcntl(int fd, int cmd, ...);
3. int flag = fcntl(cfd, F_GETFL);
4. flag = flag | O_NONBLOCK;
5. fcntl(cfd, F_SETFL, flag);    //设置文件描述符为非阻塞, read函数再读取不会阻塞

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　　最后因为这里已经设置为非阻塞，可以根据read的返回值判断是否已经读完缓冲区了，如果读完了会有errno EAGAIN的错误码，根据该错误码跳出循环即可

1. while(1)
2. {
3.     int len = recv(curfd, buf, sizeof(buf), 0);
4.     if(len > 0)
5.         printf("打印接收的数据");
6.     else if( len == 0)
7.         printf("断开连接");
8.     else
9.     {
10.         if(errno==EAGAIN)
11.         {
12.             printf("数据读完了");
13.             break; // 跳出循环
14.         }
15.         perror("接收错误");
16.         exit(0);
17.     }
18. }

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3. 代码示例

3.1 服务器（TCP、epoll）

1. #include <stdio.h>
2. #include <stdlib.h>
3. #include <unistd.h>
4. #include <string.h>
5. #include <arpa/inet.h>
6. #include <sys/epoll.h>
8. int main()
9. {
10.     // 1. 创建套接字
11.     int lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
12.     if(lfd == -1)
13.     {
14.         perror("socket error");
15.         exit(1);
16.     }
18.     // 2.将 套接字 和 ip端口 绑定
19.     struct sockaddr_in addr;
20.     addr.sin_family = AF_INET;  // ipv4
21.     addr.sin_addr.s_addr= INADDR_ANY;   // 0地址（本地任意地址）
22.     addr.sin_port = htons(8989);    // 端口转为大端
23.     int ret = bind(lfd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));
24.     if(ret == -1)
25.     {
26.         perror("bind error");
27.         exit(2);
28.     }
30.     // 3.设置监听
31.     ret = listen(lfd, 128);
32.     if(ret == -1)
33.     {
34.         perror("listen error");
35.         exit(3);
36.     }
38.     // 4.初始化检测的集合
39.     int epfd = epoll_create(1);
40.     if(epfd == -1)
41.     {
42.         perror("epoll_create error");
43.         exit(4);
44.     }
46.     // 5.将要检测的节点添加到epoll树中
47.     struct epoll_event ev;
48.     ev.events = EPOLLIN;
49.     ev.data.fd = lfd;
50.     ret = epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, lfd, &ev);
51.     if(ret == -1)
52.     {
53.         perror("epoll_ctl");
54.         exit(5);
55.     }
57.     // 6.委托内核检测epoll树中的文件描述符状态
58.     struct epoll_event evs[1024];
59.     int size = sizeof(evs) / sizeof(evs[0]);
60.     while(1)
61.     {
62.         int num = epoll_wait(epfd, evs, size, -1);  // 把文件描述符发生变化的储存到 evs 数组中
63.         printf("num = %d\n", num);
64.         // 遍历evs数组
65.         for(int i=0; i<num; i++)
66.         {
67.             int curfd = evs[i].data.fd;
68.             if(curfd == lfd)    // lfd 套接字状态改变说明有新链接请求
69.             {
70.                 int cfd = accept(lfd, NULL, NULL);
71.                 ev.events = EPOLLIN;
72.                 ev.data.fd = cfd;
73.                 epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, cfd, &ev);   // 把新的链接加入到epoll树中
74.             }
75.             else    // 其他套接字状态改变说明有新数据抵达
76.             {
77.                 char buf[1024];
78.                 memset(buf, 0, sizeof(buf));
79.                 int len = recv(curfd, buf, sizeof(buf), 0);
80.                 if(len == 0)
81.                 {
82.                     printf("客户端断开了链接...\n");
83.                     epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, curfd, NULL);
84.                     close(curfd);
85.                 }
86.                 else if(len>0)
87.                 {
88.                     printf("recv data: %s\n");
89.                     send(curfd, buf, len, 0);
90.                 }
91.                 else
92.                 {
93.                     perror("recv error");
94.                     exit(6);
95.                 }
96.             }
97.         }
98.     }
99. }

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3.2 服务器UDP

• UDP服务器需要创建套接字、绑定端口、接收数据、根据接收数据的客户端发送数据
  

1. #include <stdio.h>
2. #include <stdlib.h>
3. #include <unistd.h>
4. #include <string.h>
5. #include <arpa/inet.h>
7. int main()
8. {
9.     // 1.创建通信套接字
10.     int fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
11.     if(fd==-1)
12.     {
13.         perror("socket");
14.         exit(0);
15.     }
16.     // 2.接收数据需要绑定固定的端口
17.     struct sockaddr_in addr;
18.     addr.sin_family = AF_INET;
19.     addr.sin_port = htons(8989);
20.     addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
21.     int ret = bind(fd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));
22.     if(ret==-1)
23.     {
24.         perror("bind");
25.         exit(0);
26.     }
27.     // 通信
28.     char ip[24];
29.     char buf[1024];
30.     struct sockaddr_in cliaddr;
31.     int clilen = sizeof(cliaddr);
32.     while(1)
33.     {
34.         // 3.接收数据
35.         int len = recvfrom(fd, buf, sizeof(buf), 0, (struct sockaddr*)&cliaddr, &clilen); // 把发送端数据保存在cliaddr中
36.         if(len==-1)
37.         {
38.             break;
39.         }
40.         printf("client ip: %s, port: %d\n",
41.                 inet_ntop(AF_INET, &cliaddr.sin_addr.s_addr, ip, sizeof(ip)),
42.                 ntohs(cliaddr.sin_port));   // 打印发送端ip和port
43.         printf("client say: %s\n", buf);    // 打印发送端发送的内容
45.         // 4.回复数据
46.         sendto(fd, buf, strlen(buf)+1, 0, (struct sockaddr*)&cliaddr, clilen);
47.     }
48.     close(fd);
49.     return 0;
50. }

复制代码

3.3 客户端UDP

• UDP客户端相对于服务器端减少了手动绑定ip端口的步骤
  

1. #include <stdio.h>
2. #include <stdlib.h>
3. #include <unistd.h>
4. #include <string.h>
5. #include <arpa/inet.h>
7. int main()
8. {
9.     // 1.创建通信套接字
10.     int fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
11.     if(fd==-1)
12.     {
13.         perror("socket");
14.         exit(0);
15.     }
16.     // 服务器地址
17.     struct sockaddr_in serveraddr;
18.     serveraddr.sin_family = AF_INET;
19.     serveraddr.sin_port = htons(8989);
20.     inet_pton(AF_INET, "10.0.2.15", &serveraddr.sin_addr.s_addr);
21.     // 通信
22.     char ip[24];
23.     char buf[1024];
24.     int num=0;
25.     while(1)
26.     {   
27.         // 2.发送数据
28.         sprintf(buf, "Hello World!, %d\n", num++);
29.         sendto(fd, buf, strlen(buf)+1, 0, (struct sockaddr*)&serveraddr, sizeof(serveraddr));
31.         // 3.接收数据
32.         memset(buf, 0, sizeof(buf));
33.         int len = recvfrom(fd, buf, sizeof(buf), 0, NULL, NULL); // 把发送端数据保存在cliaddr中
34.         if(len==-1)
35.         {
36.             break;
37.         }
38.         printf("client say: %s\n", buf);    // 打印发送端发送的内容
39.     }
40.     close(fd);
41.     return 0;
42. }

复制代码

 

来源:https://www.cnblogs.com/stux/p/17816974.html
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