TCP/IP网络编程 第十五章:套接字和标准I/O

标准I/O函数的优点

标准I/O函数的两个优点

将标准I/O函数用于数据通信并非难事。但仅掌握函数使用方法并没有太大意义，至少应该
了解这些函数具有的优点。下面列出的是标准I/O函数的两大优点:
□标准I/O函数具有良好的移植性(Portability)
□标准I/O函数可以利用缓冲提高性能。
关于移植性无需过多解释。不仅是IO函数，所有标准函数具有良好的移植性。因为，为了支持所有操作系统（编译器），这些函数都是按照ANSI C标准定义的。当然，这并不局限于网络编程，而是适用于所有编程领域。
接下来讨论标准I/O函数的第二个优点。使用标准IO函数时会得到额外的缓冲支持。这种表达方式也许会带来一些混乱，因为之前讲过，创建套接字时操作系统会准备I/O缓冲。造成更大混乱之前，先说明这两种缓冲之间的关系。创建套接字时，操作系统将生成用于I/O的缓冲。此缓冲在执行TCP协议时发挥着非常重要的作用。此时若使用标准IO函数，将得到额外的另一缓冲的支持。大概意思如下图所示:

 从图中可以看到，使用标准I/O函数传输数据时，经过两个缓冲。例如，通过fputs函数传输字符串“Hello”时，首先将数据传递到标准IO函数的缓冲。然后数据将移动到套接字输出缓冲，最后将字符串发送到对方主机。
既然知道了两个缓冲的关系，接下来再说明各自的用途。设置缓冲的主要目的是为了提高性能，但套接字中的缓冲主要是为了实现TCP协议而设立的。例如，TCP传输中丢失数据时将再次传递
，而再次发送数据则意味着在某地保存了数据。存在什么地方呢？套接字的输出缓冲。与之
相反，使用标准IO函数缓冲的主要目的是为提高性能，但是实际上，缓冲并非在所有情况下都能带来卓越的性能。但需要传输的数据越多，有无缓冲带来的性能差异越大。可以通过如下两种角度说明性能的提高。
□传输的数据量
□数据向输出缓冲移动的次数
比较1个字节的数据发送10次(10个数据包）的情况和累计10个字节发送1次的情况。发送数据时使用的数据包中含有头信息(首部)。头信息与数据大小无关，是按照一定的格式填入的。即使假设该头信息占用40个字节（实际更大），需要传递的数据量也存在较大差别。
□1个字节10次40×10=400字节
□10个字节1次40x1=40字节
另外，为了发送数据，向套接字输出缓冲移动数据也会消耗不少时间。但这同样与移动次数
有关。1个字节数据共移动10次花费的时间将近10个字节数据移动1次花费时间的10倍。

标准I/O函数的几个缺点

如果就此结束说明，各位可能认为标准I/O函数只有优点。其实它同样有缺点，整理如下。
□不容易进行双向通信。
□有时可能频繁调用fflush函数。(用以刷新缓冲区)
□需要以FILE结构体指针的形式返回文件描述符。
假设各位已掌握了C语言中的绝大部分文件IO相关知识。打开文件时，如果希望同时进行读写操作，则应以r+、w+、a+模式打开。但因为缓冲的缘故，每次切换读写工作状态时应调用fflush函数。这也会影响基于缓冲的性能提高。而且，为了使用标准IO函数，需要FILE结构体指针（以下简称“FILE指针”)。而创建套接字时默认返回文件描述符，因此需要将文件描述符转化为FILE指针。

使用标准I/O函数

如前所述，创建套接字时返回文件描述符，而为了使用标准IO函数，只能将其转换为FILE
结构体指针。先介绍其转换方法。

利用fdopen函数转换为FILE结构体指针

可以通过fdopen函数将创建套接字时返回的文件描述符转换为标准IO函数中使用的FILE结
构体指针。

#include<stdio.h>
FILE * fdopen(int fildes, const char * mode);
//成功时返回转换的FILE结构体指针，失败时返回NULL。
     fildes     //需要转换的文件描述符。
     mode       //将要创建的FILE结构体指针的模式（mode）信息。

上述函数的第二个参数与fopen函数中的打开模式相同。常用的参数有读模式"r"和写模式"w"。

利用fileno函数转化为文件描述符

接下来介绍与fdopen函数提供功能相反的函数，该函数在有些情况下非常好用。

#include<stdio.h>
int fileno(FILE * stream);//成功时返回转化后的文件描述符，失败时返回-1

此函数的用法也非常简单，向该函数传递FILE指针参数时返回相应文件描述符。

基于套接字的标准I/O函数使用
 

前面介绍了标准IO函数的优缺点，同时介绍了文件描述符转换为FILE指针的方法。下面将其适用于套接字。虽然是套接字操作，但并没有需要另外说明的内容，只需简单应用这些函数。接下来将之前的回声服务器端和客户端改为基于标准IO函数的数据交换形式。
无论是服务器端还是客户喘，更改方式并无差异。只需调用fdopen函数并使用标准IO函数，
相信各位也能自行更改。首先给出更改后的服务器端代码。

#include<"头文件声明和之前章节中的回声服务端相同，故省略">
#define BUF_SIZE 30
void error_handling(char *message);

int main(int argc,char *argv[]){
    int serv_sock,clnt_sock;
    char message[BUF_SIZE];
    int str_len,i;

    struct sockaddr_in serv_addr;
    struct sockaddr_in clnt_addr;
    socklen_t clnt_addr_sz;
    FILE * readfp;
    FILE * writefp;
    if(argc!=2){
         printf("Usage : %s <port>\n",argv[0]);
         exit(1);
    }

    serv_sock=socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0);
    if(serv_sock==-1)error_handling("socket() error");

    memset(&serv_addr,0,sizeof(serv_addr));
    serv_addr.sin_family=AF_INET;
    serv_addr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
    serv_addr.sin_port=htons(atoi(argv[1]));

    if(bind(serv_sock,(struct sockaddr*)&serv_addr,sizeof(serv_addr))==-1)
        error_handling("bind() error");

    if(listen(serv_sock,5)==-1)error_handling("listen() error");

    clnt_addr_sz=sizeof(clnt_sock);
    for(int i=0;i<5;++i){
        clnt_sock=accept(serv_sock,(struct sockaddr*)&clnt_sock,&clnt_addr_sz);
        if(clnt_sock==-1)error_handling("accept() error");
        else printf("Connected client %d \n",i+1);

        readfp=fdopen(clnt_sock,"r");
        writefp=fdopen(clnt_sock,"w");
        while(!feof(readfp)){
              fgets(message,BUF_SIZE,readfp)；   
              fputs(message,writefp);
              fflush(writefp);
        }
        fclose(readfp);
        fclose(writefp);
    }
    close(serv_sock);
    return 0;
}

void error_handling(char*message){
    //与之前章节的错误处理函数相同，故省略
}

接下来给出回声客户端代码

#include<"与之前章节的头文件声明相同，故省略">
#define BUF_SIZE 1024
void error_handling(char *message);

int main(int argc,char *argv[]){
    int sock;
    char message[BUF_SIZE];
    int str_len;
    struct sockaddr_int serv_addr;
    FILE * readfp;
    FILE * writefp;
    if(argc!=3){
         printf("Usage : %s <IP> <port>\n",argv[0]);
         exit(1);
    }

    sock=socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0);
    if(sock==-1)error_handling("socket() error");

    memset(&serv_addr,0,sizeof(serv_addr));
    serv_addr.sin_family=AF_INET;
    serv_addr.sin_addr.s_addr=inet_addr(argv[1]);
    serv_addr.sin_port=htons(atoi(argv[2]));

    if(connect(sock,(struct sockaddr*)&serv_addr,sizeof(serv_addr))==-1)
        error_handling("connect() error");
    else
        puts("Connected.......");

    readfp=fdopen(sock,"r");
    writefp=fdopen(sock,"w");
    while(1){
         fputs("Input message(Q to quite):",stdout);
         fgets(message,BUF_SIZE,stdin);
         if(!strcmp(message,"q\n")||!strcmp(message,"Q\n"))break;

         fputs(message,writefp);
         fflush(writefp);
         fgets(message,BUF_SIZE,readfp);
         printf("Message from server: %s",message);
    }
    fclose(writefp);
    fclose(readfp);
    return 0;
}

void error_handling(char *message){
    //和前面章节的错误处理函数相同，故省略。
}

以上就是标准IO函数在套接字编程中的应用方法，因为需要编写额外的代码，所以并不像想象中那么常用。但某些情况下也是非常有用的，而且可以再次复习标准IO函数，对大家也非常有益。