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1--标准I/O
1-1--标准I/O的优缺点
标准 I/O 函数的优点：
① 具有良好的移植性：为了支持所有操作系统（编译器），标准 I/O 函数均按照 ANSI C 标准定义的；
② 利用 I/O 缓冲提高性能：通过缓冲区缓存数据，再进行一次完整的数据收发，减少数据移动的次数；
标准 I/O 函数的缺点：
① 不容易进行双向通信；
② 需要频繁调用 fflush 函数来刷新缓冲区；
③ 需要以 FILE 结构体指针的形式返回文件描述符：标准 I/O 函数操作的对象是 FILE 结构体指针，因此需要将文件描述符转换为 FILE 指针；
1-2--FILE 指针和文件描述符的转换
利用 fdopen() 函数将文件描述符转换为 FILE*；
#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 表示需要转换的文件描述符
// mode 表示将要创建的 FILE* 的模式信息，常用的模式有读模式 "r" 和写模式 "w"// gcc desto.c -o desto
// ./desto
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
int main(void){
FILE* fp;
int fd = open("data.dat", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC); // 打开data.dat文件，返回其文件描述符
if(fd == -1){
fputs("file open error", stdout);
return -1;
}
fp = fdopen(fd, "w"); // 文件描述符转换为 FILE*
fputs("Network C programming \n", fp); // 通过标准 I/O 函数向 FILE* 指向的文件写数据
fclose(fp); // 通过标准 I/O 函数关闭文件
return 0;
}
利用 fileno() 函数将 FILE* 转换为文件描述符；
#include <stdio.h>
int fileno(FILE* stream);
// 成功时返回转换后的文件描述符，失败时返回 -1// gcc todes.c -o todes
// ./todes
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
int main(void){
FILE* fp;
int fd = open("data.dat", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC); // 返回文件描述符
if(fd == -1){
fputs("file open error", stdout);
return -1;
}
printf("First file descriptor: %d \n", fd);
fp = fdopen(fd, "w"); // 文件描述符转换为 FILE*
fputs("TCP/IP SOCKET PROGRAMMING \n", fp);
printf("Second file descriptor: %d \n", fileno(fp)); // FILE* 转换为文件描述符
fclose(fp);
return 0;
}
1-3--基于Socket的标准I/O函数使用
Socket 也有对应的文件描述符，因此可以使用 fdopen() 函数将文件描述符转换为 FILE*，进而使用标准 I/O 函数；
回声服务端：
// gcc echo_stdserv.c -o echo_stdserv
// ./echo_stdserv 9190
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#define BUF_SIZE 1024
void error_handling(char *message){
fputs(message, stderr);
fputc('\n', stderr);
exit(1);
}
int main(int argc, char *argv[]){
int serv_sock, clnt_sock;
char message[BUF_SIZE];
int str_len, i;
struct sockaddr_in serv_adr;
struct sockaddr_in clnt_adr;
socklen_t clnt_adr_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_adr, 0, sizeof(serv_adr));
serv_adr.sin_family = AF_INET;
serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));
if(bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1){
error_handling("bind() error");
}
if(listen(serv_sock, 5) == -1){
error_handling("listen() error");
}
clnt_adr_sz = sizeof(clnt_adr);
for(i = 0; i < 5; i++){
clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr*)&clnt_adr, &clnt_adr_sz);
if(clnt_sock == -1){
error_handling("accept() error");
}
else{
printf("Connected client %d \n", i+1);
}
readfp = fdopen(clnt_sock, "r"); // 读模式，socket文件描述符转换为 FILE*
writefp = fdopen(clnt_sock, "w"); // 写模式，socket文件描述符转换为 FILE*
while(!feof(readfp)){
fgets(message, BUF_SIZE, readfp); // 调用标准I/O进行读写
fputs(message, writefp);
fflush(writefp); // 刷新缓冲区
}
close(serv_sock);
return 0;
}
}回声客户端：
// gcc echo_client.c -o echo_client
// ./echo_client 127.0.0.1 9190
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#define BUF_SIZE 1024
void error_handling(char *message){
fputs(message, stderr);
fputc('\n', stderr);
exit(1);
}
int main(int argc, char *argv[]){
int sock;
char message[BUF_SIZE];
int str_len;
struct sockaddr_in serv_adr;
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_adr, 0, sizeof(serv_adr));
serv_adr.sin_family = AF_INET;
serv_adr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
if(connect(sock, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1){
error_handling("connect() error!");
}
else{
puts("Connected.......");
}
readfp = fdopen(sock, "r"); // 读模式，socket文件描述符转换为 FILE*
writefp = fdopen(sock, "w"); // 写模式，socket文件描述符转换为 FILE*
while(1){
fputs("Input message(Q to quit): ", stdout);
fgets(message, BUF_SIZE, stdin);
if(!strcmp(message, "q\n") || !strcmp(message, "Q\n")){
break;
}
fputs(message, writefp); // 调用标准I/O进行读写
fflush(writefp);
fgets(message, BUF_SIZE, readfp);
printf("Message from server: %s", message);
}
fclose(writefp);
fclose(readfp);
return 0;
}运行结果：
2--I/O流分离
分离 I/O 流的目的：
① 为了将 FILE 指针按读模式和写模式加以区分；
② 可以通过区分读写模式降低实现难度；
③ 通过区分 I/O 缓冲提高缓冲性能；
2-1--文件描述符的复制和半关闭
当多个 FILE 指针都是基于同一个文件描述符创建时，针对任意一个 FILE 指针调用 fclose() 函数都会关闭文件描述符，同时终结对应的 socket；
以下代码实例展示了当服务器端 fclose() 掉 FILE 指针同时终结 socket 时，客户端的消息无法顺利发送到服务器端；
// gcc seq_serv.c -o seq_serv
// ./seq_serv 9190
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#define BUF_SIZE 1024
int main(int argc, char *argv[]){
int serv_sock, clnt_sock;
FILE* readfp;
FILE* writefp;
struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;
socklen_t clnt_adr_sz;
char buf[BUF_SIZE] = {0,};
serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
serv_adr.sin_family = AF_INET;
serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));
bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr));
listen(serv_sock, 5);
clnt_adr_sz = sizeof(clnt_adr);
clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr*)&clnt_adr, &clnt_adr_sz);
readfp = fdopen(clnt_sock, "r"); // 基于同一个socket文件描述符的 FILE*
writefp = fdopen(clnt_sock, "w");
fputs("FROM SERVER: Hi~ client? \n", writefp);
fputs("I Love all of the world \n", writefp);
fputs("You are awesome! \n", writefp);
fflush(writefp);
fclose(writefp); // 关闭 writefp，会终止 socket，同时向客户端发送 EOF
fgets(buf, sizeof(buf), readfp);
fputs(buf, stdout);
fclose(readfp);
return 0;
}// gcc seq_clnt.c -o seq_clnt
// ./seq_clnt 127.0.0.1 9190
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#define BUF_SIZE 1024
int main(int argc, char *argv[]){
int sock;
char buf[BUF_SIZE];
struct sockaddr_in serv_adr;
FILE* readfp;
FILE* writefp;
sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
serv_adr.sin_family = AF_INET;
serv_adr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
connect(sock, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr));
readfp = fdopen(sock, "r"); // 基于同一个socket文件描述符的 FILE*
writefp = fdopen(sock, "w");
while(1){
if(fgets(buf, sizeof(buf), readfp) == NULL){ // 客户端收到 EOF 终止循环
break;
}
fputs(buf, stdout);
fflush(stdout);
}
// 由于服务器端关闭了 socket，因此该消息无法发送到服务器端
fputs("FROM CLIENT: Thank you! \n", writefp);
fflush(writefp);
fclose(writefp);
fclose(readfp);
return 0;
}
销毁所有文件描述符后才能销毁 socket，因此通过复制文件描述符，利用各自的文件描述符生成读写模式的 FILE*，可以避免上述情况；
复制文件描述符的两个常用函数：dup() 和 dup2()；这里的复制可以理解为：为了访问同一文件或 socket，创建另一个文件描述符；
#include <unistd.h>
int dup(int fildes);
int dup2(int fildes, int fildes2);
// 成功时返回复制的文件描述符，失败时返回 -1
// fildes 表示需要复制的文件描述符
// fildes2 表示复制后，新生成的文件描述符数值// gcc dup.c -o dup
// ./dup
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, char* argv[]){
int cfd1, cfd2;
char str1[] = "Hi~ \n";
char str2[] = "It's nice day~ \n";
cfd1 = dup(1); // 复制标准输出
cfd2 = dup2(cfd1, 7); // 复制标准输出，指定生成的文件描述符 cfd2 为 7
printf("fd1=%d, fd2=%d \n", cfd1, cfd2);
write(cfd1, str1, sizeof(str1)); // 写到标准输出
write(cfd2, str2, sizeof(str2));
close(cfd1); // 关闭复制的文件描述符
close(cfd2);
write(1, str1, sizeof(str1)); // 还能输出，因为文件描述符1还没关闭
close(1);
write(1, str2, sizeof(str2)); // 不能输出
return 0;
}
2-2--复制文件描述符实现 I/O 流的分离
为了解决以下问题并实现 I/O 流的分离：
当多个 FILE 指针都是基于同一个文件描述符创建时，针对任意一个 FILE 指针调用 fclose() 函数都会关闭文件描述符，同时终结对应的 socket；
通过复制文件描述符，再分离 I/O 流，实现服务器端的半关闭；
调用 shutdown() 函数时，无论复制出了多少个文件描述符，服务器端都会进入半关闭状态；
// gcc seq_serv2.c -o seq_serv2
// ./seq_serv2 9190
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#define BUF_SIZE 1024
int main(int argc, char *argv[]){
int serv_sock, clnt_sock;
FILE* readfp;
FILE* writefp;
struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;
socklen_t clnt_adr_sz;
char buf[BUF_SIZE] = {0,};
serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
serv_adr.sin_family = AF_INET;
serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));
bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr));
listen(serv_sock, 5);
clnt_adr_sz = sizeof(clnt_adr);
clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr*)&clnt_adr, &clnt_adr_sz);
readfp = fdopen(clnt_sock, "r");
writefp = fdopen(dup(clnt_sock), "w"); // 复制文件描述符后，再创建写模式的 FILE*，实现 I/O 流分离
fputs("FROM SERVER: Hi~ client? \n", writefp);
fputs("I Love all of the world \n", writefp);
fputs("You are awesome! \n", writefp);
fflush(writefp);
shutdown(fileno(writefp), SHUT_WR); // 设置半关闭，向客户端发送 EOF
fclose(writefp); // 关闭 writefp，会终止 socket，同时向客户端发送 EOF
// 此时不会导致 socket 的关闭，因为还有一个文件描述符
fgets(buf, sizeof(buf), readfp);
fputs(buf, stdout);
fclose(readfp);
return 0;
}