select实现高并发服务器

　　前言：周末学了两天网络编程，把之前的不懂一些问题基本掌握了，例如TCP状态转换图、close和shutdown函数的区别、select函数等，今天分享给大家。

　　一、网络编程基础知识

　　在写代码之前，需要简单介绍一下基础知识。

1. 网络字节序

　　 小端法（本地）：低地址存低字节、高地址存高字节（简称高存高、低存低）

　　 大端法（网络）：高存底，低存高

　　可能有人会问为啥不统一呢？历史遗留问题：IBM最开始使用数据存储使用大端法，后来微软非要反着来。

　　所以通信必须先统一字节序，涉及4个函数，如下：（函数原型都是通过man手册查的）　

　　#include <arpa/inet.h>

　　uint32_t htonl(uint32_t hostlong);

　　uint16_t htons(uint16_t hostshort);

　　uint32_t ntohl(uint32_t netlong);

　　uint16_t ntohs(uint16_t netshort);

　　说明：h代表本地，n代表网络，l表示32长整数（也是历史遗留问题，最开始没有int型），s表示16位短整型

　　例如htonl函数：就是将本地字节序转为网路字节序，并且是长整数，一般用在ip转换，s则用在端口。

　　2.sockaddr地址结构

通用地址结构体：
struct sockaddr {
sa_family_t sa_family;//协议族 AF_INET AF_INET6
char sa_data[14];//1-2 端口号 3-6 ip地址 7-14 预留
}

ipv4专用地址结构：

struct sockaddr_in {
sa_family_t sin_family; /* address family: AF_INET */
in_port_t sin_port; /* port in network byte order */
struct in_addr sin_addr; /* internet address */
};

/* Internet address. */
struct in_addr {
uint32_t s_addr; /* address in network byte order */
};

　　通用的使用麻烦，弄一个专用的方便了，但是bind函数原型如下：

　　int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr,socklen_t addrlen);

　　要传通用地址结构，所以使用时就要进行强转。

　　其实，还应该介绍一下socket、bind、listen等函数，但是觉得很简单就先不介绍了。

　　二、三次握手和四次挥手

　　这篇主要介绍TCP，TCP经常被问到的问题就是三次握手，应该大部分人都知道，但四次挥手应该很少人知道，确很重要对理解一下概念和函数很有帮助。

　　1.三次握手

　　三次握手如下图：（截图《unix网络编程》，简称UNP，下面还有有图出自这本书）

　　

　　说明：客户端发送SYN请求，服务器收到之后，返回ACK应答并携带SYN，客户端收到之后发送ACK应答。更多解释可以参考UNP。

　　2.四次挥手

　　四次挥手如下图，出自UNP：

　　

　　

　　说明：客户端发起FIN关闭请求，服务器收到之后回应ACK，到这完成了“半关闭”，就是关了一半。为啥只关了一半？其实客户端、服务器各有一个描述符、两个缓冲区（读缓冲、写缓冲），关的只是一个缓冲区。

　　服务端再发FIN,客户端收到之后再回应ACK应答。

　　理解四次挥手，对close和shutdown函数的区别会有很好的理解。

　　三、TCP状态转换图

　　理解三次握手、四次挥手，对于面试、跟人装逼很有帮助，开玩笑了。但理解TCP状态转换图对编程很有帮助。

　　TCP状态转换图如下，也出自UNP:

　　

　　说明：如图释一样，客户端状态走向，虚线服务器的走向，要分别沿着两条线去看，并结合着三次握手和四次挥手去看。在纸上画过2个结合的图，但是没时间在电脑上，有需要的话联系我吧。

• shutdowan、close函数区别：

　　shutdown原型：int shutdown(int sockfd, int how);

　　参数说明：

　　sockfd：文件描述符

　　how：定义三个宏

　　SHUT_RD  关闭读端

　　SHUT_WR 关闭写端

　　SHUT_RDWR 关闭读写端

　　close原型：int close(int fd); 参数文件描述符。

　　还有一个重要区别：shutdown在关闭多个文件描述符时，采用全关闭方法。close只关闭一个，相当于“-1”操作。

　　四、select函数介绍

　　select函数非常复杂，一点点解释吧，函数原型如下：

　　int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

　　参数说明：

　　nfds：监听的所有文件描述符中的最大描述符+1（其实内核是轮询查的）

　　readfds：读文件描述符监听集合

　　writefds：写文件描述符监听集合

　　exceptfds：异常文件描述符监听集合

　　timeout：有几个值如下：

　　　　　　大于0：设置监听超时时长

　　　　　　NULL：阻塞监听

　　　　　　0：非阻塞监听

　　函数返回值：

　　　　　　　大于0：所有监听集合（3个）中，满足对应事件的总数

　　　　　　　 0：没有满足的

　　　　　　　-1：出错error

　　看第二个、三个、四个参数的类型fd_set,内核为操作这种集合定义了四个函数，如下：

　　void FD_CLR(int fd, fd_set *set);      //将一个文件描述符从集合中移除

　　int FD_ISSET(int fd, fd_set *set);　 //判断一个文件描述符是否在一个集合中，返回值：在 1，不在 0
　　void FD_SET(int fd, fd_set *set);　　//将监听的文件描述符，添加到监听集合中
　　void FD_ZERO(fd_set *set);　　　　//清空一个文件描述符集合

　　 五、包裹函数

　　这个概念来自UNP，先介绍包裹函数的定义，约定的包裹函数名是实际函数的首字母大写形式。例如，如下：

　　Socket(int family, int type, int protocol)

　　为什么要怎么做呢？原因如下：

　　（1） 检查返回值

　　（2）独立错误检查模块　

　　六、用select实现并发服务器

• 　服务端

　　socket、bind、listen这些都没变化，但都用的包裹函数形式，封装在wrap.c中，从accept开始就要开始处理了，程序中都有注释，不明白在私信我，先主要讲解一下，调用FD_ZERO、FD_SET设置fd_set集合，再监听连接、再监听数据传输。代码如下：

　　

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <ctype.h>

#include "wrap.h"

#define SERV_PORT 6666

int main(int argc, char *argv[])
{
    int i, j, n, maxi;

    int nready, client[FD_SETSIZE];                 /* 自定义数组client, 防止遍历1024个文件描述符  FD_SETSIZE默认为1024 */
    int maxfd, listenfd, connfd, sockfd;
    char buf[BUFSIZ], str[INET_ADDRSTRLEN];         /* #define INET_ADDRSTRLEN 16 */

    struct sockaddr_in clie_addr, serv_addr;
    socklen_t clie_addr_len;
    fd_set rset, allset;                            /* rset 读事件文件描述符集合 allset用来暂存 */

    listenfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    int opt = 1;
    setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));

    bzero(&serv_addr, sizeof(serv_addr));
    serv_addr.sin_family= AF_INET;
    serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    serv_addr.sin_port= htons(SERV_PORT);

    Bind(listenfd, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr));
    Listen(listenfd, 128);

    maxfd = listenfd;                                           /* 起初 listenfd 即为最大文件描述符 */

    maxi = -1;                                                  /* 将来用作client[]的下标, 初始值指向0个元素之前下标位置 */
    for (i = 0; i < FD_SETSIZE; i++)
        client[i] = -1;                                         /* 用-1初始化client[] */

    FD_ZERO(&allset);
    FD_SET(listenfd, &allset);                                  /* 构造select监控文件描述符集 */

    while (1) {   
        rset = allset;                                          /* 每次循环时都从新设置select监控信号集 */
        nready = select(maxfd+1, &rset, NULL, NULL, NULL);
        if (nready < 0)
            perr_exit("select error");

        if (FD_ISSET(listenfd, &rset)) {                        /* 说明有新的客户端链接请求 */

            clie_addr_len = sizeof(clie_addr);
            connfd = Accept(listenfd, (struct sockaddr *)&clie_addr, &clie_addr_len);       /* Accept 不会阻塞 */
            printf("received from %s at PORT %d\n",
                    inet_ntop(AF_INET, &clie_addr.sin_addr, str, sizeof(str)),
                    ntohs(clie_addr.sin_port));

            for (i = 0; i < FD_SETSIZE; i++)
                if (client[i] < 0) {                            /* 找client[]中没有使用的位置 */
                    client[i] = connfd;                         /* 保存accept返回的文件描述符到client[]里 */
                    break;
                }

            if (i == FD_SETSIZE) {                              /* 达到select能监控的文件个数上限 1024 */
                fputs("too many clients\n", stderr);
                exit(1);
            }

            FD_SET(connfd, &allset);                            /* 向监控文件描述符集合allset添加新的文件描述符connfd */
            if (connfd > maxfd)
                maxfd = connfd;                                 /* select第一个参数需要 */

            if (i > maxi)
                maxi = i;                                       /* 保证maxi存的总是client[]最后一个元素下标 */

            if (--nready == 0)
                continue;
        } 

        for (i = 0; i <= maxi; i++) {                               /* 检测哪个clients 有数据就绪 */

            if ((sockfd = client[i]) < 0)
                continue;
            if (FD_ISSET(sockfd, &rset)) {

                if ((n = Read(sockfd, buf, sizeof(buf))) == 0) {    /* 当client关闭链接时,服务器端也关闭对应链接 */
                    Close(sockfd);
                    FD_CLR(sockfd, &allset);                        /* 解除select对此文件描述符的监控 */
                    client[i] = -1;
                } else if (n > 0) {
                    for (j = 0; j < n; j++)
                        buf[j] = toupper(buf[j]);
                    Write(sockfd, buf, n);
                    Write(STDOUT_FILENO, buf, n);
                }
                if (--nready == 0)
                    break;                                          /* 跳出for, 但还在while中 */
            }
        }
    }
    Close(listenfd);
    return 0;
}

View Code

•    客户端

　　实现简单功能：客户端发小写，服务器转为大写再返回给客户端。客户端首先socket、connect，依然是包裹函数。代码如下：

　　

/* client.c */
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>

#include "wrap.h"

#define MAXLINE 80
#define SERV_PORT 6666

int main(int argc, char *argv[])
{
    struct sockaddr_in servaddr;
    char buf[MAXLINE];
    int sockfd, n;

    if (argc != 2)
        printf("./client IP\n");

    sockfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    inet_pton(AF_INET, argv[1], &servaddr.sin_addr);
    servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);

    Connect(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));
    printf("------------connect ok----------------\n");

    while (fgets(buf, MAXLINE, stdin) != NULL) {
        Write(sockfd, buf, strlen(buf));
        n = Read(sockfd, buf, MAXLINE);
        if (n == 0) {
            printf("the other side has been closed.\n");
            break;
        }
        else
            Write(STDOUT_FILENO, buf, n);
    }
    Close(sockfd);

    return 0;
}

View Code

　　这样就可以了，想要《unix网络编程》、wrap.c的，推荐评论我。

　　其实，TCP状态转换图、select实现原理，应该用画图来解释一下，今天7点多就到公司了，准备写博客，然后9点就去处理需求了，下午才写完，等有时间再详细介绍这两方面吧。

　　最后，评论你的不懂问题，需要资料的也随时欢迎评论。