linux教程网络高级编程

I/O模式,五种I/O操作方式：阻塞I/O非阻塞I/OI/O多路复用信号驱动I/O（SIGIO）异步I/O一般来说，程序进行输入操作有两步：1等待有数据可以读2将数据从系统内核中拷贝到程序的数据区。对于一个对套接字的输入操作，第一步一般来说是等待数据从网络上传到本地。当数据包到达的时候，数据将会从网络层拷贝到内核的缓存中；第二步是从内核中把数据拷贝到程序的数据区中。,阻塞I/O模式,阻塞I/O模式是最普遍使用的I/O模式。大部分程序使用的都是阻塞模式的I/O。缺省的，一个套接字建立后所处于的模式就是阻塞I/O模式。对于一个UDP套接字来说，数据就绪的标志比较简单：已经收到了一整个数据报没有收到。而TCP这个概念就比较复杂，需要附加一些其他的变量。一个进程调用recvfrom，然后系统调用并不返回直到有数据报到达本地系统，然后系统将数据拷贝到进程的缓存中。（如果系统调用收到一个中断信号，则它的调用会被中断）我们称这个进程在调用recvfrom一直到从recvfrom返回这段时间是阻塞的。当recvfrom正常返回时，我们的进程继续它的操作。,非阻塞模式I/O,当我们将一个套接字设置为非阻塞模式，我们相当于告诉了系统内核：“当我请求的I/O操作不能够马上完成，你想让我的进程进行休眠等待的时候，不要这么做，请马上返回一个错误给我。”我们开始对recvfrom的三次调用，因为系统还没有接收到网络数据，所以内核马上返回一个EWOULDBLOCK的错误。第四次我们调用recvfrom函数，一个数据报已经到达了，内核将它拷贝到我们的应用程序的缓冲区中，然后recvfrom正常返回，我们就可以对接收到的数据进行处理了。当一个应用程序使用了非阻塞模式的套接字，它需要使用一个循环来不听的测试是否一个文件描述符有数据可读（称做polling）。应用程序不停的polling内核来检查是否I/O操作已经就绪。这将是一个极浪费CPU资源的操作。这种模式使用中不是很普遍。,I/O多路复用,在使用I/O多路技术的时候，我们调用select()函数和poll()函数的时候阻塞，而不是调用recvfrom（或recv）的时候阻塞。当我们调用select函数阻塞的时候，select函数等待数据报套接字进入读就绪状态。当select函数返回的时候，也就是套接字可以读取数据的时候。这时候我们就可以调用recvfrom函数来将数据拷贝到我们的程序缓冲区中。和阻塞模式相比较，select()和poll()并没有什么高级的地方，而且，在阻塞模式下只需要调用一个函数：读取或发送，在使用了多路复用技术后，我们需要调用两个函数了：先调用select()函数或poll()函数，然后才能进行真正的读写。多路复用的高级之处在于，它能同时等待多个文件描述符，而这些文件描述符（套接字描述符）其中的任意一个进入读就绪状态，select()函数就可以返回。假设我们运行一个网络客户端程序，要同时处理套接字传来的网络数据又要处理本地的标准输入输出。在我们的程序处于阻塞状态等待标准输入的数据的时候，假如服务器端的程序被kill（或是自己Down掉了），那么服务器程端的TCP协议会给客户端（我们这端）的TCP协议发送一个FIN数据代表终止连接。但是我们的程序阻塞在等待标准输入的数据上，在它读取套接字数据之前（也许是很长一段时间），它不会看见结束标志我们就不能够使用阻塞模式的套接字。IO多路技术一般在下面这些情况中被使用：当一个客户端需要同时处理多个文件描述符的输入输出操作的时候（一般来说是标准的输入输出和网络套接字），I/O多路复用技术将会有机会得到使用。当程序需要同时进行多个套接字的操作的时候。如果一个TCP服务器程序同时处理正在侦听网络连接的套接字和已经连接好的套接字。如果一个服务器程序同时使用TCP和UDP协议。如果一个服务器同时使用多种服务并且每种服务可能使用不同的协议（比如inetd就是这样的）。I/O多路服用技术并不只局限与网络程序应用上。几乎所有的程序都可以找到应用I/O多路复用的地方。,信号驱动I/O模式,我们可以使用信号，让内核在文件描述符就绪的时候使用SIGIO信号来通知我们。我们将这种模式称为信号驱动I/O模式。使用这种模式，我们首先需要允许套接字使用信号驱动I/O，还要安装一个SIGIO的处理函数。在这种模式下，系统调用将会立即返回，然后我们的程序可以继续做其他的事情。当数据就绪的时候，系统会向我们的进程发送一个SIGIO信号。这样我们就可以在SIGIO信号的处理函数中进行I/O操作（或是我们在函数中通知主函数有数据可读）。对于信号驱动I/O模式，它的先进之处在于它在等待数据的时候不会阻塞，程序可以做自己的事情。当有数据到达的时候，系统内核会向程序发送一个SIGIO信号进行通知，这样我们的程序就可以获得更大的灵活性，因为我们不必为等待数据进行额外的编码。信号I/O可以使内核在某个文件描述符发生改变的时候发信号通知我们的程序。异步I/O可以提高我们程序进行I/O读写的效率。通过使用它，当我们的程序进行I/O操作的时候，内核可以在初始化I/O操作后立即返回，在进行I/O操作的同时，我们的程序可以做自己的事情，直到I/O操作结束，系统内核给我们的程序发消息通知。基于Berkeley接口的Socket信号驱动I/O使用信号SIGIO。有的系统SIGPOLL信号，它也是相当于SIGIO的。为了在一个套接字上使用信号驱动I/O操作，下面这三步是所必须的。（1）一个和SIGIO信号的处理函数必须设定。（2）套接字的拥有者必须被设定。一般来说是使用fcntl函数的F_SETOWN参数来进行设定拥有者。（3）套接字必须被允许使用异步I/O。一般是通过调用fcntl函数的F_SETFL命令，O_ASYNC为参数来实现。注意：我们在设置套接字的属主之前必须将SIGIO的信号处理函数设好，SIGIO的缺省动作是被忽略。因此我们如果以相反的顺序调用这两个函数调用，那么在fcntl函数调用之后，signal函数调用之前就有一小段时间程序可能接收到SIGIO信号。那样的话，信号将会被丢弃。在SVR4系统中，SIGIO在头文件中被定义为SIGPOLL，而SIGPOLL信号的缺省动作是终止这个进程。所以我们一定要保证这两个函数的调用顺序：先调用signal设置好SIGIO信号处理函数，然后在使用fcntl函数设置套接字的属主。,信号驱动I/O模式,虽然设定套接字为异步I/O非常简单，但是使用起来困难的部分是怎样在程序中断定产生SIGIO信号发送给套接字属主的时候，程序处在什么状态。1UDP套接字的SIGIO信号在UDP协议上使用异步I/O非常简单这个信号将会在这个时候产生：套接字收到了一个数据报的数据包。套接字发生了异步错误。当我们在使用UDP套接字异步I/O的时候，我们使用recvfrom()函数来读取数据报数据或是异步I/O错误信息。2TCP套接字的SIGIO信号不幸的是，异步I/O几乎对TCP套接字而言没有什么作用。因为对于一个TCP套接字来说，SIGIO信号发生的几率太高了，所以SIGIO信号并不能告诉我们究竟发生了什么事情。在TCP连接中，SIGIO信号将会在这个时候产生：在一个监听某个端口的套接字上成功的建立了一个新连接。一个断线的请求被成功的初始化。一个断线的请求成功的结束。套接字的某一个通道（发送通道或是接收通道）被关闭。套接字接收到新数据。套接字将数据发送出去。发生了一个异步I/O的错误。举例来说，如果一个正在进行读写操作的TCP套接字处于信号驱动I/O状态下，那么每当新数据到达本地的时候，将会产生一个SIGIO信号，每当本地套接字发出的数据被远程确认后，也会产生一个SIGIO信号。对于我们的程序来讲，是无法区分这两个SIGIO有什么区别的。在这种情况下使用SIGIO，TCP套接字应当被设置为无阻塞模式来阻止一个阻塞的read和write（recv和send）操作。我们可以考虑在一个只进行监听网络连接操作的套接字上使用异步I/O，这样当有一个新的连接的时候，SIGIO信号将会产生。,异步I/O模式,当我们运行在异步I/O模式下时，我们如果想进行I/O操作，只需要告诉内核我们要进行I/O操作，然后内核会马上返回。具体的I/O和数据的拷贝全部由内核来完成，我们的程序可以继续向下执行。当内核完成所有的I/O操作和数据拷贝后，内核将通知我们的程序。异步I/O和信号驱动I/O的区别是：信号驱动I/O模式下，内核在操作可以被操作的时候通知给我们的应用程序发送SIGIO消息。异步I/O模式下，内核在所有的操作都已经被内核操作结束之后才会通知我们的应用程序。当我们进行一个IO操作的时候，我们传递给内核我们的文件描述符，我们的缓存区指针和缓存区的大小，一个偏移量offset，以及在内核结束所有操作后和我们联系的方法。这种调用也是立即返回的，我们的程序不需要阻塞住来等待数据的就绪。我们可以要求系统内核在所有的操作结束后（包括从网络上读取信息，然后拷贝到我们提供给内核的缓存区中）给我们发一个消息。,socket编程,socket()函数,#include#includeintsocket（intdomain,inttype,intprotocol）;domain需要被设置为“AF_INET”type参数告诉内核这个socket是什么类型，“SOCK_STREAM”或是“SOCK_DGRAM”。把protocol设置为0。套接字创建时没有指定名字客户机用套接字的名字读写它。socket()函数只是简单的返回一个你以后可以使用的套接字描述符。如果发生错误，socket()函数返回1。全局变量errno将被设置为错误代码。,bind()函数,#include#includeintbind(intsockfd,structsockaddr*my_addr,intaddrlen);参数说明：sockfd是由socket()函数返回的套接字描述符。my_addr是一个指向structsockaddr的指针。addrlen可以设置为sizeof(structsockaddr)。bind()函数可以帮助你指定一个套接字使用的端口。当你需要进行端口监听listen()操作，等待接受一个连入请求的时候，一般都需要经过这一步。如果你只是想进行连接一台服务器，也就是进行connect()操作的时候，这一步并不是必须的。bind()函数调用错误的时候，返回1作为错误发生的标志。errno的值为错误代码。,connect()函数,#include#includeintconnect(intsockfd,structsockaddr*serv_addr,intaddrlen);sockfd：套接字文件描述符，由socket()函数返回的。serv_addr是一个存储远程计算机的IP地址和端口信息的结构。addrlen应该是sizeof(structsockaddr)。一定要检测connect()的返回值：如果发生了错误（比如无法连接到远程主机，或是远程主机的指定端口无法进行连接等）它将会返回错误值1。全局变量errno将会存储错误代码。,listen()函数,#includeintlisten(intsockfd,intbacklog);sockfd是一个套接字描述符，由socket()系统调用获得。backlog是未经过处理的连接请求队列可以容纳的最大数目。每一个连入请求都要进入一个连入请求队列，等待listen的程序调用accept()函数来接受这个连接。当系统还没有调用accept()函数的时候，如果有很多连接，那么本地能够等待的最大数目就是backlog的数值。listen()如果返回1，那么说明在listen()的执行过程中发生了错误。全局变量errno中存储了错误代码。在listen()函数调用之前，需要使用bind()函数来指定使用本地的哪一个端口数值。如果你想在一个端口上接受外来的连接请求的话，那么函数的调用顺序为：socket();bind();listen();/*在这里调用accept()函数*/,accept()函数,#includeintaccept(intsockfd,void*addr,int*addrlen);sockfd是正在listen()的一个套接字描述符。addr一般是一个指向structsockaddr_in结构的指针；里面存储着远程连接过来的计算机的信息（比如远程计算机的IP地址和端口）。addrlen是一个本地的整型数值，在它的地址传给accept()前它的值应该是sizeof(structsockaddr_in)；accept()不会在addr中存储多余addrlenbytes大小的数据。如果accept()函数在addr中存储的数据量不足addrlen，则accept()函数会改变addrlen的值来反应这个情况。如果调用accept()失败的话，accept()函数会返回1来表明调用失败，同时全局变量errno将会存储错误代码。当调用accept()的时候，大致过程是下面这样的：有人尝试调用connect()来连接你的机器上的某个端口（当然是你已经在listen()的）。他的连接将被listen加入等待队列等待accept()函数的调用（加入等待队列的最多数目由调用listen()函数的第二个参数backlog来决定）。你调用accept()函数，告诉他你准备连接。accept()函数返回一个新的套接字描述符，这个描述符就代表了这个连接。这时候你有了两个套接字描述符，返回给你的那个就是和远程计算机的连接，而第一个套接字描述符仍然在你的机器上原来的那个端口上listen()。这时候你所得到的那个新的套接字描述符就可以进行send()操作和recv()操作了。,send()函数,#include#includeintsend(intsockfd,constvoid*msg,intlen,intflags);sockfd是代表你与远程程序连接的套接字描述符。msg是一个指针，指向你想发送的信息的地址。len是你想发送信息的长度。flags发送标记。一般都设为0。send()函数在调用后会返回它真正发送数据的长度。注意：send()所发送的数据可能少于你给它的参数所指定的长度！因为如果你给send()的参数中包含的数据的长度远远大于send()所能一次发送的数据，则send()函数只发送它所能发送的最大数据长度，然后它相信你会把剩下的数据再次调用它来进行第二次发送。所以，记住如果send()函数的返回值小于len的话，则你需要再次发送剩下的数据。幸运的是，如果包足够小（小于1K），那么send()一般都会一次发送光的。send()函数如果发生错误，则返回1，错误代码存储在全局变量errno中。,recv()函数,#include#includeintrecv(intsockfd,void*buf,intlen,unsignedintflags）;sockfd是你要读取数据的套接字描述符。buf是一个指针，指向你能存储数据的内存缓存区域。len是缓存区的最大尺寸。flags是recv()函数的一个标志，一般都为0（具体的其他数值和含义请参考recv()的manpages）。recv()返回它所真正收到的数据的长度。（也就是存到buf中数据的长度）。如果返回1则代表发生了错误（比如网络以外中断、对方关闭了套接字连接等），全局变量errno里面存储了错误代码。,sendto()函数,#include#includeintsendto（intsockfd,constvoid*msg,intlen,unsignedintflags,conststructsockaddr*to,inttolen）;sockfd是代表你与远程程序连接的套接字描述符。msg是一个指针，指向你想发送的信息的地址。len是你想发送信息的长度。flags发送标记。一般都设为0。（你可以查看send的manpages来获得其他的参数值并且明白各个参数所代表的含义）to是一个指向structsockaddr结构的指针，里面包含了远程主机的IP地址和端口数据。tolen只是指出了structsockaddr在内存中的大小sizeof(structsockaddr)。和send()一样，sendto()返回它所真正发送的字节数（当然也和send()一样，它所真正发送的字节数可能小于你所给它的数据的字节数）。当它发生错误的时候，也是返回1，同时全局变量errno存储了错误代码。,recvfrom()函数,#include#includeintrecvfrom(intsockfd,void*buf,intlen,unsignedintflags,structsockaddr*from,int*fromlen);sockfd是你要读取数据的套接字描述符。buf是一个指针，指向你能存储数据的内存缓存区域。len是缓存区的最大尺寸。flags是recv()函数的一个标志，一般都为0（具体的其他数值和含义请参考recv()的manpages）。from是一个本地指针，指向一个structsockaddr的结构（里面存有源IP地址和端口数）fromlen是一个指向一个int型数据的指针，它的大小应该是sizeof（structsockaddr）当函数返回的时候，formlen指向的数据是from指向的structsockaddr的实际大小recvfrom()返回它接收到的字节数，如果发生了错误，它就返回1，全局变量errno存储了错误代码如果一个信息大得缓冲区都放不下，那么附加信息将被砍掉。该调用可以立即返回,也可以永久的等待。这取决于你把flags设置成什么类型。你甚至可以设置超时(timeout)值。注意：如果你使用cnnect()连接到了一个数据报套接字的服务器程序上，那么你就可以使用send()和recv()函数来传输你的数据不要以为你在使用一个流式的套接字，你所使用的仍然是一个使用者数据报的套接字，只不过套接字界面在send()和recv()的时候自动帮助你加上了目标地址，目标端口的信息,close()和shutdown()函数,程序进行网络传输完毕后，需要关闭这个套接字描述符所表示的连接。只需要使用标准的关闭文件的函数：close()。close(sockfd);执行close()之后，套接字将不会在允许进行读操作和写操作。任何有关对套接字描述符进行读写操作都会接收到一个错误。如果想对网络套接字的关闭进行进一步的操作的话，可使用函数shutdown()。它允许进行单向的关闭操作或是全部禁止。#includeintshutdown（intsockfd,inthow）;sockfd是一个你所想关闭的套接字描述符how可以取下面的值。0表示不允许以后数据的接收操；1表示不允许以后数据的发送操作；2表示和close()一样，不允许以后的任何操作（包括接收，发送数据）shutdown()如果执行成功将返回0，如果在调用过程