【Linux网络编程】TCP并发服务器的实现（IO多路复用select）-Toy模板网

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了【Linux网络编程】TCP并发服务器的实现（IO多路复用select）。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方，请大家不吝赐教，您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

一、服务器模型

1.1 服务器概念

服务器模型主要分为两种，循环服务器和并发服务器。

循环服务器：
在同一时间只能处理一个客户端的请求。
并发服务器：
在同一时间内能同时处理多个客户端的请求。

TCP的服务器默认的就是一个循环服务器，原因是有两个阻塞 accept函数和recv函数之间会相互影响。
UDP的服务器默认的就是一个并发服务器，因为只有一个阻塞的 recvfrom函数。

1.2 TCP并发服务器的意义

在有些应用场景下，我们既要保证数据可靠，又要支持并发
这就需要用到TCP并发服务器。

1.3 实现TCP并发服务器的方式

使用多路IO复用实现TCP并发服务器(常用)
使用多进程实现TCP并发服务器
使用多线程实现TCP并发服务器

本次我们学习第一个方式，使用多路IO复用(select函数)实现TCP并发服务器的实现，在后续博客中我们会依次讲解其他实现方式。
感兴趣可以收藏加关注哦。

二、使用IO多路复用实现TCP并发服务器优势

对于实际开发过程中：
如果使用多进程实现TCP并发服务器，并发量大的时候，对系统的资源占用量也会很大。

如果使用多线程，业务逻辑复杂的时候，又涉及到临近资源访问的问题
比较好的方式是使用多路IO复用实现TCP并发服务器。

三、select函数

功能：
	实现IO多路复用
头文件：
	 #include <sys/select.h>
函数原型：
	int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,
               fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
参数
	@nfds：监视的最大文件描述符+1
	@readfds：要监视的读文件描述符集合,如果不关心，可以传NULL
	@writefds：要监视的写文件描述符集合,如果不关心，可以传NULL
	@exceptfds：要监视的异常的文件描述符集合,如果不关心，可以传NULL
	(一般我们只关心readfds)
	@timeout：超时时间
		为0时非阻塞
		为NULL时永久阻塞
		为结构体时阻塞一定时间
返回值：
	成功  返回就绪文件描述符的个数
	失败  返回-1，置位错误码
	超时  返回0

	
void FD_CLR(int fd, fd_set *set);
功能：
	删除集合中的文件描述符
参数：
	@fd：文件描述符
	@set：构建要监视的文件描述符集合
	
int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set);
功能：
	判断文件描述符是否在集合中
参数：
	@fd：文件描述符
	@set：构建要监视的文件描述符集合
返回值：
	为0时不在里面
	非0时在里面
	
void FD_SET(int fd, fd_set *set);
功能：
	将文件描述符添加到集合中
参数：
	@fd：文件描述符
	@set：构建要监视的文件描述符集合
	
void FD_ZERO(fd_set *set);
功能：
	清空集合
参数：
	@set：构建要监视的文件描述符集合

注意：

select只能监视小于 FD_SETSIZE(1024) 的文件描述符。
select函数在返回时会将没有就绪的文件描述符在表中擦除，
所以，在循环中调用select时，每次需要重新填充集合。

四、TCP并发服务器的构建

4.1 创建套接字

使用socket函数创建IPV4、TCP套接字

	int sockfd;
    if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1)
    {
        ERRLOG("socket error");
    }

4.2 填写服务器网络信息结构体

	struct sockaddr_in serviceaddr;
    memset(&serviceaddr, 0, sizeof(serviceaddr));
    serviceaddr.sin_family = AF_INET;
    serviceaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    serviceaddr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
    socklen_t serviceaddr_len = sizeof(serviceaddr);

4.3 将服务器网络信息结构体与套接字绑定

	if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&serviceaddr, serviceaddr_len) == -1)
    {
        ERRLOG("bind error");
    }

4.4 将套接字设置为被动监听状态

	if (listen(sockfd, 5) == -1)
    {
        ERRLOG("listen error");
    }

4.5 创建文件描述符集合母本和子本并进行清空操作

	fd_set readfds;
    FD_ZERO(&readfds);
    fd_set readfds_msg;
    FD_ZERO(&readfds_msg);

4.6 将sockfd添加进入集合内，并更新最大文件描述符

	FD_SET(sockfd, &readfds);
    max_fd = max_fd > sockfd ? max_fd : sockfd;

4.7 循环实现内部功能伪代码

 	while(1){
        select();
        //遍历文件描述符集合
        for(){
            if(sockfd就绪了){
                //说明有新的客户端建立连接了
                acceptfd = accept();
                将acceptfd加入到readfds中
                更新最大文件描述符
            }else{
                //说明有客户端发来数据了
                recv();
                //如果recv返回0了 需要将当前的客户端的acceptfd在
                //readfds中删除，后续就不再监视它了
                strcat();
                send();
            }
        }
    }

五、客户端的构建

5.1步骤一和二和4.1，4.2一样

5.2 尝试与服务器建立连接

	if(-1 == connect(sockfd, (struct sockaddr *)&serveraddr, serveraddr_len)){
        ERRLOG("connect error");
    }

5.3 内部功能实现伪代码

	while(1){
        //从终端获取数据写入buff中
        fgets();
        buff[strlen(buff)-1] = '\0';//清理结尾的\n

        //发送数据
        if(-1 == send(sockfd, buff, sizeof(buff), 0)){
            ERRLOG("send error");
        }
        
        //接收服务器的应答信息
        if(-1 == (nbytes = recv(sockfd, buff, sizeof(buff), 0))){
            ERRLOG("recv error");
        }   
    }

六、测试结果

使用三个客户端连接一个TCP并发服务器。

测试TCP并发服务器功能实现
【Linux网络编程】TCP并发服务器的实现（IO多路复用select）
测试quit退出功能实现

测试ctrl+c终止程序断开来连接实现

测试退出文件，清除客户端的文件描述符，在新的客户端连接时，从最小的文件描述符开始实现。

成功实现IO多路复用TCP并发服务器和客户端。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-435543.html

七、TCP并发服务器源代码

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/select.h>

#define ERRLOG(msg)                                        \
    do                                                     \
    {                                                      \
        printf("%s %s %d:", __FILE__, __func__, __LINE__); \
        perror(msg);                                       \
        exit(-1);                                          \
    } while (0)

#define N 128

int main(int argc, const char *argv[])
{
    //检查入参合理性
    if (argc != 3)
    {
        printf("Usage : %s <IP> <PORT>\n", argv[0]);
        return -1;
    }
    //创建套接字
    int sockfd;
    if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1)
    {
        ERRLOG("socket error");
    }
    //填写服务器网络信息结构体
    struct sockaddr_in serviceaddr;
    memset(&serviceaddr, 0, sizeof(serviceaddr));
    serviceaddr.sin_family = AF_INET;
    serviceaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    serviceaddr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
    socklen_t serviceaddr_len = sizeof(serviceaddr);
    //将服务器网络信息结构体与套接字绑定
    if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&serviceaddr, serviceaddr_len) == -1)
    {
        ERRLOG("bind error");
    }
    //将套接字设置为被动监听状态
    if (listen(sockfd, 5) == -1)
    {
        ERRLOG("listen error");
    }
    char buf[N] = {0};
    int max_fd;
    int i;
    int ret;
    int acceptfd;
    int nbytes;
    //创建文件描述符集合母本和子本并进行清空操作
    fd_set readfds;
    FD_ZERO(&readfds);
    fd_set readfds_msg;
    FD_ZERO(&readfds_msg);
    //将sockfd添加进入集合内，并跟新最大文件描述符
    FD_SET(sockfd, &readfds);
    max_fd = max_fd > sockfd ? max_fd : sockfd;

    while (1)
    {
        //在每次循环前将子本重新赋值，因为select会将没有就绪的文件描述符在集合内擦除
        readfds_msg = readfds;
        if ((ret = select(max_fd + 1, &readfds_msg, NULL, NULL, NULL)) == -1)
        {
            ERRLOG("select error");
        }
        else //说明有文件描述符就绪了
        {
            //遍历文件描述符
            for (i = 3; i < max_fd + 1 && ret != 0; i++)
            {
                //判断是哪个文件描述符就绪了
                if (FD_ISSET(i, &readfds_msg))
                {
                	ret--;
                    if (i == sockfd) //如果套接字就绪了则等待客户端连接
                    {
                        if ((acceptfd = accept(sockfd, NULL, NULL)) == -1)
                        {
                            ERRLOG("accept error");
                        }
                        printf("客户端[%d]连接到服务器..\n", acceptfd);
                        //如果有客户端连接将产生的新的文件描述符添加到集合中,并更新最大文件描述符
                        FD_SET(acceptfd, &readfds);
                        max_fd = max_fd > acceptfd ? max_fd : acceptfd;
                    }
                    else //否则就是客户端发来消息了
                    {
                        memset(buf, 0, N);
                        if ((nbytes = recv(i, buf, N, 0)) == -1)
                        {
                            ERRLOG("recv error");
                        }
                        else if (nbytes == 0)
                        {
                            printf("客户端[%d]已断开连接..\n", i);
                            close(i);            //关闭当前客户端的文件描述符
                            FD_CLR(i, &readfds); //将该客户端的文件描述符在集合中删除
                            continue;
                        }
                        if (strcmp(buf, "quit") == 0)
                        {
                            printf("客户端[%d]已退出服务器..\n", i);
                            close(i);
                            FD_CLR(i, &readfds);
                            continue;
                        }
                        printf("客户端[%d]发来消息[%s]..\n", i, buf);
                        strcat(buf, "--夜猫徐");      //组装应答
                        if (send(i, buf, N, 0) == -1) //发送给客户端
                        {
                            ERRLOG("send error");
                        }
                    }
                }
            }
        }
    }
    close(sockfd);
    return 0;
}

八、客户端源代码

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <stdlib.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>

#define ERRLOG(msg) do{\
        printf("%s %s %d:", __FILE__, __func__, __LINE__);\
        perror(msg);\
        exit(-1);\
}while(0)

#define N 128

int main(int argc, const char *argv[]){
    //入参合理性检查
    if(3 != argc){
        printf("Usage : %s <IP> <PORT>\n", argv[0]);
        return -1;
    }

    //1.创建套接字
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(-1 == sockfd){
        ERRLOG("socket error");
    }

    //2.填充服务器网络信息结构体
    struct sockaddr_in serveraddr;
    memset(&serveraddr, 0, sizeof(serveraddr));
    serveraddr.sin_family = AF_INET;
    serveraddr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
    serveraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);

    socklen_t serveraddr_len = sizeof(serveraddr);

    char buff[128] = {0};
    int nbytes = 0;

    //3.尝试与服务器建立连接
    if(-1 == connect(sockfd, (struct sockaddr *)&serveraddr, serveraddr_len)){
        ERRLOG("connect error");
    }
    printf("与服务器建立连接成功..\n");
    while(1){
        memset(buff, 0, sizeof(buff));
        fgets(buff, N, stdin);
        buff[strlen(buff)-1] = '\0';//清理结尾的\n

        //发送数据
        if(-1 == send(sockfd, buff, sizeof(buff), 0)){
            ERRLOG("send error");
        }
        //接收服务器的应答信息
        if(-1 == (nbytes = recv(sockfd, buff, sizeof(buff), 0))){
            ERRLOG("recv error");
        }
        if(0 == nbytes){
            break;
        }
        //输出应答信息
        printf("应答为:[%s]\n", buff);
    }
    //关闭套接字
    close(sockfd);

    return 0;
}