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10-Linux系统编程-第12天（tcp状态转换-select-poll）
目录：
一、学习目标
二、复习
三、TCP状态转换
1、recv和send函数
2、TCP状态转换
3、2MSL等待时长
4、半关闭（了解）
5、netstat命令
6、端口复用设置
7、IO多路转接
8、内核大致是如何实现IO转接的
9、select的参数和返回值
10、select工作过程
11、select伪代码
12、select代码实现
13、poll函数介绍
14、poll实现IO转接代码分析
一、学习目标
1、能够描述TCP通信过程中主要状态
2、独立使用select实现IO多路转接
3、理解使用poll实现IO多路转接操作流程
二、复习
（上篇是客户端主动断开连接，此图是服务器端主动断开连接，二者皆可以！）
三、TCP状态转换
1、recv和send函数
相对于read和write，还有recv和send函数，对比如下：
2、TCP状态转换
（注意：需要左右图对比看，其中红线为Client端的状态转换，虚线为Server端的状态转换。）
右图中有些状态可以捕捉到，有些捕捉不到，可通过netstat命令查看，参看——5、nestat命令
3、2MSL等待时长
2MSL大约就是30s * 2 = 60s
4、半关闭（了解）
一般使用close即可，用不到shutdown半关闭，除非做了文件描述符重定向、文件描述符复制，需要半关闭。
5、netstat命令
（打开多个终端，一个终端开启服务器进程，另几个终端开启客户端进程，然后打开另一个终端，输入：netstat -apn | grep 端口号，查看所有的某个端口号的网络状态信息（如：ESTABLISHED，COLSE_WAIT，FIN_WAIT2）。）
6、端口复用设置
》问题：当服务器端主动断开连接（Ctrl+c），然后再次运行服务器端程序，运行不了，如果检测端口，发现：bind error: Address already in use（端口仍被占用）？
》分析：主动断开的一方有个断开时长MSL，1分钟后再次启动就会正常。
》有没有更好的解决方案呢？端口复用
具体setsockopt 函数及参数参看《Unix网络编程》第7章7.2！
测试（server.c）
>touch server.c
>vi server.c
1 #include <stdio.h> 2 #include <ctype.h> 3 #include <unistd.h> 4 #include <stdlib.h> 5 #include <sys/types.h> 6 #include <sys/stat.h> 7 #include <string.h> 8 #include <arpa/inet.h> 9 #include <sys/socket.h> 10 11 // server 12 int main(int argc, const char* argv[]) 13 { 14 // 创建监听的套接字 15 int lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); 16 if(lfd == -1) 17 { 18 perror("socket error"); 19 exit(1); 20 } 21 22 // 绑定 23 struct sockaddr_in serv_addr; 24 memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr)); 25 serv_addr.sin_family = AF_INET; 26 serv_addr.sin_port = htons(9999); 27 serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 本地多有的ＩＰ 28 // 127.0.0.1 29 // inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &serv_addr.sin_addr.s_addr); 30 31 // 设置端口复用 32 // 需要在ｂｉｎｄ函数之前设置 33 int opt = 1; 34 setsockopt(lfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, (void*)&opt, sizeof(opt)); 35 36 // 绑定端口 37 int ret = bind(lfd, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr)); 38 if(ret == -1) 39 { 40 perror("bind error"); 41 exit(1); 42 } 43 44 // 监听 45 ret = listen(lfd, 64); 46 if(ret == -1) 47 { 48 perror("listen error"); 49 exit(1); 50 } 51 52 // 阻塞等待连接请求， 并接受连接请求 53 struct sockaddr_in clien_addr; 54 socklen_t clien_len = sizeof(clien_addr); 55 int cfd = accept(lfd, (struct sockaddr*)&clien_addr, &clien_len); 56 if(cfd == -1) 57 { 58 perror("accetp error"); 59 exit(1); 60 } 61 62 char ipbuf[128]; 63 printf("client iP: %s, port: %d ", inet_ntop(AF_INET, &clien_addr.sin_addr.s_addr, ipbuf, sizeof(ipbuf)), 64 ntohs(clien_addr.sin_port)); 65 66 char buf[1024] = {0}; 67 while(1) 68 { 69 // read data 70 // int len = read(cfd, buf, sizeof(buf)); 71 int len = recv(cfd, buf, sizeof(buf), 0); 72 if(len == -1) 73 { 74 perror("recv error"); 75 exit(1); 76 } 77 else if(len == 0) 78 { 79 printf("客户端已经断开连接。。。 "); 80 break; 81 } 82 printf("read buf = %s ", buf); 83 // 小写转大写 84 for(int i=0; i<len; ++i) 85 { 86 buf[i] = toupper(buf[i]); 87 } 88 printf("after buf = %s ", buf); 89 90 // 大写串发给客户端 91 // write(cfd, buf, strlen(buf)+1); 92 ret = send(cfd, buf, strlen(buf)+1, 0); 93 if(ret == -1) 94 { 95 perror("send error"); 96 exit(1); 97 } 98 } 99 100 close(cfd); 101 close(lfd); 102 103 return 0; 104 105 }
>gcc server.c -o server
>./server
（这时候在server的终端Ctrl+c结束，立马就可以再次运行）
7、IO多路转接
》IO操作方式
》解决方案？
8、内核大致是如何实现IO转接的
9、select的参数和返回值
》为什么文件描述符最大为1024位？
fd_set内部数组实现的代码片段如下：
》文件描述符操作函数：（掌握函数调用）
10、select工作过程
11、select伪代码
》select多路转接伪代码：
1 int main() 2 { 3 int lfd = socket(); 4 bind(); 5 listen(); 6 7 //创建- 文件描述符表（temp做备份用） 8 fd_set reads, temp; 9 //初始化 10 fd_zero(&reads); 11 //监听的lfd加入到读集合 12 fd_set(lfd, &reads); 13 int maxfd = lfd;//maxfd初始化 14 15 while(1) 16 { 17 //委托检测 18 temp = reads; 19 int ret = select(maxfd + 1, &temp, NULL, NULL, NULL); 20 21 //是不是监听的 22 if(fd_isset(lfd, &temp)) 23 { 24 //接受新连接 25 int cfd = accept(); 26 //cfd加入读集合 27 fd_set(cfd, &reads); 28 //更新maxfd 29 maxfd = maxfd < cfd ? cfd : maxfd; 30 } 31 //客户端发送数据，如果lfd没有数据，为3 32 for(int i = lfd + 1; i <= maxfd; ++i) 33 { 34 if(fd_isset(i, &temp)) 35 { 36 int len = read();//读数据 37 if(len == 0)//对方断开连接 38 { 39 //cfd从读集合中del 40 fd_clr(i, &reads); 41 } 42 write(); 43 } 44 } 45 46 } 47 48 }
12、select代码实现
>touch select.c
>vi select.c
1 #include <stdio.h> 2 #include <unistd.h> 3 #include <stdlib.h> 4 #include <sys/types.h> 5 #include <string.h> 6 #include <sys/socket.h> 7 #include <arpa/inet.h> 8 #include <ctype.h> 9 #include <sys/select.h> 10 11 int main(int argc, const char* argv[]) 12 { 13 if(argc < 2) 14 { 15 printf("eg: ./a.out port "); 16 exit(1); 17 } 18 struct sockaddr_in serv_addr; 19 socklen_t serv_len = sizeof(serv_addr); 20 int port = atoi(argv[1]); 21 22 // 创建套接字 23 int lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); 24 // 初始化服务器 sockaddr_in 25 memset(&serv_addr, 0, serv_len); 26 serv_addr.sin_family = AF_INET; // 地址族 27 serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 监听本机所有的IP 28 serv_addr.sin_port = htons(port); // 设置端口 29 // 绑定IP和端口 30 bind(lfd, (struct sockaddr*)&serv_addr, serv_len); 31 32 // 设置同时监听的最大个数 33 listen(lfd, 36); 34 printf("Start accept ...... "); 35 36 struct sockaddr_in client_addr; 37 socklen_t cli_len = sizeof(client_addr); 38 39 // 最大的文件描述符 40 int maxfd = lfd; 41 // 文件描述符读集合 42 fd_set reads, temp; 43 // init 44 FD_ZERO(&reads); 45 FD_SET(lfd, &reads); 46 47 while(1) 48 { 49 // 委托内核做IO检测 50 temp = reads; 51 int ret = select(maxfd+1, &temp, NULL, NULL, NULL); 52 if(ret == -1)//select调用失败，退出当前进程 53 { 54 perror("select error"); 55 exit(1); 56 } 57 // 客户端发起了新的连接 58 if(FD_ISSET(lfd, &temp)) 59 { 60 // 接受连接请求 - accept不阻塞 61 int cfd = accept(lfd, (struct sockaddr*)&client_addr, &cli_len); 62 if(cfd == -1)//accept调用失败，退出当前进程 63 { 64 perror("accept error"); 65 exit(1); 66 } 67 char ip[64]; 68 printf("new client IP: %s, Port: %d ", 69 inet_ntop(AF_INET, &client_addr.sin_addr.s_addr, ip, sizeof(ip)), 70 ntohs(client_addr.sin_port)); 71 // 将cfd加入到待检测的读集合中 - 下一次就可以检测到了 72 FD_SET(cfd, &reads); 73 // 更新最大的文件描述符 74 maxfd = maxfd < cfd ? cfd : maxfd; 75 } 76 // 已经连接的客户端有数据到达 77 for(int i=lfd+1; i<=maxfd; ++i) 78 { 79 if(FD_ISSET(i, &temp))//必须判断是被内核修改过的表 80 { 81 char buf[1024] = {0}; 82 int len = recv(i, buf, sizeof(buf), 0); 83 if(len == -1)//recv调用失败，退出当前进程 84 { 85 perror("recv error"); 86 exit(1); 87 } 88 else if(len == 0) 89 { 90 printf("客户端已经断开了连接 "); 91 close(i); 92 // 从读集合中删除 93 FD_CLR(i, &reads); 94 } 95 else 96 { 97 printf("recv buf: %s ", buf);//接收数据 98 send(i, buf, strlen(buf)+1, 0);//数据发送出去 99 } 100 } 101 } 102 } 103 104 close(lfd); 105 return 0; 106 }
>gcc select.c -o select
>./select 9876
（打开另外两个终端，执行./client 9876，然后分别输入数据，看原server终端的接收情况）
只有一个进程，可以支持多客户端连接。
》poll内部fd_set是靠链表实现，无1024限制，epoll内部fd_set靠树实现，无1024限制。
》前两个缺点也是poll的。
13、poll函数介绍
14、poll实现IO转接代码分析
>touch poll.c
>vi poll.c
1 #include <stdio.h> 2 #include <unistd.h> 3 #include <stdlib.h> 4 #include <sys/types.h> 5 #include <string.h> 6 #include <sys/socket.h> 7 #include <arpa/inet.h> 8 #include <ctype.h> 9 #include <poll.h> 10 11 #define SERV_PORT 8989 12 13 int main(int argc, const char* argv[]) 14 { 15 int lfd, cfd; 16 struct sockaddr_in serv_addr, clien_addr; 17 int serv_len, clien_len; 18 19 // 创建套接字 20 lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); 21 // 初始化服务器 sockaddr_in 22 memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr)); 23 serv_addr.sin_family = AF_INET; // 地址族 24 serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 监听本机所有的IP 25 serv_addr.sin_port = htons(SERV_PORT); // 设置端口 26 serv_len = sizeof(serv_addr); 27 // 绑定IP和端口 28 bind(lfd, (struct sockaddr*)&serv_addr, serv_len); 29 30 // 设置同时监听的最大个数 31 listen(lfd, 36); 32 printf("Start accept ...... "); 33 34 // poll结构体 35 struct pollfd allfd[1024]; 36 int max_index = 0; 37 // init 38 for(int i=0; i<1024; ++i) 39 { 40 allfd[i].fd = -1; 41 } 42 allfd[0].fd = lfd; 43 allfd[0].events = POLLIN; 44 45 while(1) 46 { 47 int i = 0; 48 int ret = poll(allfd, max_index+1, -1); 49 if(ret == -1) 50 { 51 perror("poll error"); 52 exit(1); 53 } 54 55 // 判断是否有连接请求 56 if(allfd[0].revents & POLLIN) 57 { 58 clien_len = sizeof(clien_addr); 59 // 接受连接请求 60 int cfd = accept(lfd, (struct sockaddr*)&clien_addr, &clien_len); 61 printf("============ "); 62 63 // cfd添加到ｐｏｌｌ数组 64 for(i=0; i<1024; ++i) 65 { 66 if(allfd[i].fd == -1) 67 { 68 allfd[i].fd = cfd; 69 break; 70 } 71 } 72 // 更新最后一个元素的下标 73 max_index = max_index < i ? i : max_index; 74 } 75 76 // 遍历数组 77 for(i=1; i<=max_index; ++i) 78 { 79 int fd = allfd[i].fd; 80 if(fd == -1) 81 { 82 continue; 83 } 84 if(allfd[i].revents & POLLIN) 85 { 86 // 接受数据 87 char buf[1024] = {0}; 88 int len = recv(fd, buf, sizeof(buf), 0); 89 if(len == -1) 90 { 91 perror("recv error"); 92 exit(1); 93 } 94 else if(len == 0) 95 { 96 allfd[i].fd = -1; 97 close(fd); 98 printf("客户端已经主动断开连接。。。 "); 99 } 100 else 101 { 102 printf("recv buf = %s ", buf); 103 for(int k=0; k<len; ++k) 104 { 105 buf[k] = toupper(buf[k]); 106 } 107 printf("buf toupper: %s ", buf); 108 send(fd, buf, strlen(buf)+1, 0); 109 } 110 111 } 112 113 } 114 } 115 116 close(lfd); 117 return 0; 118 }
》select.c与poll.c代码对比
》扩展：代码对比工具——BCompare-4.0.7.19761
1 Beyond Compare 4 2 Licensed to: All User 3 Quantity: 1 user 4 Serial number: 1822-9597 5 License type: Pro Edition for Windows 6 7 --- BEGIN LICENSE KEY --- 8 H1bJTd2SauPv5Garuaq0Ig43uqq5NJOEw94wxdZTpU-pFB9GmyPk677gJ 9 vC1Ro6sbAvKR4pVwtxdCfuoZDb6hJ5bVQKqlfihJfSYZt-xVrVU27+0Ja 10 hFbqTmYskatMTgPyjvv99CF2Te8ec+Ys2SPxyZAF0YwOCNOWmsyqN5y9t 11 q2Kw2pjoiDs5gIH-uw5U49JzOB6otS7kThBJE-H9A76u4uUvR8DKb+VcB 12 rWu5qSJGEnbsXNfJdq5L2D8QgRdV-sXHp2A-7j1X2n4WIISvU1V9koIyS 13 NisHFBTcWJS0sC5BTFwrtfLEE9lEwz2bxHQpWJiu12ZeKpi+7oUSqebX+ 14 --- END LICENSE KEY -----
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