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
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。
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;
}