1.socket 通信
1.1 大小端转换
- 主机字节序 16 位值 <==> 网络字节序 16 位值
- 主机字节序 32 位值 <==> 网络字节序 32 位值
#include <arpa/inet.h> // 主机字节序转换为网络字节序 uint16_t htons(uint16_t hostshort); // host to net unsigned short 可用端口转换 unit32_t htonl(unit32_t hostlong); // host to net unsigned int 可用ip地址转换 // 网络字节序转换为主机字节序 uint16_t ntohs(uint16_t netshort); unit32_t ntohl(unit32_t netlong);
1.2 IP地址转换
- 主机字节序的字符串IP地址 <==> 网络字节序的整形IP地址
#include <arpa/inet.h> // 主机字节序IP to 网络字节序（大端）IP int inet_pton(int af, const char* src, void* dst); /* 参数: af: 地址族协议 AF_INET(ipv4), AF_INET6(ipv6) src: 主机字节序的字符串类型的IP地址，被转换的数据 dst: 传出参数, 存储转换之后的大端的IP地址 返回值: 成功0; 失败-1 */ const char *int_ntop(int af, const void *src, char *dst, socklen_t size); /* 参数: af: 地址族协议 AF_INET; AF_INET6 src: 传入参数, 要被转换的数据指针, 指向内存中存储的大端IP地址（整形数） dst: 传出参数, 指针指向主机字节序, 字符串类型的IP地址 size: dst指向的内存的大小 返回值: 成功: 返回指向 dst 指针指向的内存 失败: NULL */
1.3 套接字相关函数
1.3.1 socket 创建
#include <arpa/inet.h> // 该头文件包括了 <sys/socket.h> int socket(int domain, int type, int protocol); /* 参数: domain: AF_INET; AF_INET6 type: SOCK_STREAM: 流式传输协议 SOCK_DGRAM: 报式传输协议 protocol: 默认写0 流式传输默认 TCP 报式传输默认 UDP 返回值: 成功: 返回文件描述符 失败: 返回-1 */
1.3.2 bind 绑定套接字
将监听的套接字和本地IP和端口进行关联
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen); /* 参数: sockfd: 用于监听的套接字, 通过socket创建 addr: 将本地ip和端口初始化给该结构体（需要用大端） 绑定的时候服务器一般ip使用宏 INADDR_ANY (0) 0 表示绑定该主机的所有ip地址, 多个网卡可能有多个ip addrlen: 记录第二个指针指向内存的大小, sizeof(struct sockaddr) 返回值: 成功0, 失败-1 */
1.3.3 listen 监听套接字
给监听的套接字设置监听，开始检测客户端链接
int listen(int sockfd, int backlog); /* 参数: sockfd: 监听的套接字, 设置监听前需要先绑定 backlog: 可以同时检测的新的连接个数, 最大值128 返回值: 成功0, 失败-1 */
1.3.4 accept 接收客户端连接
等待并接受客户端的连接，阻塞函数，没有客户端连接就阻塞，监听的文件描述符缓冲区没有数据就阻塞，有数据就解除阻塞建立连接，连接建立成功后，返回一个通信用的文件描述符
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen); /* 参数: sockfd: 监听的文件描述符 addr: 传出参数, 保存了建立连接的客户端的地址信息(ip 端口) -> 大端存储 不需要客户端信息则填NULL addrlen: 传入传出参数, 传入addr指针指向的内存大小, 传出存储了客户端信息的addr内存大小 addr为NULL，则该参数也填NULL 返回值: 文件描述符或-1 */
1.3.5 read、recv 读数据
读取数据，如果数据区空会读堵塞
ssize_t read(int sockfd, void *buf, size_t size); ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t size, int flags); /* 参数: sockfd: 通信文件描述符 服务器端: accept 返回值 客户端: socket 创建得到, connect 初始化连接 buf: 存储接收到的数据, 数据来自文件描述符对应的缓冲区 size: buf 的内存容量 flag: 默认属性0即可 返回值: >0: 读到的字节数 =0: 对方断开连接 -1: 读异常, 失败 */
1.3.6 write、send 写数据
发送数据，如果数据区满会写阻塞
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t len); ssize_t send(int fd, const void *buf, size_t len, int flags); /* 参数: fd: 通信的文件描述符 buf: 要发送的数据缓冲区 len: 缓冲区大小 flags: 使用默认属性0即可 */
1.3.7 connect 客户端连接
客户端连接服务器
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen); /* 参数: sockfd: 通信文件描述符 addr: 连接服务器的ip和端口信息（需要使用大端描述） addrlen: 参数addr指向的内存大小 返回值: 成功0; 失败-1 */
1.4 套接字选项
该函数用来设置套接字选项，端口复用、广播、组播等，下面是端口复用的参数解释
int setsockopt(int sockfd, int level, int optname, const void *optval, socklen_t optlen); /* 参数 sockfd: 监听的套接字 level: SOL_SOCKET optname: SO_REUSEPORT optval: 实际类型int 0 -> 端口不复用 1 -> 端口复用 optlen: optval 指针指向的内存大小 sizeof(int) 返回值 成功0, 失败-1 */
2. IO多路复用
2.1 select
- 构造一个文件描述符列表，将要监听的文件描述符添加到该列表中（最大支持1024，线性描述） 调用一个函数，监听该表中的文件描述符，知道这些描述符中的一个进行IO操作时，函数返回（该函数为阻塞函数，检测由内核完成）
- 读集合：检测文件描述符列表的读缓冲区
- 监听的文件描述符：新客户端连接
- 通信的文件描述符：新数据到达
-
- 写集合：内核检测集合中文件描述符是否可写
- 通信的文件描述符
- 异常集合：检测文件描述符是否有异常
- 写集合：内核检测集合中文件描述符是否可写
- 返回时，告诉进程有哪些描述符需要进行IO操作
#include <sys/select.h> int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout); /* 参数: nfds: 下面三个集合中, 最大文件描述符值 + 1 readfds: 传出传出参数，读集合，检测若干文件描述符的读缓冲区（新连接 / 新数据） writefds: 传入传出参数，写集合，检测若干文件描述符的写缓冲区（一般都可写，很少用） execptfds: 传入传出参数，异常集合 timeout: 表示时间段，最长检测多长时间，超过这个时间还在阻塞就解除阻塞 NULL 一直阻塞等待； 0 函数调用后立刻返回 返回值: >0: 检测完成后，满足条件的总个数 =0: 超时强制返回 - 1: 失败 */
timeval 结构体
struct timeval { time_t tv-sec; suseconds_t tv_usec; };
fd_set 文件描述符集合（位操作）操作函数
void FD_CLR(int fd, fd_set *set); // 删除fd int FD_ISSET(int fd, fd_set *set); // 判断fd是否在集合 void FD_SET(int fd, fd_set *set); // 添加fd void FD_ZERO(fd_set *set); // 清空fd（初始化）
2.2 epoll
在select/poll时代，服务器进程每次都把这100万个连接告诉操作系统(从用户态复制句柄数据结构到内核态)，让操作系统内核去查询这些套接字上是否有事件发生，轮询完后，再将句柄数据复制到用户态，让服务器应用程序轮询处理已发生的网络事件，这一过程资源消耗较大，因此，select/poll一般只能处理几千的并发连接。
epoll的设计和实现与select完全不同。epoll通过在Linux内核中申请一个简易的文件系统。把原先的select/poll调用分成了3个部分：
1）调用epoll_create()建立一个epoll对象(在epoll文件系统中为这个句柄对象分配资源)
2）调用epoll_ctl向epoll对象中添加这100万个连接的套接字
3）调用epoll_wait收集发生的事件的连接
如此一来，要实现上面说是的场景，只需要在进程启动时建立一个epoll对象，然后在需要的时候向这个epoll对象中添加或者删除连接。同时，epoll_wait的效率也非常高，因为调用epoll_wait时，并没有一股脑的向操作系统复制这100万个连接的句柄数据，内核也不需要去遍历全部的连接。
2.2.1 epoll_create 创建 epoll
#include <sys/epoll.h> int epoll_create(int size); /* 参数: size: 没有实际意义, 大于0即可 返回值: 成功: 返回一个文件描述符 该文件描述符对应的指针存储了红黑树的根节点 失败: -1 */
2.2.2 epoll_ctl 操作epoll
实现对 epoll 树上节点的操作（添加、修改、删除节点）
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event); /* 参数: epfd: epoll_create() 函数的返回值，找到对应的epoll实例 op: EPOLL_CTL_ADD: 添加新节点 EPOLL_CTL_MOD: 修改已经添加到树上节点的属性（读改写） EPOLL_CTL_DEL: 删除节点 fd: 要操作的文件描述符 添加 / 修改 / 删除（监听、通信） event: 对应的事件（若删除填NULL） EPOLLIN: 读事件 EPOLLOUT: 写事件 */
- epoll_data
typedef union epoll_data{ void *ptr; int fd; // 该联合体常用这个 uint32_t u32; uint64_t u64; } epoll_data_t;
- epoll_event
- event 是位操作，EPOLLIN 检测写缓冲区，EPOLLOUT 检测读缓冲区
- data.fd 等于 epoll_ctl 函数调用的第三个参数
struct epoll_event{ uint32_t event; // Epoll events; epoll_data_t data; // User data variable };
2.2.3 epoll_wait
阻塞函数，委托内核检测epoll树上文件描述符的状态，如果没有状态变化，默认一直阻塞
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout); /* 参数: epfd: epoll_create() 的返回值, 找到epoll实例 event: 传出参数，记录了这轮检测到epoll模型中有状态变化的文件描述符（结构体数组地址） maxevent: events数组的容量 timeout: 超时时长 ms（-1一直阻塞; 0立即返回） 返回值: 成功: 有多少文件描述符发生变化 */
2.2.4 Level triggered 水平模式（默认）
LT（level triggered）是缺省的工作方式，同时支持 block 和 no-block socket。这种模式下，内核会通知文件描述符是否就绪，如果不进行任何操作，内核会一直通知你该文件描述符就绪
2.2.5 Edge triggered 边沿模式
ET（edge triggered）是高速工作模式，只支持 no-block socket。这种模式下，如果接到通知，但是没有把数据从缓冲区读完，epoll_wait不会再次通知；直到再次接收到新数据也一样通知一次，但是此时他会接着上次的缓冲区数据读。
struct epoll_event ev; ev.events = EPOLLIN | EPOLLET; // 设置文件描述符为边沿模式 ev.data.fd = lfd;
使用边沿模式读数据需要在收到消息后我们一般需要 while(1) 死循环读取数据直到缓冲区数据读完，所以需要设置文件描述符为非阻塞状态，让read可以非阻塞读取数据，通过 read 的返回值判断是否结束该死循环
int fcntl(int fd, int cmd, ...); int flag = fcntl(cfd, F_GETFL); flag = flag | O_NONBLOCK; fcntl(cfd, F_SETFL, flag); //设置文件描述符为非阻塞, read函数再读取不会阻塞
最后因为这里已经设置为非阻塞，可以根据read的返回值判断是否已经读完缓冲区了，如果读完了会有errno EAGAIN的错误码，根据该错误码跳出循环即可
while(1) { int len = recv(curfd, buf, sizeof(buf), 0); if(len > 0) printf("打印接收的数据"); else if( len == 0) printf("断开连接"); else { if(errno==EAGAIN) { printf("数据读完了"); break; // 跳出循环 } perror("接收错误"); exit(0); } }
2.2.4 服务器代码示例
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> #include <string.h> #include <arpa/inet.h> #include <sys/epoll.h> int main() { // 1. 创建套接字 int lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); if(lfd == -1) { perror("socket error"); exit(1); } // 2.将 套接字 和 ip端口 绑定 struct sockaddr_in addr; addr.sin_family = AF_INET; // ipv4 addr.sin_addr.s_addr= INADDR_ANY; // 0地址（本地任意地址） addr.sin_port = htons(8989); // 端口转为大端 int ret = bind(lfd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr)); if(ret == -1) { perror("bind error"); exit(2); } // 3.设置监听 ret = listen(lfd, 128); if(ret == -1) { perror("listen error"); exit(3); } // 4.初始化检测的集合 int epfd = epoll_create(1); if(epfd == -1) { perror("epoll_create error"); exit(4); } // 5.将要检测的节点添加到epoll树中 struct epoll_event ev; ev.events = EPOLLIN; ev.data.fd = lfd; ret = epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, lfd, &ev); if(ret == -1) { perror("epoll_ctl"); exit(5); } // 6.委托内核检测epoll树中的文件描述符状态 struct epoll_event evs[1024]; int size = sizeof(evs) / sizeof(evs[0]); while(1) { int num = epoll_wait(epfd, evs, size, -1); // 把文件描述符发生变化的储存到 evs 数组中 printf("num = %d\n", num); // 遍历evs数组 for(int i=0; i<num; i++) { int curfd = evs[i].data.fd; if(curfd == lfd) // lfd 套接字状态改变说明有新链接请求 { int cfd = accept(lfd, NULL, NULL); ev.events = EPOLLIN; ev.data.fd = cfd; epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, cfd, &ev); // 把新的链接加入到epoll树中 } else // 其他套接字状态改变说明有新数据抵达 { char buf[1024]; memset(buf, 0, sizeof(buf)); int len = recv(curfd, buf, sizeof(buf), 0); if(len == 0) { printf("客户端断开了链接...\n"); epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, curfd, NULL); close(curfd); } else if(len>0) { printf("recv data: %s\n"); send(curfd, buf, len, 0); } else { perror("recv error"); exit(6); } } } } }