网站建设静态部分报告总结,php网站开发技术题目,重庆公司社保多少钱一个月,wordpress the_title第 12 章 I/O 复用
12.1 基于 I/O 复用的服务器端
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12.1 基于 I/O 复用的服务器端
多进程服务端的缺点和解决方法 为了构建并发服务器只要有客户端连接请求就会创建新进程。这的确是实际操作中采用的一种方案但并非十全十美因为创建进程要付出很大的代价。这需要大量的运算和内存空间由于每个进程都具有独立的内存空间所以相互间的数据交换也要采用相对复杂的方法IPC 属于相对复杂的通信方法。 I/O 复用技术可以解决这个问题。
理解复用 「复用」的含义 为了提高物理设备的效率只用最少的物理要素传递最多数据时使用的技术。 复用技术在服务器端的应用 服务器端引入复用技术可以减少所需进程数。下图是多进程服务端的模型 下图是引入复用技术之后的模型 从图上可以看出引入复用技术之后可以减少进程数。重要的是无论连接多少客户端提供服务的进程只有一个。
12.2 理解 select 函数并实现服务端 select 函数是最具代表性的实现复用服务器的方法。在 Windows 平台下也有同名函数所以具有很好的移植性。
select 函数的功能和调用顺序 使用 select 函数时可以将多个文件描述符集中到一起统一监视项目如下
是否存在套接字接收数据无需阻塞传输数据的套接字有哪些哪些套接字发生了异常 术语「事件」。当发生监视项对应情况时称「发生了事件」。 select 函数的使用方法与一般函数的区别很大更准确的说他很难使用。但是为了实现 I/O 复用服务器端我们应该掌握 select 函数并运用于套接字编程当中。认为「select 函数是 I/O 复用的全部内容」也并不为过。select 函数的调用过程如下图所示 设置文件描述符 利用 select 函数可以同时监视多个文件描述符。当然监视文件描述符可以视为监视套接字。此时首先需要将要监视的文件描述符集中在一起。集中时也要按照监视项接收、传输、异常进行区分即按照上述 3 种监视项分成 3 类。 利用 fd_set 数组变量执行此操作如图所示该数组是存有0和1的位数组。 图中最左端的位表示文件描述符 0所在位置。如果该位设置为 1则表示该文件描述符是监视对象。那么图中哪些文件描述符是监视对象呢很明显是描述符 1 和 3。在 fd_set 变量中注册或更改值的操作都由下列宏完成。
FD_ZERO(fd_set *fdset)将 fd_set 变量所指的位全部初始化成0FD_SET(int fd,fd_set *fdset)在参数 fdset 指向的变量中注册文件描述符 fd 的信息FD_CLR(int fd,fd_set *fdset)从参数 fdset 指向的变量中清除文件描述符 fd 的信息FD_ISSET(int fd,fd_set *fdset)若参数 fdset 指向的变量中包含文件描述符 fd 的信息则返回「真」 上述函数中FD_ISSET 用于验证 select 函数的调用结果通过下图解释这些函数的功能 设置检查监视范围及超时 下面是 select 函数的定义
#include sys/select.h
#include sys/time.hint select(int maxfd, fd_set *readset, fd_set *writeset,fd_set *exceptset, const struct timeval *timeout);
/*
成功时返回大于 0 的值失败时返回 -1
maxfd: 监视对象文件描述符数量
readset: 将所有关注「是否存在待读取数据」的文件描述符注册到 fd_set 型变量并传递其地址值。
writeset: 将所有关注「是否可传输无阻塞数据」的文件描述符注册到 fd_set 型变量并传递其地址值。
exceptset: 将所有关注「是否发生异常」的文件描述符注册到 fd_set 型变量并传递其地址值。
timeout: 调用 select 函数后为防止陷入无限阻塞的状态传递超时(time-out)信息
返回值: 发生错误时返回 -1,超时时返回0,。因发生关注的时间返回时返回大于0的值该值是发生事件的文件描述符数。
*/ 如上所述select 函数用来验证 3 种监视的变化情况根据监视项声明 3 个 fd_set 型变量分别向其注册文件描述符信息并把变量的地址值传递到上述函数的第二到第四个参数。但在此之前调用 select 函数之前需要决定下面两件事
文件描述符的监视检查范围是如何设定 select 函数的超时时间 第一文件描述符的监视范围和 select 的第一个参数有关。实际上select 函数要求通过第一个参数传递监视对象文件描述符的数量。因此需要得到注册在 fd_set 变量中的文件描述符数。但每次新建文件描述符时其值就会增加 1 故只需将最大的文件描述符值加 1 再传递给 select 函数即可。加 1 是因为文件描述符的值是从 0 开始的。 第二select 函数的超时时间与 select 函数的最后一个参数有关其中 timeval 结构体定义如下
struct timeval
{long tv_sec;long tv_usec;
}; 本来 select 函数只有在监视文件描述符发生变化时才返回。如果未发生变化就会进入阻塞状态。指定超时时间就是为了防止这种情况的发生。通过上述结构体变量将秒数填入 tv_sec 的成员将微妙数填入 tv_usec 的成员然后将结构体的地址值传递到 select 函数的最后一个参数。此时即使文件描述符未发生变化只要过了指定时间也可以从函数中返回。不过这种情况下 select 函数返回 0 。因此可以通过返回值了解原因。如果不想设置超时则传递 NULL 参数。
调用 select 函数查看结果 select 返回正整数时怎样获知哪些文件描述符发生了变化向 select 函数的第二到第四个参数传递的 fd_set 变量中将产生如图所示的变化 由图可知select 函数调用完成后向其传递的 fd_set 变量将发生变化。原来为 1 的所有位将变成 0但是发生了变化的文件描述符除外。因此可以认为值仍为 1 的位置上的文件描述符发生了变化。
select 函数调用示例
#include stdio.h
#include unistd.h
#include sys/time.h
#include sys/select.h
#define BUF_SIZE 30int main(int argc, char *argv[])
{fd_set reads, temps;int result, str_len;char buf[BUF_SIZE];struct timeval timeout;FD_ZERO(reads); // 初始化变量清空读取文件描述符集合FD_SET(0, reads); // 将标准输入文件描述符0添加到读取文件描述符集合中用于后续监视输入/*timeout.tv_sec5;timeout.tv_usec5000;*/while (1){temps reads; // 为了防止调用select函数后位的内容改变先提前存一下当前的读取文件描述符集合timeout.tv_sec 5; // 设置超时时间为5秒timeout.tv_usec 0;// 调用select函数来等待文件描述符的变化// 参数1要监视的文件描述符的最大值加1// 参数2读取文件描述符集合的指针用于监视其中文件描述符的变化// 参数3写文件描述符集合的指针这里传递0表示不监视写事件// 参数4异常文件描述符集合的指针这里传递0表示不监视异常事件// 参数5超时时间如果在指定时间内没有任何文件描述符的变化select会返回result select(1, temps, 0, 0, timeout);if (result -1){puts(select error!); // 如果select返回-1表示发生错误break;}else if (result 0){puts(Time-out!); // 如果select返回0表示超时即在指定时间内没有输入}else{if (FD_ISSET(0, temps)) // 验证发生变化的值是否是标准输入端文件描述符0{str_len read(0, buf, BUF_SIZE); // 从标准输入中读取数据buf[str_len] 0; // 在数据末尾添加null终止符将字符数组转换成字符串printf(message from console: %s, buf); // 将用户输入的数据打印出来}}}return 0;
}运行结果 可以看出如果运行后在标准输入流输入数据就会在标准输出流输出数据但是如果 5 秒没有输入数据就提示超时。
实现 I/O 复用服务器端 下面通过 select 函数实现 I/O 复用服务器端。下面是基于 I/O 复用的回声服务器端
#include stdio.h
#include stdlib.h
#include string.h
#include unistd.h
#include arpa/inet.h
#include sys/socket.h
#include sys/time.h
#include sys/select.h#define BUF_SIZE 100// 错误处理函数声明
void error_handling(char *message);int main(int argc, char *argv[])
{int serv_sock, clnt_sock;struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;struct timeval timeout;fd_set reads, cpy_reads;socklen_t adr_sz;int fd_max, str_len, fd_num, i;char buf[BUF_SIZE];// 检查命令行参数是否正确确保传入端口号if (argc ! 2){printf(Usage : %s port\n, argv[0]);exit(1);}// 创建服务器套接字serv_sock socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);// 初始化服务器地址结构memset(serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));serv_adr.sin_family AF_INET;serv_adr.sin_addr.s_addr htonl(INADDR_ANY);serv_adr.sin_port htons(atoi(argv[1]));// 绑定服务器套接字到指定端口if (bind(serv_sock, (struct sockaddr *)serv_adr, sizeof(serv_adr)) -1)error_handling(bind() error);// 开始监听连接请求if (listen(serv_sock, 5) -1)error_handling(listen() error);// 初始化文件描述符集合并将服务器套接字添加到集合中FD_ZERO(reads);FD_SET(serv_sock, reads); // 注册服务端套接字fd_max serv_sock; // 初始时最大文件描述符为服务器套接字while (1){cpy_reads reads; // 复制原始的文件描述符集合因为select会修改它// 设置超时时间为5秒 5000微秒timeout.tv_sec 5;timeout.tv_usec 5000;// 调用select函数开始监视文件描述符的变化fd_num select(fd_max 1, cpy_reads, 0, 0, timeout);// 如果select函数返回-1表示发生错误跳出循环if (fd_num -1)break;// 如果select函数返回0表示超时即在指定时间内没有任何文件描述符的变化继续下一次循环if (fd_num 0)continue;// 遍历文件描述符集合查找发生变化的文件描述符for (i 0; i fd_max 1; i){// 如果文件描述符i在cpy_reads集合中发生变化if (FD_ISSET(i, cpy_reads)){// 如果是服务器套接字表示有新的客户端连接请求if (i serv_sock){adr_sz sizeof(clnt_adr);clnt_sock accept(serv_sock, (struct sockaddr *)clnt_adr, adr_sz);// 注册新的客户端套接字FD_SET(clnt_sock, reads);// 更新最大文件描述符的值以确保下一次select正确工作if (fd_max clnt_sock)fd_max clnt_sock;printf(Connected client: %d \n, clnt_sock);}else // 不是服务器套接字即客户端套接字有数据到达{// 从客户端套接字i读取数据str_len read(i, buf, BUF_SIZE);// 如果读取到的数据长度为0表示客户端关闭连接if (str_len 0){// 从文件描述符集合中移除该套接字并关闭连接FD_CLR(i, reads);close(i);printf(Closed client: %d \n, i);}else{// 将读取到的数据回传给客户端write(i, buf, str_len);}}}}}// 关闭服务器套接字close(serv_sock);return 0;
}// 错误处理函数的定义
void error_handling(char *message)
{fputs(message, stderr);fputc(\n, stderr);exit(1);
}配合客户端运行结果 从图上可以看出虽然只用了一个进程但是却实现了可以和多个客户端进行通信这都是利用了 select 的特点。 习题
1、请解释复用技术的通用含义并说明何为 I/O 复用。 复用技术的通用含义是指在某种情况下利用一种机制或方法同时处理多个任务或请求从而提高系统的效率和资源利用率。这种技术允许一个进程或线程同时监视多个事件并在事件发生时进行相应的处理而不需要为每个事件创建单独的处理线程或进程。 I/O复用是一种特定的复用技术用于处理输入/输出I/O操作。在传统的阻塞I/O中一个进程在执行I/O操作时会被阻塞直到操作完成才能继续执行。这意味着一个进程在处理一个I/O操作时会停止响应其他的请求。而I/O复用允许一个进程同时监视多个I/O事件比如监视多个文件描述符是否有数据可读或可写或者监视多个套接字是否有连接请求。当有一个或多个I/O事件就绪时进程可以立即进行相应的处理而不会被阻塞。
2、多进程并发服务器的缺点有哪些如何在 I/O 复用服务器中弥补 多进程需要进行大量的运算和大量的内存空间。在 I/O 复用服务器中通过 select 函数监视文件描述符通过判断变化的文件描述符来得知变化的套接字是哪个从而实时应答来自多个客户端的请求。
3、select 函数的观察对象中应包含服务端套接字监听套接字那么应将其包含到哪一类监听对象集合请说明原因。 应该包含到「是否存在待读取数据」。因为服务端套接字主要用于监听新的客户端连接请求而监听新的连接请求本质上是一个读取事件。
