select I/O 多路复用实现服务器聊天室功能

2023-05-16

基本概念

　IO多路复用是指内核一旦发现进程指定的一个或者多个IO条件准备读取，它就通知该进程。IO多路复用适用如下场合：

　　（1）当客户处理多个描述字时（一般是交互式输入和网络套接口），必须使用I/O复用。

　　（2）当一个客户同时处理多个套接口时，而这种情况是可能的，但很少出现。

　　（3）如果一个TCP服务器既要处理监听套接口，又要处理已连接套接口，一般也要用到I/O复用。

　　（4）如果一个服务器即要处理TCP，又要处理UDP，一般要使用I/O复用。

　　（5）如果一个服务器要处理多个服务或多个协议，一般要使用I/O复用。

　　与多进程和多线程技术相比，I/O多路复用技术的最大优势是系统开销小，系统不必创建进程/线程，也不必维护这些进程/线程，从而大大减小了系统的开销。

select 函数　　

int select(int maxfdp1,fd_set *readset,fd_set *writeset,fd_set *exceptset,const struct timeval *timeout)

第一个参数maxfdp1指定待测试的描述字个数，它的值是待测试的最大描述字加1（因此把该参数命名为maxfdp1），描述字0、1、2…maxfdp1-1均将被测试。
中间的三个参数readset、writeset和exceptset指定我们要让内核测试读、写和异常条件的描述字。如果对某一个的条件不感兴趣，就可以把它设为空指针。struct fd_set可以理解为一个集合，这个集合中存放的是文件描述符，可通过以下四个宏进行设置：


          void FD_ZERO(fd_set *fdset);           //清空集合

          void FD_SET(int fd, fd_set *fdset);   //将一个给定的文件描述符加入集合之中

          void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset);   //将一个给定的文件描述符从集合中删除

          int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset);   // 检查集合中指定的文件描述符是否可以读写

timeout告知内核等待所指定描述字中的任何一个就绪可花多少时间。其timeval结构用于指定这段时间的秒数和微秒数。
```
 struct timeval{

           long tv_sec;   //seconds

           long tv_usec;  //microseconds
```
};
这个参数有三种可能：

（1）永远等待下去：仅在有一个描述字准备好I/O时才返回。为此，把该参数设置为空指针NULL。

（2）等待一段固定时间：在有一个描述字准备好I/O时返回，但是不超过由该参数所指向的timeval结构中指定的秒数和微秒数。

（3）根本不等待：检查描述字后立即返回，这称为轮询。为此，该参数必须指向一个timeval结构，而且其中的定时器值必须为0。

select函数注意事项

文件的描述符的监视范围与第一个函数参数有关
函数的超时时间与select函数的最后一个结构体 timeval有关
select函数只有在监视的文件描述符发生变化才返回，如果未发生变化，就会发生阻塞，指定超时就是为了防止上述情况
将准备好的fd_set变量reads的内容复制到temps变量，因为调用函数后除了发生变化的描述符对应的位为1，其他的都为0,也就是说客户端在线，但是没有发生通讯，这个时候要记住这个在线的客户端就必须要
进行复制，这是使用select的通用方法。
timeval每次循环都会被初始化一次
select 的函数返回值只有标记作用，只表示发生变化的活跃的描述符数目，要想知道哪些描述符发生变化，还得必须遍历FD_SET，代码如下：

while(1)
{
    timeout.tv_sec=30;//设置系统延迟等待时间30s
    timeout.tv_usec=0;
    temp_set=read_set;
    result=select(fd_max+1,&temp_set,NULL,NULL,&timeout);
    if(result==-1)
    {
        std::cout<<"select error!"<<std::endl;
        break;
        }
        if(result==0)
        {
            std::cout<<"server waiting time out!"<<std::endl;
            continue;
        }
        for(int index=0;index!=fd_max+1;index++)
        {
            if(FD_ISSET(index,&temp_set))
            {
                if(index==fd_server)//处理上线
                {
                    handle_on();
                }
                else
                {
                    handle_task(index);//处理客户端上线以外其他的业务
                }
            }
        }
    }
}

上面的例子result知识起一个判断作用，要想获取详细信息，还得遍历FD_SET，从0到fd_max+1;
当管道一端被关闭时候，遵循下面两条规则：
(1) 当读一个写端已经被关闭的管道，在所有的数据都被读取后，read返回0，表示文件结束
(2)如果写一个读端已经被关闭的管道，则产生信号SIGPIPE，该信号可以被捕捉。
下面的代码就是父进程通知服务器客户端已经下线，服务器端则关闭子进程的两个管道的读写描述符，子进程读到0后自动返回，退出循环。

void chat()
{
    fd_write=open(m_pipe_wpath.c_str(),O_WRONLY);
    fd_read=open(m_pipe_rpath.c_str(),O_RDONLY);
    if(fork()==0)
    {
        close(fd_server);
        close(fd_write);
        while(bzero(msg,1024),read(fd_read,msg,1024)!=0)
        {
            std::cout<<msg<<std::endl;
        }
        close(fd_read);
        exit(0);
    }
    close(fd_read);
    while(bzero(msg,1024),fgets(msg,1024,stdin)!=NULL)
    {
        write(fd_write,msg,strlen(msg));
    }
}

select多路复用服务器流程图

服务器流程

代码区域

服务器端代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
#include <signal.h>
#include <json/json.h>
#include <stdexcept>
#include <iostream>
#include <sstream>
#define FD_MAX 1023
namespace SELECT
{
    struct Client_info
    {
        Client_info():m_next(NULL){}
        int m_pid;
        int m_read;
        int m_write;
        std::string m_name;
        Client_info* m_next;
    };
    void sighandle(int signum)
    {
        std::cout<<"Capture signal is "<<signum<<std::endl;
    }
    class Select
    {
        public:
            Select(const std::string pipe_path):m_head(NULL)
        {
            fd_server=open(pipe_path.c_str(),O_RDONLY);
            if(fd_server==-1)
            {
                throw std::runtime_error("open pipe failed");
            }
            fd_max=fd_server;//可以避免扫描整个集合
            signal(SIGPIPE,sighandle);
        }
            void init()
            {
                FD_ZERO(&read_set);
                FD_ZERO(&temp_set);
                FD_SET(fd_server,&read_set);
            }
            void handle_on()//处理上线消息
            {
                char recv_msg[1024];
                read(fd_server,recv_msg,1024);
                std::string msg(recv_msg);
                if(msg.find("on")!=std::string::npos)
                {
                    online(msg);
                }
            }
            void online(const std::string& msg)
            {
                Json::Value value;
                reader.parse(msg,value,false);//解析客户端上线消息
                Client_info* inode=new Client_info();
                inode->m_pid=value["pid"].asInt();//进程ID
                inode->m_name=value["name"].asString();//客户端名字
                inode->m_read=open(value["pipe_w"].asString().c_str(),O_RDONLY);//打开读写管道
                inode->m_write=open(value["pipe_r"].asString().c_str(),O_WRONLY);
                if(inode->m_read>fd_max)
                    fd_max=inode->m_read;
                inode->m_next=m_head;
                m_head=inode;
                FD_SET(inode->m_read,&read_set);//将读描述符放入监听集合
                std::stringstream ss;
                ss<<inode->m_name<<" is on line !"<<std::endl;
                std::string onmsg=ss.str();
                std::cout<<onmsg;
                dispatch(onmsg,inode->m_pid);/*群发客户端上线消息*/
            }
            void offline(const std::string& msg)
            {
                Json::Value value;
                reader.parse(msg,value,false);//解析客户端的下线消息,提取客户端的进程ID
                Client_info* search=m_head;
                Client_info* pre=NULL;
                while(search)
                {
                    if(search->m_pid==value["pid"].asInt())//找到下线的客户端
                    {
                        break;
                    }
                    pre=search;
                    search=search->m_next;
                }
                FD_CLR(search->m_read,&read_set);//将下线客户端描述符从监听集删除
                std::stringstream ss;
                ss<<search->m_name<<" off line normal"<<std::endl;
                std::string offmsg=ss.str();
                std::cout<<offmsg;
                dispatch(offmsg,search->m_pid);/*群发该客户端下线的消息*/
                close(search->m_read);
                close(search->m_write);//关闭下线客户端的读写描述符
                if(pre==NULL)/*将下线的客户端从链表中移除同时释放空间*/
                {
                    m_head=search->m_next;
                    search->m_next=NULL;
                    delete search;
                }
                else
                {
                    pre->m_next=search->m_next;
                    delete search;
                }
            }
            void dropoff(const int& read)
            {
                Client_info* search=m_head;
                Client_info* pre=NULL;
                while(search)
                {
                    if(search->m_read==read)//找到掉线的客户端
                    {
                        break;
                    }
                    pre=search;
                    search=search->m_next;
                }
                FD_CLR(search->m_read,&read_set);//将掉线客户端描述符从监听集删除
                std::stringstream ss;
                ss<<search->m_name<<" drop off line !"<<std::endl;
                std::string offmsg=ss.str();
                std::cout<<offmsg;
                dispatch(offmsg,search->m_pid);/*群发该客户端掉线的消息*/
                close(search->m_read);
                close(search->m_write);//关闭掉线客户端的读写描述符
                if(pre==NULL)/*将线的客户端从链表中移除同时释放空间*/
                {
                    m_head=search->m_next;
                    search->m_next=NULL;
                    delete search;
                }
                else
                {
                    pre->m_next=search->m_next;
                    delete search;
                }
            }
            void handle_task(const int& index)
            {
                char recv_buf[1024]="";
                int recv_len=read(index,recv_buf,1024);
                if(recv_len==0)
                {
                    dropoff(index);       //处理掉线
                }
                else if(recv_len>0)
                {
                    std::string msg(recv_buf);
                    if(msg.find("off")!=std::string::npos)//客户端正常下线
                    {
                        offline(msg);        
                    }
                    else                                    
                    {
                        sendmsg(msg);      //客户端正常发消息
                    }
                }
            }
            void sendmsg(const std::string& msg)
            {
                Json::Value msginfo;
                reader.parse(msg,msginfo,false);    
                int msg_pid=msginfo["pid"].asInt();
                std::string clientname=msginfo["name"].asString();
                std::string clientmsg=msginfo["msg"].asString();
                std::stringstream ss;
                ss<<clientmsg<<"from client :"<<clientname<<std::endl;
                std::string msgmsg=ss.str();
                dispatch(msgmsg,msg_pid);
            }
            void dispatch(const std::string& msg,const int& pid)
            {
                Client_info* broadcast=m_head;
                while(broadcast)
                {
                    if(broadcast->m_pid!=pid)//不能加入FD_ISSET来判断,否则未活动的描述符就收不到消息了
                    {
                        write(broadcast->m_write,msg.c_str(),msg.size());
                    }
                    broadcast=broadcast->m_next;
                }
            }
            void wait()
            {
                init();
                std::cout<<"server waiting for connecting"<<std::endl;
                while(1)
                {
                    timeout.tv_sec=30;//设置系统延迟等待时间30s
                    timeout.tv_usec=0; 
                    temp_set=read_set;
                    result=select(fd_max+1,&temp_set,NULL,NULL,&timeout);
                    if(result==-1)
                    {
                        std::cout<<"select error!"<<std::endl;
                        break;
                    }
                    if(result==0)
                    {
                        std::cout<<"server waiting time out!"<<std::endl;
                        continue;
                    }
                    for(int index=0;index!=fd_max+1;index++)
                    {
                        if(FD_ISSET(index,&temp_set))
                        {
                            if(index==fd_server)//处理上线
                            {
                                handle_on(); 
                            }
                            else
                            {
                                handle_task(index);//处理客户端上线以外其他的业务
                            }
                        }
                    }
                }
            }
        private:
            Client_info* m_head;
            fd_set read_set;
            fd_set temp_set;
            struct timeval timeout;
            int result;
            int fd_server;
            int fd_max;
            Json::FastWriter writer;
            Json::Reader reader;
    };
}

服务器端测试代码：

#include"select_pro.hpp"
int main(int argc,char** argv)
{
    SELECT::Select* server=new SELECT::Select(argv[1]);
    server->init();
    server->wait();
}

客户端代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <strings.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/wait.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
#include <json/json.h>
#include <stdexcept>
#include <iostream>
#include <sstream>
namespace CLIENT
{
    class Client
    {
        public:
            Client(const std::string& server_path,const std::string& pipe_rpath,const std::string& pipe_wpath,const std::string& name):m_pipe_rpath(pipe_rpath),m_pipe_wpath(pipe_wpath),m_name(name)
        {
            fd_server=open(server_path.c_str(),O_WRONLY);//打开服务器端描述符
            if(fd_server==-1)
            {
                perror("open fd_server");
            }
        }
            void connect()
            {
                std::cout<<"connect server"<<std::endl;
                Json::Value info;
                info["name"]=m_name;
                info["pid"]=getpid();
                info["pipe_r"]=m_pipe_rpath;
                info["pipe_w"]=m_pipe_wpath;
                info["type"]="on";
                std::string jsonfile=writer.write(info);
                write(fd_server,jsonfile.c_str(),jsonfile.size());
            }
            void chat()
            {
                fd_write=open(m_pipe_wpath.c_str(),O_WRONLY);
                fd_read=open(m_pipe_rpath.c_str(),O_RDONLY);
                if(fork()==0)
                {
                    close(fd_server);
                    close(fd_write);
                    while(bzero(msg,1024),read(fd_read,msg,1024)!=0)
                    {
                        std::cout<<msg<<std::endl;
                    }
                    close(fd_read);
                    exit(0);
                }
                close(fd_read);
                while(bzero(msg,1024),fgets(msg,1024,stdin)!=NULL)
                {
                    write(fd_write,msg,strlen(msg));
                }
            }
            void offline()
            {
                Json::Value info;
                info["pid"]=getpid();
                info["type"]="off";
                std::string jsonfile=writer.write(info);
                write(fd_write,jsonfile.c_str(),jsonfile.size());
                std::cout<<"waiting........"<<std::endl;
                wait(NULL);
                std::cout<<"waited !"<<std::endl;
                close(fd_server);
                close(fd_write);
            }
        private:
            int fd_write;
            int fd_read;
            int fd_server;
            std::string m_name;
            std::string m_pipe_rpath;
            std::string m_pipe_wpath;
            Json::FastWriter writer;
            Json::Reader reader;
            char msg[1024];
    };
}

客户端测试代码

#include"client_pro.hpp"
//#include"client.hpp" 
int main(int argc,char** argv)
{
    CLIENT::Client* client=new CLIENT::Client(argv[1],argv[2],argv[3],argv[4]);
    client->connect();
    client->chat();
    client->offline();
}

本文内容由网友自发贡献，版权归原作者所有，本站不承担相应法律责任。如您发现有涉嫌抄袭侵权的内容，请联系:hwhale#tublm.com(使用前将#替换为@)