【Linux】Linux网络编程（含常见服务器模型，下篇）

灰太狼 2022-05-14 03:16 227阅读 0赞

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## 高级嵌套字函数 ##

前面介绍的一些函数（read、write等）都是网络程序里最基本的函数，也是最原始的通信函数。下面介绍一下几个网络编程的高级函数：

### recv()函数 ###

int recv(int s, void *buf, int len, unsigned int flags);

函数说明：经socket接收数据，recv()用来接收远程主机指定的socket传来的数据，并把数据存到参数buf指向的内存空间，参数len为可接收数据的最大长度。参数flags一般设为0，其数值定义如下：

MSG\_OOB：接收以out-of-band送出的数据；MSG\_PEEK：返回来的数据并不会在系统内删除，如果再调用recv()会返回相同的数据内容；MSG\_WAITALL：强迫接收到len大小的数据后才能返回，除非有错误或信号发生；MSG\_NOSIGNAL：此操作不愿被SIGPIPE信号中断。

返回值：成功则返回接收到的字符数，失败则返回-1，错误码保存在errno中。

### send()函数 ###

int send(int s, const void *msg, int len, unsigned int flags);

函数说明：经socket发送数据，send()用来将数据由指定的socket传给对方主机。参数s为已建好连线的socket，参数msg指向欲连线的数据内容，参数len则为数据长度，参数flags一般设为0，其数值定义如下：

MSG\_OOB：传送的数据以out-of-band送出；MSG\_DONTROUTE：取消路由表查询；MSG\_DONTWAIT：设置为不可阻断运作；MSG\_NOSIGNAL：此动作不愿被SIGPIPE信号中断。

返回值：成功则返回接收到的字符数，失败则返回-1。

### recvmsg()函数 ###

int recvmsg(int s, struct msghdr *msg, unsigned int flags);

函数说明：经socket接收数据，recvmsg()用来接收远程主机指定的socket传来的数据。参数s为已建立好连线的socket，如果利用UDP协议，则不需要经过连线操作。参数msg指向欲年限的数据结构内容，参数glags一般设置为0。

返回值：成功则返回接收到的字符数，失败则返回-1。

### sendmsg()函数 ###

int sendmsg(int s, struct msghdr *msg, unsigned int flags);

函数说明：经socket发送数据，sendmsg()用来将数据由指定的socket传给对方主机。参数s为已建好连线的socket，如果利用UDP协议，则不需要经过连线操作。参数msg指向欲连线的数据内容，参数len则为数据长度，参数flags一般设为0。

返回值：成功则返回接收到的字符数，失败则返回-1。

结构msghdr的定义如下：

struct msghdr
    {
            void *msg_name;                //发送接收地址
            socklen_t msg_namelen;                //地址长度
            struct iovec *msg_iov;                //发送/接收数据量
            size_t msg_iovlen;                //元素个数
            void *msg_control;                //补充数据
            size_t msg_controllen;                //补充数据缓冲长度
            int msg_flags;                //接收消息标识
    };

### 嵌套字的关闭 ###

**关闭嵌套字有两个函数close()和shutdown()，用close()时和用户关闭文件类似。**

int shutdown(int s, int how);

函数说明：终止socket通信，shutdown()用来终止参数s所指定的socket连线。参数how有三种情况：

how=0：终止读取操作；how=1：终止传送操作；how=2：终止读取及传送操作。

返回值：成功则返回0，失败则返回-1。

close()和shutdown()的区别：

*  **对应的系统调用不同，close()函数对应的系统调用是sys\_close()，在fs/open.c中定义。shutdown()函数对应的系统调用是sys\_shutdown()，在net/socket.c中定义；**
 *  **shutdown()只能用于套接字文件，close()可以用于所有文件类型；**
 *  **shutdown()可以选择关闭全双工连接的读通道或者写通道，并没有释放文件描述符，close()会同时关闭全双工连接的读写通道，除了关闭连接外，还会释放套接字占用的文件描述符；**
 *  **close()函数会关闭套接字ID，如果有多个进程共享一个套接字，close()每被调用一次，计数减1，直到计数为0时，也就是所用进程都调用了close()，套接字将被释放。而shutdown()会切断进程共享的套接字的所有连接，不管这个套接字的引用计数是否为零。**

## 嵌套字选项 ##

有时用户要控制嵌套字的行为（如修改缓冲区的大小），这个时候用户就要控制嵌套字的选项了。

### getsockopt()函数 ###

int getsockopt(int s, int level, int optname, void *optval, socklen_t *optlen);

函数说明：取得socket状态，getsockopt()会将参数s所指定的socket状态返回。参数optname代表欲取得何种选项状态，而参数optval则指向欲保存结果的内存地址，参数optlen为该空间的大小。

返回值：成功则返回0，若有错误则返回-1。

例子：

#include <sys/types.h>
    #include <sys/socket.h>
    #include <stdio.h>
    
    int main()
    {
            int s,optval,optlen=sizeof(int);
            if((s=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))<0)
                    perror("socket");
            getsockopt(s,SOL_SOCKET,SO_TYPE,&optval,&optlen);
            printf("optval=%d\n",optval);
            close(s);
            
            return 0;
    }

### setsockopt()函数 ###

int setsockopt(int s, int level, int optname, const void *optval, socklen_t optlen);

函数说明：设置socket状态，setsockopt()用来设置参数s所指定的socket状态。参数level代表欲设置的网络层，一般设为SOL\_SOCKET以存取socket层，参数optname代表欲设置的选项，有以下几种数值：

SO\_DEBUG：打开或关闭排错模式；SO\_REUSEADDR：允许在bind()过程中本地地址可重复使用；SO\_TYPE：返回socket形态；SO\_ERROR：返回socket已发生的错误原因；SO\_DONTROUTE：送出的数据包不要利用路由设备来传输；SO\_BROADCAST：使用广播方式传送；SO\_SNDBUF：设置送出的暂存区大小；SO\_RCVBUF：设置接收的暂存区大小；SO\_KEEPALIVE：定期确认连线是否已终止；SO\_OOBINLINE：当接收到OOB数据时会马上送至标准输入设备；SO\_LINGER：确保数据安全且可靠地传送出去。

返回值：成功则返回0，若有错误则返回-1。

### ioctl()函数 ###

int ioctl(int handle, int cmd, [int *argdx, int argcx]);

函数说明：ioctl()是设备驱动程序中对设备的IO通道进行管理的函数。所谓对IO通道进行管理，就是对设备的一些特性进行控制，例如串口的传输波特率、马达的转速等。它的调用格式如下：

int ioctl(int fd, int cmd, ...);

其中：fd就是用户程序打开设备时使用open()函数返回的文件标识符，cmd就是用户程序对设备的控制命令，后面的省略号是一些补充参数，一般最多一个，有或没有是和cmd的意义相关的。ioctl()函数是文件结构中的一个属性分量，也就是说，如果驱动程序提供了对ioctl()的支持，用户就能在用户程序中使用ioatl()函数控制设备的IO通道。

返回值：成功则返回0，若有错误则返回-1。

## 服务器模型 ##

### 循环服务器：UDP服务器 ###

UDP循环服务器的实现非常简单。UDP服务器每次从嵌套字上读取一个客户端的请求并处理，然后将结果返回给客户端。可以用下面的算法来实现：

socket(...);
    bind(...);
    
    while(1){
            recvfrom(...);
            ...                //服务器处理函数
            sendto(...);
    }

因为UDP是面向非连接的，没有一个客户端可以总是占住服务端，只要处理过程不是死循环，服务器对于每个客户端的请求总是能够满足。

### 循环服务器：TCP服务器 ###

TCP服务器接收一个客户端的连接，然后处理，完成该客户端的所有请求后，断开连接。算法如下：

socket(...);
    bind(...);
    listen(...);
    
    while(1){
            accept(...);
            
            while(1){
                    read(...);
                    ...                    //服务器处理函数
                    write(...);
            }
    }

TCP循环服务器一次只能处理一个客户端的请求。只有在该客户端的所有请求都满足后，服务器才可以继续响应后面的请求。如果有一个客户端占住服务器不释放时，其他的客户端都不能工作了。因此，TCP服务器很少采用循环服务器模型。

### 并发服务器：TCP服务器 ###

为了弥补循环TCP服务器的缺陷，人们又想出了并发服务器的模型。并发服务器的思想是，每一个客户端的请求并不由服务器直接处理，而是由服务器创建一个子进程来处理。算法如下：

socket(...);
    bind(...);
    listen(...);
    
    while(1){
            accept(...);
    
            if(fork(...)==0){                //子进程
                    while(1){
                            read(...);
                            ...                //服务器处理函数
                            write(...);
                    }
                    close(...);
                    exit(...);
            }
    
            close(...);
    }

TCP并发服务器可以解决TCP循环服务器中客户端独占服务器的情况。不过也同时带来一个较大的问题，为了响应客户端的请求，服务器要创建子进程来处理，而创建子进程是一个非常消耗资源的操作。

### 并发服务器：多路复用IO ###

为了解决创建子进程带来的系统资源消耗，人们又想出了**多路复用IO模型。最常用的函数为select。**

#include <sys/time.h>
    #include <sys/types.h>
    #include <unistd.h>
    
    int select(int n, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

函数说明：IO多工机制，select()用来等待文件描述符状态的改变。参数n代表最大的文件描述符加1，参数readfds、writefds、exceptfds称为描述词组，是用来回传该描述词的读、写或例外的状况，参数timeout为结构timeval，用来设置select()的等待时间。下列宏提供了处理这三种描述词组的方式：

FD\_CLR：用来清除描述词组set中相关fd的位；FD\_ISSET：用来测试描述词组set中相关fd的位是否为真；FD\_SET：用来设置描述词组set中相关fd的位；FD\_ZERO：用来清除描述词组set全部的位。

返回值：如果参数timeout设为NULL则表示select()没有timeout。

常见的程序片段为fs\_set readset：

FD_ZERO(&readset);
    FD_SET(fd,&readset);
       
    select(fd+1,&readset,NULL,NULL,NULL);
    if(FD_ISSET(fd,readset)){
            ...
    }

使用select后用户的服务器程序就变成：

初始化(socket,bind,listen);
    
    while(1){
            设置监听读写文件描述符(FD_*);
            调用select;
            
            如果倾听嵌套字就绪,就说明一个新的连接请求建立{
                    建立连接(accept);
                    加入到监听文件描述符中去;
            }否则说明是一个已经连接过的描述符{
                    进行操作(read或者write);
            }
    }

多路复用可以解决资源限制的问题。该模型实际上是将UDP循环模型用在了TCP上面。这也就带来了一些问题，比如，由于服务器依次处理客户端的请求，所以可能会导致有的客户端会等待很久。

### 并发服务器：UDP服务器 ###

人们把并发的概念用于UDP就得到了并发UDP服务器模型。并发UDP服务器模型其实很简单。和并发的TCP服务器模型类似，都是创建一个子进程来处理。

除非服务器处理客户端请求所用的时间比较长，人们实际上很少使用这种模型。

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[Linux_Linux]: https://blog.csdn.net/qq_38410730/article/details/82084676
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