一個簡單聊天室的兩種實現(xiàn) (fcntl 和 select)(轉(zhuǎn))
在互聯(lián)網(wǎng)相當(dāng)普及的今天，在互聯(lián)網(wǎng)上聊天對很多“網(wǎng)蟲”來說已經(jīng)是家常便飯了。聊天室程序可以說是網(wǎng)上最簡單的多點通信程序。聊天室的實現(xiàn)方法有很多，但
都是利用所謂的“多用戶空間”來對信息進行交換，具有典型的多路I/O的架構(gòu)。一個簡單的聊天室,
從程序員的觀點來看就是在多個I/O端點之間實現(xiàn)多對多的通信。其架構(gòu)如圖一所示。這樣的實現(xiàn)在用戶的眼里就是聊天室內(nèi)任何一個人輸入一段字符之后,其他
用戶都可以得到這一句話。這種“多用戶空間”的架構(gòu)在其他多點通信程序中應(yīng)用的非常廣泛，其核心就是多路I/O通信。多路I/O通信又被稱為I/O多路復(fù)
用（I/O Multiplexing）一般被使用在以下的場合：
客戶程序需要同時處理交互式的輸入和同服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò)連接時需要處理I/O多路復(fù)用問題；
客戶端需要同時對多個網(wǎng)絡(luò)連接作出反應(yīng)（這種情況很少見）；
TCP服務(wù)器需要同時處理處于監(jiān)聽狀態(tài)和多個連接狀態(tài)的socket；
服務(wù)器需要處理多個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的socket;
服務(wù)器需要同時處理不同的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和協(xié)議。
聊天室所需要面對的情況正是第一和第三兩種情況。我們將通過在TCP/IP協(xié)議之上建立一個功能簡單的聊天室讓大家更加了解多路I/O以及它的實現(xiàn)方法。
我們要討論的聊天室功能非常簡單, 感興趣的朋友可以將其功能擴展, 發(fā)展成一個功能比較完整的聊天室, 如加上用戶認證, 用戶昵稱, 秘密信息, semote 等功能.
首先它是一個 client/server 結(jié)構(gòu)的程序, 首先啟動 server, 然后用戶使用 client 進行連接. client/server 結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是速度快, 缺點是當(dāng) server 進行更新時, client 也必需更新.
網(wǎng)絡(luò)初始化
首先是初始化 server, 使server 進入監(jiān)聽狀態(tài): (為了簡潔起見,以下引用的程序與實際程序略有出入, 下同)
sockfd = socket( AF_INET,SOCK_STREAM, 0);
// 首先建立一個 socket, 族為 AF_INET, 類型為 SOCK_STREAM.
// AF_INET = ARPA Internet protocols 即使用 TCP/IP 協(xié)議族
// SOCK_STREAM 類型提供了順序的, 可靠的, 基于字節(jié)流的全雙工連接.
// 由于該協(xié)議族中只有一個協(xié)議, 因此第三個參數(shù)為 0
bind( sockfd, ( struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof( serv_addr));
// 再將這個 socket 與某個地址進行綁定.
// serv_addr 包括 sin_family = AF_INET 協(xié)議族同 socket
// sin_addr.s_addr = htonl( INADDR_ANY) server 所接受的所有其他
// 地址請求建立的連接.
// sin_port = htons( SERV_TCP_PORT) server 所監(jiān)聽的端口
// 在本程序中, server 的 IP和監(jiān)聽的端口都存放在 config 文件中.
listen( sockfd, MAX_CLIENT);
// 地址綁定之后, server 進入監(jiān)聽狀態(tài).
// MAX_CLIENT 是可以同時建立連接的 client 總數(shù).
server 進入 listen 狀態(tài)后, 等待 client 建立連接。
Client端要建立連接首先也需要初始化連接：
sockfd = socket( AF_INET,SOCK_STREAM,0));
// 同樣的, client 也先建立一個 socket, 其參數(shù)與 server 相同.
connect( sockfd, ( struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof( serv_addr));
// client 使用 connect 建立一個連接.
// serv_addr 中的變量分別設(shè)置為:
// sin_family = AF_INET 協(xié)議族同 socket
// sin_addr.s_addr = inet_addr( SERV_HOST_ADDR) 地址為 server
// 所在的計算機的地址.
// sin_port = htons( SERV_TCP_PORT) 端口為 server 監(jiān)聽的端口.
當(dāng) client 建立新連接的請求被送到Server端時, server 使用 accept 來接受該連接:
accept( sockfd, (struct sockaddr*)&cli_addr, &cli_len);
// 在函數(shù)返回時, cli_addr 中保留的是該連接對方的信息
// 包括對方的 IP 地址和對方使用的端口.
// accept 返回一個新的文件描述符.
在 server 進入 listen 狀態(tài)之后, 由于已有多個用戶在線，所以程序需要同時對這些用戶進行操作，并在它們之間實現(xiàn)信息交換。這在實現(xiàn)上稱為I/O多路復(fù)用技術(shù)。多路復(fù)用一般有以下幾種方法：
非阻塞通信方法：將文件管道通過fcntl()設(shè)為非阻塞通信方式，每隔一端時間對他們實行一次輪詢，以判斷是否可以進行讀寫操作。這種方式的缺點是費用太高，大部分資源浪費在輪詢上。
子進程方法：應(yīng)用多個子進程，每一個對一個單工阻塞方式通信。所有子進程通過IPC和父進程進行通信。父進程掌管所有信息。這種方式的缺點是實現(xiàn)復(fù)雜，而且由于IPC在各個操作系統(tǒng)平臺上并不完全一致，會導(dǎo)致可移植性降低。
信號驅(qū)動（SIGIO）的異步I/O方法：首先，異步I/O是基于信號機制的，并不可靠。其次單一的信號不足以提供更多的信息來源。還是需要輔助以其他的手段，實現(xiàn)上有很高的難度。
select
()方法：在BSD中提供了一種可以對多路I/O進行阻塞式查詢的方法——select()。它提供同時對多個I/O描述符進行阻塞式查詢的方法，利用
它，我們可以很方便的實現(xiàn)多路復(fù)用。根據(jù)統(tǒng)一UNIX規(guī)范的協(xié)議,POSIX也采用了這種方法，因此，我們可以在大多數(shù)操作系統(tǒng)中使用select方法。
使用專門的I/O多路復(fù)用器：在“UNIX? SYSTEM V Programmer's Guide: STREAMS”一書中詳細的說明了構(gòu)造和使用多路復(fù)用器的方法。這里就不再詳述了。
我們下面分別討論多路I/O的兩種實現(xiàn)方法:
1. 非阻塞通信方法
對
一個文件描述符指定的文件或設(shè)備, 有兩種工作方式: 阻塞與非阻塞。所謂阻塞方式的意思是指, 當(dāng)試圖對該文件描述符進行讀寫時,
如果當(dāng)時沒有東西可讀,或者暫時不可寫, 程序就進入等待狀態(tài), 直到有東西可讀或者可寫為止。而對于非阻塞狀態(tài), 如果沒有東西可讀, 或者不可寫,
讀寫函數(shù)馬上返回, 而不會等待。缺省情況下, 文件描述符處于阻塞狀態(tài)。在實現(xiàn)聊天室時, server 需要輪流查詢與各client 建立的
socket, 一旦可讀就將該 socket 中的字符讀出來并向所有其他client 發(fā)送。并且, server 還要隨時查看是否有新的
client 試圖建立連接,這樣, 如果 server 在任何一個地方阻塞了, 其他 client
發(fā)送的內(nèi)容就會受到影響,得不到服務(wù)器的及時響應(yīng)。新 client
試圖建立連接也會受到影響。所以我們在這里不能使用缺省的阻塞的文件工作方式，而需要將文件的工作方式變成非阻塞方式。在UNIX下，函數(shù)fcntl()
可以用來改變文件I/O操作的工作方式，函數(shù)描述如下：
fcntl( sockfd, F_SETFL, O_NONBLOCK);
// sockfd 是要改變狀態(tài)的文件描述符.
// F_SETFL 表明要改變文件描述符的狀態(tài)
// O_NONBLOCK 表示將文件描述符變?yōu)榉亲枞?
為了節(jié)省篇幅我們使用自然語言描述聊天室 server :
while ( 1) {
if 有新連接 then 建立并記錄該新連接;
for ( 所有的有效連接)
begin
if 該連接中有字符可讀 then
begin
讀入字符串；
for ( 所有其他的有效連接)
begin
將該字符串發(fā)送給該連接;
end;
end;
end;
end.
由于判斷是否有新連接, 是否可讀都是非阻塞的, 因此每次判斷,不管有還是沒有, 都會馬上返回. 這樣,任何一個 client 向 server 發(fā)送字符或者試圖建立新連接, 都不會對其他 client 的活動造成影響。
對 client 而言, 建立連接之后, 只需要處理兩個文件描述符, 一個是建立了連接的 socket 描述符, 另一個是標準輸入. 和
server 一樣, 如果使用阻塞方式的話, 很容易因為其中一個暫時沒有輸入而影響另外一個的讀入.. 因此將它們都變成非阻塞的,
然后client 進行如下動作:
while ( 不想退出)
begin
if ( 與 server 的連接有字符可讀)
begin
從該連接讀入, 并輸出到標準輸出上去.
End;
if ( 標準輸入可讀)
Begin
從標準輸入讀入, 并輸出到與 server 的連接中去.
End;
End.
上面的讀寫分別調(diào)用這樣兩個函數(shù):
read( userfd[i], line, MAX_LINE);
// userfd[i] 是指第 i 個 client 連接的文件描述符.
// line 是指讀出的字符存放的位置.
// MAX_LINE 是一次最多讀出的字符數(shù).
// 返回值是實際讀出的字符數(shù).
write( userfd[j], line, strlen( line));
// userfd[j] 是第 j 個 client 的文件描述符.
// line 是要發(fā)送的字符串.
// strlen( line) 是要發(fā)送的字符串長度.
分析上面的程序可以知道, 不管是 server 還是 client, 它們都不停的輪流查詢各個文件描述符, 一旦可讀就讀入并進行處理.
這樣的程序, 不停的在執(zhí)行, 只要有CPU 資源, 就不會放過。因此對系統(tǒng)資源的消耗非常大。server 或者 client 單獨執(zhí)行時,
CPU 資源的 98% 左右都被其占用。極大的消耗了系統(tǒng)資源。
select 方法
因此，雖然我們不希望在某一個用戶沒有反應(yīng)時阻塞其他的用戶，但我們卻應(yīng)該在沒有任何用戶有反應(yīng)的情況之下停止程序的運行，讓出搶占的系統(tǒng)資源，進入阻塞狀態(tài)。有沒有這種方法呢？現(xiàn)在的UNIX系統(tǒng)中都提供了select方法，具體實現(xiàn)方式如下：
select 方法中, 所有文件描述符都是阻塞的. 使用 select 判斷一組文件描述符中是否有一個可讀(寫), 如果沒有就阻塞, 直到有一個的時候就被喚醒. 我們先看比較簡單的 client 的實現(xiàn):
由于 client 只需要處理兩個文件描述符, 因此, 需要判斷是否有可讀寫的文件描述符只需要加入兩項:
FD_ZERO( sockset);
// 將 sockset 清空
FD_SET( sockfd, sockset);
// 把 sockfd 加入到 sockset 集合中
FD_SET( 0, sockset);
// 把 0 (標準輸入) 加入到 sockset 集合中
然后 client 的處理如下:
while ( 不想退出) {
select( sockfd+1, &sockset, NULL, NULL, NULL);
// 此時該函數(shù)將阻塞直到標準輸入或者 sockfd 中有一個可讀為止
// 第一個參數(shù)是 0 和 sockfd 中的最大值加一
// 第二個參數(shù)是 讀集, 也就是 sockset
// 第三, 四個參數(shù)是寫集和異常集, 在本程序中都為空
// 第五個參數(shù)是超時時間, 即在指定時間內(nèi)仍沒有可讀, 則出錯
// 并返回. 當(dāng)這個參數(shù)為NULL 時, 超時時間被設(shè)置為無限長.
// 當(dāng) select 因為可讀返回時, sockset 中包含的只是可讀的
// 那些文件描述符.
if ( FD_ISSET( sockfd, &sockset)) {
// FD_ISSET 這個宏判斷 sockfd 是否屬于可讀的文件描述符
從 sockfd 中讀入, 輸出到標準輸出上去.
}
if ( FD_ISSET( 0, &sockset)) {
// FD_ISSET 這個宏判斷 sockfd 是否屬于可讀的文件描述符
從標準輸入讀入, 輸出到 sockfd 中去.
}
重新設(shè)置 sockset. (即將 sockset 清空, 并將 sockfd 和 0 加入)
}
下面看 server 的情況:
設(shè)置 sockset 如下:
FD_ZERO( sockset);
FD_SET( sockfd, sockset);
for ( 所有有效連接)
FD_SET( userfd[i], sockset);
}
maxfd = 最大的文件描述符號 + 1;
server 處理如下:
while ( 1) {
select( maxfd, &sockset, NULL, NULL, NULL);
if ( FD_ISSET( sockfd, &sockset)) {
// 有新連接
建立新連接, 并將該連接描述符加入到 sockset 中去了.
}
for ( 所有有效連接) {
if ( FD_ISSET ( userfd[i], &sockset)) {
// 該連接中有字符可讀
從該連接中讀入字符, 并發(fā)送到其他有效連接中去.
}
}
重新設(shè)置 sockset;
}
性能比較
由于采用 select 機制, 因此當(dāng)沒有字符可讀時, 程序處于阻塞狀態(tài),最小程度的占用CPU 資源, 在同一臺機器上執(zhí)行一個 server
和若干個client 時, 系統(tǒng)負載只有 0.1 左右, 而采用原來的非阻塞通信方法, 只運行一個 server, 系統(tǒng)負載就可以達到 1.5
左右. 因此我們推薦使用 select.