linux 客戶端 Socket 非阻塞connect編程（正文）/*開發(fā)過程與源碼解析
開發(fā)測試環(huán)境：虛擬機CentOS，windows網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手
非阻塞模式有3種用途
1.三次握手同時做其他的處理。connect要花一個往返時間完成，從幾毫秒的局域網(wǎng)到幾百毫秒或幾秒的廣域網(wǎng)。這段時間可能有一些其他的處理要執(zhí)行，比如數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，預(yù)處理等。
2.用這種技術(shù)建立多個連接。這在web瀏覽器中很普遍.
3.由于程序用select等待連接完成，可以設(shè)置一個select等待時間限制，從而縮短connect超時時間。多數(shù)實現(xiàn)中，connect的超時時間在75秒到幾分鐘之間。有時程序希望在等待一定時間內(nèi)結(jié)束，使用非阻塞connect可以防止阻塞75秒，在多線程網(wǎng)絡(luò)編程中，尤其必要。 例如有一個通過建立線程與其他主機進(jìn)行socket通信的應(yīng)用程序，如果建立的線程使用阻塞connect與遠(yuǎn)程通信，當(dāng)有幾百個線程并發(fā)的時候，由于網(wǎng)絡(luò)延遲而全部阻塞，阻塞的線程不會釋放系統(tǒng)的資源，同一時刻阻塞線程超過一定數(shù)量時候，系統(tǒng)就不再允許建立新的線程（每個進(jìn)程由于進(jìn)程空間的原因能產(chǎn)生的線程有限），如果使用非阻塞的connect，連接失敗使用select等待很短時間，如果還沒有連接后，線程立刻結(jié)束釋放資源，防止大量線程阻塞而使程序崩潰。
目前connect非阻塞編程的普遍思路是：
在一個TCP套接口設(shè)置為非阻塞后，調(diào)用connect，connect會在系統(tǒng)提供的errno變量中返回一個EINRPOCESS錯誤，此時TCP的三路握手繼續(xù)進(jìn)行。之后可以用select函數(shù)檢查這個連接是否建立成功。以下實驗基于unix網(wǎng)絡(luò)編程和網(wǎng)絡(luò)上給出的普遍示例，在經(jīng)過大量測試之后，發(fā)現(xiàn)其中有很多方法，在linux中，并不適用。
我先給出了重要源碼的逐步分析，在最后給出完整的connect非阻塞源碼。
1.首先填寫套接字結(jié)構(gòu)，包括遠(yuǎn)程的ip，通信端口如下： */
struct sockaddr_in serv_addr;
serv_addr.sin_family=AF_INET;
serv_addr.sin_port=htons(9999);
serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("58.31.231.255"); //inet_addr轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序
bzero(&(serv_addr.sin_zero),8);
// 2.建立socket套接字：
if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1)
{
perror("socket creat error");
return 1;
}
// 3.將socket建立為非阻塞，此時socket被設(shè)置為非阻塞模式
flags = fcntl(sockfd,F_GETFL,0);//獲取建立的sockfd的當(dāng)前狀態(tài)（非阻塞）
fcntl(sockfd,F_SETFL,flags|O_NONBLOCK);//將當(dāng)前sockfd設(shè)置為非阻塞
/*4. 建立connect連接，此時socket設(shè)置為非阻塞，connect調(diào)用后，無論連接是否建立立即返回-1，同時將errno（包含errno.h就可以直接使用）設(shè)置為EINPROGRESS, 表示此時tcp三次握手仍舊進(jìn)行，如果errno不是EINPROGRESS，則說明連接錯誤，程序結(jié)束。
當(dāng)客戶端和服務(wù)器端在同一臺主機上的時候，connect回馬上結(jié)束，并返回0；無需等待，所以使用goto函數(shù)跳過select等待函數(shù)，直接進(jìn)入連接后的處理部分。*/
if ( ( n = connect( sockfd, ( struct sockaddr *)&serv_addr , sizeof(struct sockaddr)) ) < 0 )
{
if(errno != EINPROGRESS) return 1;
}
if(n==0)
{
printf("connect completed immediately");
goto done;
}
/* 5.設(shè)置等待時間，使用select函數(shù)等待正在后臺連接的connect函數(shù)，這里需要說明的是使用select監(jiān)聽socket描述符是否可讀或者可寫，如果只可寫，說明連接成功，可以進(jìn)行下面的操作。如果描述符既可讀又可寫，分為兩種情況，第一種情況是socket連接出現(xiàn)錯誤（不要問為什么，這是系統(tǒng)規(guī)定的，可讀可寫時候有可能是connect連接成功后遠(yuǎn)程主機斷開了連接close(socket)），第二種情況是connect連接成功，socket讀緩沖區(qū)得到了遠(yuǎn)程主機發(fā)送的數(shù)據(jù)。需要通過connect連接后返回給errno的值來進(jìn)行判定，或者通過調(diào)用 getsockopt(sockfd,SOL_SOCKET,SO_ERROR,&error,&len); 函數(shù)返回值來判斷是否發(fā)生錯誤，這里存在一個可移植性問題，在solaris中發(fā)生錯誤返回-1，但在其他系統(tǒng)中可能返回0.我首先按unix網(wǎng)絡(luò)編程的源碼進(jìn)行實現(xiàn)。如下：*/
FD_ZERO(&rset);
FD_SET(sockfd,&rset);
wset = rset;
tval.tv_sec = 0;
tval.tv_usec = 300000;
int error;
socklen_t len;
if(( n = select(sockfd+1, &rset, &wset, NULL,&tval)) <= 0)
{
printf("time out connect error");
close(sockfd);
return -1;
}
If ( FD_ISSET(sockfd,&rset) || FD_ISSET(sockfd,&west) )
{
len = sizeof(error);
if( getsockopt(sockfd,SOL_SOCKET,SO_ERROR,&error,&len) <0)
return 1;
}
/* 這里我測試了一下，按照unix網(wǎng)絡(luò)編程的描述，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生錯誤的時候，getsockopt返回-1，return -1，程序結(jié)束。網(wǎng)絡(luò)正常時候返回0，程序繼續(xù)執(zhí)行。
可是我在linux下，無論網(wǎng)絡(luò)是否發(fā)生錯誤，getsockopt始終返回0，不返回-1，說明linux與unix網(wǎng)絡(luò)編程還是有些細(xì)微的差別。就是說當(dāng)socket描述符可讀可寫的時候，這段代碼不起作用。不能檢測出網(wǎng)絡(luò)是否出現(xiàn)故障。
我測試的方法是，當(dāng)調(diào)用connect后，sleep（2）休眠2秒，借助這兩秒時間將網(wǎng)絡(luò)助手?jǐn)嚅_連接，這時候select返回2，說明套接口可讀又可寫，應(yīng)該是網(wǎng)絡(luò)連接的出錯情況。
此時，getsockopt返回0，不起作用。獲取errno的值，指示為EINPROGRESS，沒有返回unix網(wǎng)絡(luò)編程中說的ENOTCONN，EINPROGRESS表示正在試圖連接，不能表示網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)連接失敗。
針對這種情況，unix網(wǎng)絡(luò)編程中提出了另外3種方法，這3種方法，也是網(wǎng)絡(luò)上給出的常用的非阻塞connect示例：
a.再調(diào)用connect一次。失敗返回errno是EISCONN說明連接成功，表示剛才的connect成功，否則返回失敗。 代碼如下：*/
int connect_ok;
connect(sockfd, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(struct sockaddr) );
switch (errno)
{
case EISCONN: //connect ok
printf("connect OK \n");
connect_ok = 1;
break;
case EALREADY:
connect_0k = -1
break;
case EINPROGRESS: // is connecting, need to check again
connect_ok = -1
break;
default:
printf("connect fail err=%d \n",errno);
connect_ok = -1;
break;
}
/*如程序所示，根據(jù)再次調(diào)用的errno返回值將connect_ok的值，來進(jìn)行下面的處理，connect_ok為1繼續(xù)執(zhí)行其他操作，否則程序結(jié)束。
但這種方法我在linux下測試了，當(dāng)發(fā)生錯誤的時候,socket描述符（我的程序里是sockfd）變成可讀且可寫，但第二次調(diào)用connect 后，errno并沒有返回EISCONN，,也沒有返回連接失敗的錯誤，仍舊是EINPROGRESS，而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)不發(fā)生故障的時候，第二次使用 connect連接也返回EINPROGRESS，因此也無法通過再次connect來判斷連接是否成功。
b.unix網(wǎng)絡(luò)編程中說使用read函數(shù)，如果失敗，表示connect失敗，返回的errno指明了失敗原因，但這種方法在linux上行不通，linux在socket描述符為可讀可寫的時候，read返回0，并不會置errno為錯誤。
c.unix網(wǎng)絡(luò)編程中說使用getpeername函數(shù)，如果連接失敗，調(diào)用該函數(shù)后，通過errno來判斷第一次連接是否成功，但我試過了，無論網(wǎng)絡(luò)連接是否成功，errno都沒變化，都為EINPROGRESS，無法判斷。
悲哀啊，即使調(diào)用getpeername函數(shù)，getsockopt函數(shù)仍舊不行。
綜上方法，既然都不能確切知道非阻塞connect是否成功，所以我直接當(dāng)描述符可讀可寫的情況下進(jìn)行發(fā)送，通過能否獲取服務(wù)器的返回值來判斷是否成功。(如果服務(wù)器端的設(shè)計不發(fā)送數(shù)據(jù)，那就悲哀了。)
程序的書寫形式出于可移植性考慮，按照unix網(wǎng)絡(luò)編程推薦寫法，使用getsocketopt進(jìn)行判斷，但不通過返回值來判斷，而通過函數(shù)的返回參數(shù)來判斷。
6. 用select查看接收描述符，如果可讀，就讀出數(shù)據(jù)，程序結(jié)束。在接收數(shù)據(jù)的時候注意要先對先前的rset重新賦值為描述符，因為select會對 rset清零，當(dāng)調(diào)用select后，如果socket沒有變?yōu)榭勺x，則rset在select會被置零。所以如果在程序中使用了rset，最好在使用時候重新對rset賦值。
程序如下：*/
FD_ZERO(&rset);
FD_SET(sockfd,&rset);//如果前面select使用了rset，最好重新賦值
if( ( n = select(sockfd+1,&rset,NULL, NULL,&tval)) <= 0 )
{
close(sockfd);
return -1;
}
if ((recvbytes=recv(sockfd, buf, 1024, 0)) ==-1)
{
perror("recv error!");
close(sockfd);
return 1;
}
printf("receive num %d\n",recvbytes);
printf("%s\n",buf);
*/
非阻塞connect
在一個TCP套接口被設(shè)置為非阻塞之后調(diào)用connect,connect會立即返回EINPROGRESS錯誤,表示連接操作正在進(jìn)行中,但是仍未完成;同時TCP的三路握手操作繼續(xù)進(jìn)行;在這之后,我們可以調(diào)用select來檢查這個鏈接是否建立成功;非阻塞connect有三種用途:
1.我們可以在三路握手的同時做一些其它的處理.connect操作要花一個往返時間完成,而且可以是在任何地方,從幾個毫秒的局域網(wǎng)到幾百毫秒或幾秒的廣域網(wǎng).在這段時間內(nèi)我們可能有一些其他的處理想要執(zhí)行;
2.可以用這種技術(shù)同時建立多個連接.在Web瀏覽器中很普遍;
3.由于我們使用select來等待連接的完成,因此我們可以給select設(shè)置一個時間限制,從而縮短connect的超時時間.在大多數(shù)實現(xiàn)中,connect的超時時間在75秒到幾分鐘之間.有時候應(yīng)用程序想要一個更短的超時時間,使用非阻塞connect就是一種方法;
非阻塞connect聽起來雖然簡單,但是仍然有一些細(xì)節(jié)問題要處理:
1.即使套接口是非阻塞的,如果連接的服務(wù)器在同一臺主機上,那么在調(diào)用connect建立連接時,連接通常會立即建立成功.我們必須處理這種情況;
2.源自Berkeley的實現(xiàn)(和Posix.1g)有兩條與select和非阻塞IO相關(guān)的規(guī)則:
A:當(dāng)連接建立成功時,套接口描述符變成可寫;
B:當(dāng)連接出錯時,套接口描述符變成既可讀又可寫;
注意:當(dāng)一個套接口出錯時,它會被select調(diào)用標(biāo)記為既可讀又可寫;
非阻塞connect有這么多好處,但是處理非阻塞connect時會遇到很多可移植性問題;
處理非阻塞connect的步驟:
第一步:創(chuàng)建socket,返回套接口描述符;
第二步:調(diào)用fcntl把套接口描述符設(shè)置成非阻塞;
第三步:調(diào)用connect開始建立連接;
第四步:判斷連接是否成功建立;
A:如果connect返回0,表示連接簡稱成功(服務(wù)器可客戶端在同一臺機器上時就有可能發(fā)生這種情況);
B:調(diào)用select來等待連接建立成功完成;
如果select返回0,則表示建立連接超時;我們返回超時錯誤給用戶,同時關(guān)閉連接,以防止三路握手操作繼續(xù)進(jìn)行下去;
如果select返回大于0的值,則需要檢查套接口描述符是否可讀或可寫;如果套接口描述符可讀或可寫,則我們可以通過調(diào)用getsockopt來得到套接口上待處理的錯誤(SO_ERROR),如果連接建立成功,這個錯誤值將是0,如果建立連接時遇到錯誤,則這個值是連接錯誤所對應(yīng)的errno值(比如:ECONNREFUSED,ETIMEDOUT等).
"讀取套接口上的錯誤"是遇到的第一個可移植性問題;如果出現(xiàn)問題,getsockopt源自Berkeley的實現(xiàn)是返回0,等待處理的錯誤在變量errno中返回;但是Solaris會讓getsockopt返回-1,errno置為待處理的錯誤;我們對這兩種情況都要處理;
這樣,在處理非阻塞connect時,在不同的套接口實現(xiàn)的平臺中存在的移植性問題,首先,有可能在調(diào)用select之前,連接就已經(jīng)建立成功,而且對方的數(shù)據(jù)已經(jīng)到來.在這種情況下,連接成功時套接口將既可讀又可寫.這和連接失敗時是一樣的.這個時候我們還得通過getsockopt來讀取錯誤值;這是第二個可移植性問題;
移植性問題總結(jié):
1.對于出錯的套接口描述符,getsockopt的返回值源自Berkeley的實現(xiàn)是返回0,待處理的錯誤值存儲在errno中;而源自Solaris的實現(xiàn)是返回0,待處理的錯誤存儲在errno中;(套接口描述符出錯時調(diào)用getsockopt的返回值不可移植)
2.有可能在調(diào)用select之前,連接就已經(jīng)建立成功,而且對方的數(shù)據(jù)已經(jīng)到來,在這種情況下,套接口描述符是既可讀又可寫;這與套接口描述符出錯時是一樣的;(怎樣判斷連接是否建立成功的條件不可移植)
這樣的話,在我們判斷連接是否建立成功的條件不唯一時,我們可以有以下的方法來解決這個問題:
1.調(diào)用getpeername代替getsockopt.如果調(diào)用getpeername失敗,getpeername返回ENOTCONN,表示連接建立失敗,我們必須以SO_ERROR調(diào)用getsockopt得到套接口描述符上的待處理錯誤;
2.調(diào)用read,讀取長度為0字節(jié)的數(shù)據(jù).如果read調(diào)用失敗,則表示連接建立失敗,而且read返回的errno指明了連接失敗的原因.如果連接建立成功,read應(yīng)該返回0;
3.再調(diào)用一次connect.它應(yīng)該失敗,如果錯誤errno是EISCONN,就表示套接口已經(jīng)建立,而且第一次連接是成功的;否則,連接就是失敗的;
被中斷的connect:
如果在一個阻塞式套接口上調(diào)用connect,在TCP的三路握手操作完成之前被中斷了,比如說,被捕獲的信號中斷,將會發(fā)生什么呢?假定connect不會自動重啟,它將返回EINTR.那么,這個時候,我們就不能再調(diào)用connect等待連接建立完成了,如果再次調(diào)用connect來等待連接建立完成的話,connect將會返回錯誤值EADDRINUSE.在這種情況下,應(yīng)該做的是調(diào)用select,就像在非阻塞式connect中所做的一樣.然后,select在連接建立成功(使套接口描述符可寫)或連接建立失敗(使套接口描述符既可讀又可寫)時返回;