谈谈Linux网络编程

2022-10-29 10:55:52

标准I/O

常见标准I/O函数

常用标准I/O库函数总结

fopen

fopen()函数主要用于对文件和终端的输入输出。

#include <stdio.h>
 
FILE *fopen(const char *filename, const char *mode);

  • filaname：指定的文件名，fopen会把它与一个文件流关联起来。

  • mode：指定文件的打开方式：
    “r”/“rb”：只读方式打开
    “w”/“wb”：只写方式打开，把文件长度截为0(你可把它想象为>)
    “a”/“ab”：只写方式打开，新内容追加到文件尾(你可以想象成>>)
    “r+”/“r+b”/“rb+”：以修改方式打开(读写)
    “w+”/“w+b”/“wb+”：以修改方式打开，同时把文件内容截为0
    “a+”/“a+b”/“ab+”：以修改方式打开，新内容追加到文件结尾
    注意：linux会把所有文件都看成是二进制文件，所以那个"b"表示文件是二进制。

返回值：成功时返回一个FILE*指针，失败返回NULL值，NULL定义在stdio.h中。

fread

主要作用是从一个文件流里读取数据，数据从stream读到由ptr指定的数据缓冲区里面。

#include<stdio.h>

size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t nitems, FILE *stream);
  • ptr：数据读到ptr指定的缓冲区里面。
  • size：每个数据记录的长度(类似与char,int,long,float之类,指代每次读取块的大小)。
  • nitems：传输的记录个数。
  • stream：指定要读取的数据缓冲区。

返回值：读到缓冲区的记录个数(非字节)，如果读到文件尾，其返回值可能小于nitems，甚至可以是0(读取文件为空)。

fwrite

主要从stream获取数据记录写到ptr中，返回值是成功写入的记录个数。

#include<stdio.h>

size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t items, FILE *stream);

它的接口和fread很像，参考fread。

fclose

关闭指定的文件流stream,使所有未写出的内容全部写出。

#include<stdio.h>

int fclose(FILE *stream);
  • stream：指定要关闭的文件流stream。
    返回值：如果成功返回0，失败返回EOF，同时会向全局变量errorn写入错误信息码。

fflush

fflush()函数的主要作用是把文件流的所有未写出的内容立刻写出。

#include<stdio.h>
 
int fflush(FILE *stream);

接口同fclose。

fseek

主要作用是在文件流里面为下一次读写指定位置。

#include<stdio.h>
 
int fseek(FILE *stream, long int offset, int whence);

  • stream：指定操作的文件流。

  • offset：指定位置。

  • whence：指定偏移方式，具体形式类似系统调用lseek。

返回值：成功返回0，失败返回-1，同时设置errno指出错误。

fgetc,getc,getchar

fgetc()从文件流取出下一个字节并把它作为一个字符返回，如果到达文件结尾或者出现错误的时候返回EOF。其中getchar()从标准输入读取数据。

#include<stdio.h>

int fgetc(FILE *stream);
int getc(FILE *stream);
int getchar();

fputc,putc,putchar

fputc()函数把一个字符写道一个输出文件流中。如果成功返回写入的值，失败则返回EOF。其中puchar()函数将单个字符写道标准输出。

#include<stdio.h>
 
int fputc(int c, FILE *stream);
int putc(int c, FILE *stream);
int putchar();

fgets和gets

fgets()函数从输入文件流stream读取一个字符串，并把读到的字符写到ptr指向的缓冲区，当遇到如下情况停止：遇到换行符，已经传输n-1个字符，或者到达文件尾。它会把遇到的换行符也传递到接收字符串里去，再加上一个表示结尾的空字节\0。
gets()函数从标准输入读取数据并丢弃遇到的换行符，它在接受字符串的尾部加上NULL。

#include<stdio.h>
 
char *fgets(char *ptr, int n, FILE *stream);
char *gets(char *ptr);

printf,fprintf,sprintf

printf系列函数能够对各种不同类型的参数进行格式化编排和输出。
printf函数把自己的输出送到标准输出。
fprintf函数把自己的输出送到一个指定的文件流。
sprintf函数把自己的输出和一个结尾空字符写到s指向的缓冲区。

#include<stdio.h>
 
int printf(const char *format, ...);
 
int sprintf(char *s, const char *format, ...);
 
int fprintf(FILE *stream, const char *format, ...);

  • format:指定输出的格式。

  • s：字符串缓冲区。

  • stream：指定的文件流。

scanf,fscanf和sscanf

scanf系列函数从一个文件流读取数据并写到指定地址的变量。
scanf函数将读入的值保存在对应的变量里。

#include<stdio.h>
 
int scanf(const char *format, ...);
 
int fscanf(FILE *stream, const char *format, ...);
 
int ssacnf(const char *s, const char *format, ...);

文件流错误

通过检查文件流的状态来确定是否发生错误。
ferror函数测试一个文件流的错误标识，如果被设置返回一个非0值，否则返回0。
feof函数测试一个文件流的文件尾标识，如果被设置就返回一个非0值，否则返回0。
clearerr函数清楚有stream指定的文件流的文件尾标识和错误标识。

#include<stdio.h>
 
int ferror(FILE *stream);
int feof(FILE *stream);
void clearerr(FILE *stream);

文件流和文件描述符

每个文件流都有一个底层描述符相关联。
fileno函数可以确定文件流使用那个底层描述符。
fdopen函数在一个已经打开的文件描述符上创建一个新的文件流。

#include<stdio.h>
int fileno(FILE *stream);
FILE *fdopen(int fildes, const char *mode);

使用标准I/O函数

标准IO函数的两个优点：

  • 标准I/O函数具有良好的移植性(Portability)。
  • 标准I/O函数可以利用缓冲提高性能。

标准IO函数的两个缺点：

  • 不容易进行双向通信。
  • 有时可能频繁调用fflush函数。
  • 需要以FILE结构体指针的形式返回文件描述符。

创建套接字时返回文件描述符，而为了使用标准I/O函数，只能将其转换为FILE结构体指针，先介绍器转换方法。

利用fdopen函数转换为FILE结构体指针

#include <stdio.h>

FILE * fdopen(int fildes.const char * mode);
//成功时返回转换的FILE结构体指针，失败时返回NULL。
  • fildes：需要转换的文件描述符。
  • mode：将要创建的FILE结构体指针的模式(mode)信息。

上述函数的第二个参数与fopen函数中的打开模式相同。常用的参数有读模式"r"和写模式"w"。

示例说明

#include <stdio.h>#include <fcnt1.h>
int main(void)
{
	FILE *fp;
	int fd = open("data.dat", O_WRONLY|O_CREAT[O_TRUNC);
	if(fd == -1)
	{
		fputs("file open error" , stdout);return -1;
	}
	fp = fdopen(fd,"w");
	fputs("Network C programming ln", fp);
	fclose(fp);
	return 0;
}

利用fileno函数转换为文件描述符

#inc1ude <stdio.h>
int fileno(FILE * stream);
//成功时返回转换后的文件描述符，失败时返回-1。

示例说明

#include <stdio.h>
#include <fcnt1.h>
int main(void){
	FILE *fp;
	int fd=open("data.dat",o_WRONLYlO_CREATIO_TRUNC);
	if(fd==-1)
	{
		fputs("file open error", stdout);
		return -1;
	}
	printf("First file descriptor: %d \n", fd);
	fp=fdopen(fd,"w");
	fputs("TCP/IP SOCKET PROGRAMMING \n", fp);
	printf("Second file descriptor: %d ln", fileno(fp));
	fclose(fp);
	return 0;
}

I/O分离问题

"流"分离带来的EOF问题

调用的fclose函数完全终止了套接字而不是半关闭。
解决办法：创建FILE指针前复制文件描述符即可，复制后另外创建1个文件描述符，然后利于各自的文件描述符生成读模式FILE指针和写模式FILE指针。这就为半关闭准备好了环境，因为套接字和文件描述符之间具有如下关系：
销毁所有文件描述符后才能销毁套接字。

但是这样做只是准备了半关闭环境，要进入真正的半关闭状态需要特殊处理，还剩余的一个文件描述符可以同时进行I/O。

复制文件描述符

谈谈Linux网络编程

#include <unistd.h>
int dup(int fildes);
int dup2(int fildes,int fildes2);
//成功时返回复制的文件描述符，失败时返回-1。
  • fildes：需要复制的文件描述符。
  • fildes2：明确指定的文件描述符整数值。

复制文件描述符后"流"的分离

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#tdefine BUF_SIZE 1024
int main(int argc,char *argv[]){

	int serv_sock,c1nt_sock;
	FILE* readfp;
	FILE* writefp;

	struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;socklen_t clnt_adr_sz;
	char buf[BUF_SIZE]={0,};
	serv_sock=socket(PF_INET,sOCK_STREAM,0);
	memset(&serv_adr,0, sizeof(serv_adr));
	serv_adr.sin_family=AF_INET;
	serv_adr.sin_addr.s_addr=hton1(INADDR_ANY);
	serv_adr.sin_port=htons(atoi(argv[1]));
	
	bind(serv_sock,(struct sockaddr*)&serv_adr,sizeof(serv_adr));
	listen(serv_sock, 5);
	clnt_adr_sz=sizeof(clnt_adr);
	clnt_sock=accept(serv_sock,(struct sockaddr*)&c1nt_adr,&c1nt_adr_sz);
	
	readfp=fdopen(clnt_sock,"r");
	writefp=fdopen(dup(clnt_sock),"w");
	
	fputs("FROM SERVER: Hi~ client? ln", writefp);
	fputs("I love all of the world ln", writefp);
	fputs( "You are awesome! ln", writefp);
	fflush(writefp);
	
	shutdown(fileno(writefp), SHUT_WR);
	fclose(writefp);
	
	fgets(buf, sizeof(buf),readfp);
	fputs(buf,stdout);
	fclose(readfp);
	return 0;
}
  • 调用fdopen函数生成FILE指针。特别是针对dup函数的返回值生成
    FILE指针。
  • 针对fileno函数返回的文件描述符调用shutdown函数。因此，服务器端进入半关闭状态，并向客户端发送EOF。这一行就是之前所说的发送EOF的方法。调用shutdown函数时,无论复制出多少文件描述符都进入半关闭状态，同时传递EOF。

优于select的epoll

select复用方法其实由来已久，因此，利用该技术后，无论如何优化程序性能也无法同时接人上百个客户端（当然，硬件性能不同，差别也很大)。这种select方式并不适合以Web服务器端开发为主流的现代开发环境，所以要学习Linux平台下的epoll。

基于select的I/O复用技术速度慢的原因

最主要的缺点是：

  • 调用select函数后常见的针对所有文件描述符的循环语句；
  • 每次调用select函数时都需要向该函数传递监视对象信息。

改进措施：
仅向操作系统传递1次监视对象,监视范围或内容发生变化时只通知发生变化的事项。
这种处理方式Linux支持方式是epoll，Windows的支持方式是IOCP。

select优点：

  • 服务器端接入者少；
  • 程序应具有兼容性。

实现epoll时必要的函数和结构体

能够克服select函数缺点的epoll函数具有如下优点，这些优点正好与之前的select函数缺点相反。

  • 无需编写以监视状态变化为目的的针对所有文件描述符的循环语句；
  • 调用对应于select函数的epoll_wait函数时无需每次传递监视对象信息。

epoll服务器端实现中需要的3个函数：

  • epoll_create：创建保存epoll文件描述符的空间；
  • epoll_ctl：向空间注册并注销文件描述符；
  • epoll_wait：与select函数类似，等待文件描述符发生变化。

select方式和epoll方式的不同

  • select方式中为了保存监视对象文件描述符，直接声明了fd_set变量。但epoll方式下由操作系统负责保存监视对象文件描述符,因此需要向操作系统请求创建保存文件描述符的空间，此时使用的函数就是epoll_create。

  • 为了添加和删除监视对象文件描述符，select方式中需要FD_SET、FD_CLR函数。但在epoll方式中，通过epoll_ctl函数请求操作系统完成。

  • select方式下调用select函数等待文件描述符的变化，而epoll中调用epoll_wait函数。

  • select方式中通过fd_set变量查看监视对象的状态变化(事件发生与否),而epoll方式中通过如下结构体epoll_event将发生变化的(发生事件的)文件描述符单独集中到一起。

结构体epoll_event

struct epol1_event{
	__uint32_tevents;
	epoll_data_t data;
}
typedef union epoll_data{
	void * ptr;
	int fd;
	__uint32_t u32;
	__uint64_t u64;
}epoll_data_t;

声明足够大的epoll_event结构体数组后，传递给epoll_wait函数时，发生变化的文件描述符信息将被填入该数组。因此，无需像select函数那样针对所有文件描述符进行循环。

epoll_create

#include <sys/epoll.h>
int epoll_create(int size);
//成功时返回epol1文件描述符，失败时返回-1。
  • size：epoll实例的大小。

调用epoll_create函数时创建的文件描述符保存空间称为"epoll例程"，但有些情况下名称不同，需要稍加注意。通过参数size传递的值决定epoll例程的大小，但该值只是向操作系统提的建议。换言之，size并非用来决定epoll例程的大小，而仅供操作系统参考。Linux 2.6.8之后的内核将完全忽略传入epoll_create函数的size参数，因为内核会根据情况调整epoll例程的大小。

epoll_create函数创建的资源与套接字相同，也由操作系统管理。因此，该函数和创建套接字的情况相同，也会返回文件描述符。也就是说，该函数返回的文件描述符主要用与于区分epoll例程。需要终止时，与其他文件描述符相同，也要调用close函数。

epoll_ctl

epoll_wait

多线程服务器端

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