TCP高并发服务器简介（select、poll、epoll实现与区别）
发布时间：2024年01月18日
select、poll、epoll三者的实现：
select实现TCP高并发服务器的流程：
- 一、创建套接字（socket函数）：
- 二、填充服务器的网络信息结构体：
- 三、套接字和服务器的网络信息结构体进行绑定（bind函数）：
- 四、套接字设置成被动监听（listen函数）：
- 五、创建要监听的文件描述符集合：
- 使用select函数后，会将
没有就绪的文件描述符在集合中去除，所以需要创建两个文件描述符集合，一个是母本read_fds，类似于常量，保持不变，而另一个作为副本read_fds_t，类似于变量，可以改变；
fd_set read_fds;
FD_ZERO(&read_fds);
fd_set read_fds_t;
FD_ZERO(&read_fds_t);
- 六、把创建的套接字添加到要监视的集合中：
FD_SET(sockfd,&read_fds);
int fd_max = 0;
fd_max = fd_max > sockfd ? fd_max : sockfd;
- 七、设置系统时间结构体变量，用来指定超时的时间：
struct timeval tm_out;
- 八、等待文件描述符中的事件是否就绪，成功则返回就绪的文件描述符的个数（select函数）：
- select函数：
#include <sys/select.h>
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,
fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
/*
参数：
nfds： 要监视的最大文件描述符+1
readfds： 要监视的读文件描述符集合 不关心可以传NULL
writefds： 要监视的写文件描述符集合 不关心可以传NULL
exceptfds： 要监视的异常文件描述符集合 不关心可以传NULL
timeout： 超时时间 如果设置成NULL 会一直阻塞 直到有文件描述符就绪
返回值：
成功 就绪的文件描述符的个数
超时 0
失败 -1 重置错误码
*/
//struct timeval 可以指定超时时间
//如果结构体的两个成员都为0 表示非阻塞
struct timeval {
long tv_sec; //秒
long tv_usec; //微秒
};
void FD_CLR(int fd, fd_set *set); //将文件描述符在集合中删除
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set); //判断文件描述符是否还在集合中
// 返回0 表示不在了 非0 表示在
void FD_SET(int fd, fd_set *set); //向集合中添加一个文件描述符
void FD_ZERO(fd_set *set); //清空集合
if(-1 == (ret = select(fd_max + 1,&read_fds_t,NULL,NULL,&tm_out)))
{
perror("select error");
exit(-1);
}
else if(0 == ret)
{
puts("timeout!!!!!");
putchar('\n');
continue;
}
- 九、遍历文件描述符集合，判断哪些文件描述符已经准备就绪：
for(int i = 3; i < fd_max + 1 && 0 != ret; i++)
{
...
}
- 十、判断文件描述符是否还在集合中，并且接收来自客户端的数据（recv函数）和给客户端发送应答消息（send函数）：
if(FD_ISSET(i,&read_fds_t))
{
//说明有新的客户端连接服务器
if(i == sockfd)
{
if(-1 == (accept_fd = accept(sockfd,NULL,NULL)))
{
perror("accept error");
exit(-1);
}
printf("客户端[%d]连接到服务器\n",accept_fd);
//将新连接的客户端的套接字添加到要监视的集合中
FD_SET(accept_fd,&read_fds);
fd_max = fd_max > accept_fd ? fd_max : accept_fd;
}
else //之前连接的客户端在向服务器发送信息
{
memset(buf,0,sizeof(buf));
if(-1 == (nbytes = recv(i,buf,sizeof(buf),0)))
{
perror("recv error");
exit(-1);
}
else if(0 == nbytes)
{
printf("客户端[%d]已断开连接\n",i);
//将已断开连接客户端的套接字在文件描述符集合中剔除
FD_CLR(i,&read_fds);
//关闭套接字
close(i);
continue;
}
if(!strncmp(buf,"quit",4))
{
printf("客户端[%d]已退出\n",i);
//将已断开连接客户端的套接字在文件描述符集合中剔除
FD_CLR(i,&read_fds);
//关闭套接字
close(i);
continue;
}
printf("客户端[%d]发来信息[%s]\n",i,buf);
//组装应答消息
strcat(buf,"----------k");
//给客户端发送应答消息
if(-1 == send(i,buf,sizeof(buf),0))
{
perror("send error");
exit(-1);
}
}
ret--; //减少遍历次数
}
- 十一、关闭套接字（close函数）：
poll实现TCP高并发服务器的流程：
- 一、创建套接字（socket函数）：
- 二、填充服务器的网络信息结构体：
- 三、套接字和服务器的网络信息结构体进行绑定（bind函数）：
- 四、套接字设置成被动监听（listen函数）：
- 五、创建要监听的文件描述符集合并清空文件描述符集合：
//创建要监听的文件描述符集合
struct pollfd new_fds[2048] = {0};
//清空文件描述符集合
for(int i = 0; i < 2048; ++i)
{
new_fds[i].fd = -1;
}
- 六、把创建的套接字添加到要监视的集合中：
FD_SET(sockfd,&read_fds);
int fd_max = 0;
fd_max = fd_max > sockfd ? fd_max : sockfd;
- 七、套接字添加到要监视的集合中，并且设置要监听的事件：
//套接字添加到要监视的集合中
new_fds[0].fd = sockfd;
//设置要监听的事件
new_fds[0].events |= POLLIN;
- 八、记录文件描述符集合中最大的文件描述符，并且设置超时的时间：
//记录文件描述符集合中最大的文件描述符
int fd_max = 0;
fd_max = fd_max > sockfd ? fd_max : sockfd;
//设置超时的时间
int tm_out = 10000;
- 九、等待文件描述符中的事件是否就绪，成功则返回就绪的文件描述符的个数（poll函数）：
poll实现TCP中型并发服务器与select实现TCP小型并发服务器的区别就是无需每次重置集合,并且可以设置要监视的最大文件描述符的个数，而select至多监视1024个文件描述符；- poll函数：
#include <poll.h>
int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
/*
参数：
fds：要监视的文件描述符的集合指向自定义的结构体数据
nfds：fds中已经使用的项目的个数
timeout：超时时间单位是毫秒
设置成10000 表示10s
-1 永久阻塞
0 非阻塞
返回值：
0 超时
-1 出错 重置错误码
正数 成功 返回的就绪的文件描述符的个数
*/
struct pollfd {
int fd; /* 文件描述符 设置成-1 内核就不再监视这一位了*/
short events; /* 要监视的事件 */
short revents; /* 返回的事件 */
};
/*
要监视的事件是用位运算或起来的
要监视的事件放在events字段,而实际就绪的事件在revents字段返回
POLLIN 读事件
POLLOUT 写时间
POLLERR 异常事件
*/
if(-1 == (ret = poll(new_fds,fd_max,tm_out)))
{
perror("poll error");
exit(-1);
}
else if(0 == ret)
{
puts("timeout!!!!!");
putchar('\n');
continue;
}
- 十、遍历文件描述符集合，判断哪些文件描述符已经准备就绪：
for(k = 0; k <= fd_max && ret != 0; ++k)
{
...
}
- 十一、找到实际就绪的事件的文件描述符，并且接收来自客户端的数据（recv函数）和给客户端发送应答消息（send函数）：
//找到实际就绪的事件的文件描述符
if(0 != (new_fds[k].revents & POLLIN))
{
//说明有新的客户端连接服务器
if(new_fds[k].fd == sockfd)
{
if(-1 == (accept_fd = accept(sockfd,NULL,NULL)))
{
perror("accept error");
exit(-1);
}
printf("客户端[%d]连接到服务器\n",accept_fd);
//将新连接的客户端的套接字添加到要监视的集合中
//遍历文件描述符集合，给新的文件描述符找一个位置
for(j = 0; j < 2048; j++)
{
if(-1 == new_fds[j].fd)
{
new_fds[j].fd = accept_fd;
new_fds[j].events |= POLLIN;
fd_max = fd_max > accept_fd ? fd_max : accept_fd;
break;
}
}
if(2048 == j)
{
//此时集合容量满了
close(accept_fd);
}
}
else //之前连接的客户端在向服务器发送信息
{
memset(buf,0,sizeof(buf));
if(-1 == (nbytes = recv(new_fds[k].fd,buf,sizeof(buf),0)))
{
perror("recv error");
exit(-1);
}
else if(0 == nbytes)
{
printf("客户端[%d]已断开连接\n",new_fds[k].fd);
//将已断开连接客户端的套接字在文件描述符集合中剔除
close(new_fds[k].fd);
new_fds[k].fd = -1;
continue;
}
if(!strncmp(buf,"quit",4))
{
printf("客户端[%d]已退出\n",new_fds[k].fd);
//将已断开连接客户端的套接字在文件描述符集合中剔除
close(new_fds[k].fd);
new_fds[k].fd = -1;
continue;
}
printf("客户端[%d]发来信息[%s]\n",new_fds[k].fd,buf);
//组装应答消息
strcat(buf,"----------k");
//给客户端发送应答消息
if(-1 == send(new_fds[k].fd,buf,sizeof(buf),0))
{
perror("send error");
exit(-1);
}
}
ret--; //减少遍历次数
}
- 十二、关闭套接字（close函数）：
epoll实现TCP高并发服务器的流程：
- 一、创建套接字（socket函数）：
通信域选择IPV4网络协议、套接字类型选择流式；
int sock_fd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0); //通信域选择IPV4、套接字类型选择流式
- 二、填充服务器和客户机的网络信息结构体：
- 1.分别定义服务器网络信息结构体变量
serveraddr和客户机网络信息结构体变量clientaddr； - 2.分别求出服务器和客户机的网络信息结构体变量的内存空间大小，以作备用；
- 3.网络信息
结构体清0； - 4.使用
IPV4网络协议AF_INET； - 5.在终端预留服务器端主机的
IP地址：inet_addr(argv[1])； - 6.在终端预留服务器端网络字节序的
端口号：htons(atoi(argv[2]))；
struct sockaddr_in serveraddr; //定义服务器网络信息结构体变量
struct sockaddr_in clientaddr;
socklen_t serveraddr_len = sizeof(serveraddr);//求出服务器结构体变量的内存空间大小
socklen_t clientaddr_len = sizeof(clientaddr);//求出客户机结构体变量的内存空间大小
memset(&serveraddr,0,serveraddr_len); //服务器结构体清零
memset(&clientaddr,0,clientaddr_len);//客户机结构体清零
serveraddr.sin_family = AF_INET; //使用IPV4网络协议
serveraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]); //IP地址
serveraddr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));//网络字节序的端口号
- 三、设置允许端口复用（setsockopt函数）：
- setsockopt函数：
- 功能：设置套接字属性；
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int setsockopt(int sockfd, int level, int optname,
const void *optval, socklen_t optlen);
/*
参数：
sockfd：套接字
level： 选项的级别
套接字API级别 SOL_SOCKET
TCP级别 IPPROTO_TCP
IP级别 IPPROTO_IP
optname：选项的名字
套接字API级别
SO_BROADCAST 是否允许发送广播
SO_RCVBUF 接收缓冲区的大小
SO_SNDBUF 发送缓冲区的大小
SO_RCVTIMEO 接收超时时间
参数使用的是 struct timeval 结构体
如果超时了 函数调用会立即返回-1
并将错误码置成 EAGAIN
SO_SNDTIMEO 发送超时时间
SO_REUSEADDR 端口复用
TCP级别
TCP_NODELAY 使能/禁用Nagle算法
IP级别
IP_ADD_MEMBERSHIP 设置加入多播组
optval： 选项的值
没有特殊说明时 使用的都是int类型
optlen：optval的大小
返回值：
成功 0
失败 -1 重置错误码
*/
- 特别注意：
- 使用setsockopt设置允许端口复用时，其在代码的位置在填充网络信息结构体和bind之间；
int reuse = 1;
if(-1 == (setsockopt(sock_fd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&reuse,sizeof(reuse))))
{
perror("setsockopt error");
exit(-1);
}
-
四、套接字和服务器的网络信息结构体进行绑定（bind函数）：
-
五、套接字设置成被动监听（listen函数）：
-
六、创建红黑树（epoll_create函数）：
#include <sys/epoll.h>
int epoll_create(int size);
/*
功能：
创建epoll/创建epoll实例的描述符
参数：
size:参数已经被忽略了，只需要填写大于0的值即可
返回值：
epoll_create 调用成功时会返回一个非负整数epfd，
表示新创建的 epoll 实例的文件描述符，
如果调用失败则返回 -1，并设置 errno 变量以指示具体错误原因
*/
int epfd = epoll_create(1);
if(-1 == epfd)
{
perror("epoll_create error");
exit(-1);
}
- 七、定义事件结构体变量和存放就绪事件描述符的数组：
- 事件结构体：
epoll_event用于描述一个文件描述符上的事件；
typedef union epoll_data {
void *ptr;
int fd;
uint32_t u32;
uint64_t u64;
} epoll_data_t;
struct epoll_event {
uint32_t events; //EPOLLIN 读 / EPOLLOUT 写
epoll_data_t data; //存放用户的数据
};
struct epoll_event event;
struct epoll_event events[N];
- 八、将关心的文件描述符加入到红黑树（epoll_ctl函数）：
- 功能：epoll的控制操作或者用于向 epoll 实例中添加、修改、删除事件；
- epoll_ctl函数：
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
/*
参数：
epfd:epoll的文件描述符
op:控制方式
EPOLL_CTL_ADD：添加
EPOLL_CTL_MOD：修改
EPOLL_CTL_DEL：删除
fd:被操作的文件描述符
event:（事件）结构体指针
返回值：
成功返回0，
失败返回-1 置位错误码
*/
//添加要检测事件的描述符
event.events = EPOLLIN;
event.data.fd = sock_fd;
//将关心的文件描述符加入到红黑树
if(-1 == (epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,sock_fd,&event)))
{
perror("epoll_ctl error");
exit(-1);
}
- 九、等待文件描述符中的事件是否就绪，成功则返回就绪的文件描述符的个数（epoll_wait函数）：
- epoll_wait函数：
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events,int maxevents, int timeout);
/*
参数：
epfd:epoll的文件描述符
events:准备好的事件的结构体地址
maxevents:返回的最大的文件描述符的个数
timeout:超时
>0 :毫秒级别的超时时间
=0 :立即返回
=-1:不关心超时时间
返回值：
成功返回准备好的文件描述符的个数
返回0代表超时时间到了
失败返回-1置位错误码
*/
if(-1 == (ret = epoll_wait(epfd,events,N,-1)))
{
perror("epoll_wait error");
exit(-1);
}
- 十、遍历就绪的文件描述符集，判断哪些文件描述符已经准备就绪：
for(int i = 0; i < ret; ++i)
{
...
}
- 十一、找到实际就绪的事件的文件描述符，并且接收来自客户端的数据（recv函数）和给客户端发送应答消息（send函数）：
if(events[i].data.fd == sock_fd)
{
//获取连接成功后新的客户端
new_fd = accept(sock_fd,(struct sockaddr *)&clientaddr,&clientaddr_len);
if(-1 == new_fd)
{
perror("accept error");
exit(-1);
}
printf("文件描述符[%d]客户端[%s:%d]连接到了服务器\n",new_fd,inet_ntoa(clientaddr.sin_addr),ntohs(clientaddr.sin_port));
//添加要检测的文件描述符
event.events = EPOLLIN;
event.data.fd = new_fd;
if(-1 == (epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,new_fd,&event)))
{
perror("epoll_ctl error");
exit(-1);
}
printf("文件描述符[%d]成功挂载在红黑树上\n",new_fd);
}
else
{
memset(buf,0,sizeof(buf));
int old_fd = events[i].data.fd;
if(-1 == (nbytes = recv(old_fd,buf,sizeof(buf),0)))
{
perror("recv error");
exit(-1);
}
else if(0 == nbytes)
{
printf("文件描述符[%d]客户端断开了服务器\n",old_fd);
//关闭对应的文件描述符
close(old_fd);
//剔除挂在树上对应的文件描述符
epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_DEL,old_fd,&event);
}
if(!strncmp(buf,"quit",4))
{
printf("文件描述符[%d]客户端退出了服务器\n",old_fd);
//关闭对应的文件描述符
close(old_fd);
//剔除挂在树上对应的文件描述符
epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_DEL,old_fd,&event);
}
printf("文件描述符[%d]客户端发来数据[%s]\n",old_fd,buf);
//组装应答消息
strcat(buf,"-----k");
//给客户端发送应答消息
send(old_fd,buf,sizeof(buf),0);
- 十二、关闭套接字（close函数）：
select、poll、epoll三者的区别：
文章来源:https://blog.csdn.net/qq_41878292/article/details/135675660
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