Linux NIO 系列(02) 阻塞式 IO

目录

• 1、环境准备
  • 1.1 代码演示
• 2、Socket 是什么
  • 2.1 socket 套接字
  • 2.2 套接字描述符
  • 2.3 文件描述符和文件指针的区别
• 3、基本的 SOCKET 接口函数
  • 3.1 socket() 函数
  • 3.2 bind() 函数
  • 3.3 listen()、connect() 函数
  • 3.4 accept() 函数
  • 3.5 read()、write() 等函数
  • 4.6 close() 函数
• 附1：socket 网络编程代码

Linux NIO 系列(02) 阻塞式 IO

Netty 系列目录(http://www.javashuo.com/article/p-hskusway-em.html)

1、环境准备

yum install -y gcc nc 
man socket  # 帮助手册

关于 Linux 下 man 手册的安装和使用点击这里

1.1 代码演示

(1) 编译

[root@localhost test]# gcc socket.c -o socket

(2) 启动服务端

[root@localhost test]# ./socket

(3) nc模拟客务端

[root@localhost ~]# nc 127.0.0.1 8888
hello,world

这里服务端收到 hello,world 的请求，但同时打开多个 nc 时没法响应。

[root@localhost test]# ./socket 
hello,world

2、Socket 是什么

2.1 socket 套接字

Socket 起源于 Unix，而 Unix/Linux 基本哲学之一就是“一切皆文件”，均可以用 “打开open –> 读写write/read –> 关闭close” 模式来操做。Socket 就是该模式的一个实现，socket 便是一种特殊的文件，一些 socket 函数就是对其进行的操做（读/写IO、打开、关闭）。

说白了 Socket 是应用层与 TCP/IP 协议族通讯的中间软件抽象层，它是一组接口。在设计模式中，Socket 其实就是一个门面模式，它把复杂的 TCP/IP 协议族隐藏在 Socket 接口后面，对用户来讲，一组简单的接口就是所有，让 Socket 去组织数据，以符合指定的协议。

注意：其实 socket 也没有层的概念，它只是一个 facade 设计模式的应用，让编程变的更简单。是一个软件抽象层。在网络编程中，咱们大量用的都是经过 socket 实现的。

2.2 套接字描述符

其实就是一个整数，咱们最熟悉的句柄是 0、一、2 三个，0 是标准输入，1 是标准输出，2 是标准错误输出。0、一、2 是整数表示的，对应的 FILE * 结构的表示就是 stdin、stdout、stderr

套接字 API 最初是做为 UNIX 操做系统的一部分而开发的，因此套接字 API 与系统的其余 I/O 设备集成在一块儿。特别是，当应用程序要为因特网通讯而建立一个套接字（socket）时，操做系统就返回一个小整数做为描述符（descriptor）来标识这个套接字。而后，应用程序以该描述符做为传递参数，经过调用函数来完成某种操做（例如经过网络传送数据或接收输入的数据）。

在许多操做系统中，套接字描述符和其余 I/O 描述符是集成在一块儿的，因此应用程序能够对文件进行套接字 I/O 或 I/O 读/写操做。

当应用程序要建立一个套接字时，操做系统就返回一个小整数做为描述符，应用程序则使用这个描述符来引用该套接字须要 I/O 请求的应用程序请求操做系统打开一个文件。操做系统就建立一个文件描述符提供给应用程序访问文件。从应用程序的角度看，文件描述符是一个整数，应用程序能够用它来读写文件。下图显示，操做系统如何把文件描述符实现为一个指针数组，这些指针指向内部数据结构。

对于每一个程序系统都有一张单独的表。精确地讲，系统为每一个运行的进程维护一张单独的文件描述符表。当进程打开一个文件时，系统把一个指向此文件内部数据结构的指针写入文件描述符表，并把该表的索引值返回给调用者 。应用程序只需记住这个描述符，并在之后操做该文件时使用它。操做系统把该描述符做为索引访问进程描述符表，经过指针找到保存该文件全部的信息的数据结构。

针对套接字的系统数据结构：

1）、套接字 API 里有个函数 socket，它就是用来建立一个套接字。套接字设计的整体思路是，单个系统调用就能够建立任何套接字，由于套接字是至关笼统的。一旦套接字建立后，应用程序还须要调用其余函数来指定具体细节。例如调用 socket 将建立一个新的描述符条目：

2）、虽然套接字的内部数据结构包含不少字段，可是系统建立套接字后，大多数字字段没有填写。应用程序建立套接字后在该套接字可使用以前，必须调用其余的过程来填充这些字段。

2.3 文件描述符和文件指针的区别

• 文件描述符：在 linux 系统中打开文件就会得到文件描述符，它是个很小的正整数。每一个进程在 PCB（Process Control Block）中保存着一份文件描述符表，文件描述符就是这个表的索引，每一个表项都有一个指向已打开文件的指针。

• 文件指针：C 语言中使用文件指针作为 I/O 的句柄。文件指针指向进程用户区中的一个被称为 FILE 结构的数据结构。FILE 结构包括一个缓冲区和一个文件描述符。而文件描述符是文件描述符表的一个索引，所以从某种意义上说文件指针就是句柄的句柄（在 Windows 系统上，文件描述符被称做文件句柄）。

更多关于linux文件系统请看这里

3、基本的 SOCKET 接口函数

在生活中，A 要电话给 B，A 拨号，B 听到电话铃声后提起电话，这时 A 和 B 就创建起了链接，A 和 B 就能够讲话了。等交流结束，挂断电话结束这次交谈。 打电话很简单解释了这工做原理：“open—write/read—close”模式。

服务器端先初始化 Socket，而后与端口绑定(bind)，对端口进行监听(listen)，调用 accept 阻塞，等待客户端链接。在这时若是有个客户端初始化一个 Socket，而后链接服务器(connect)，若是链接成功，这时客户端与服务器端的链接就创建了。客户端发送数据请求，服务器端接收请求并处理请求，而后把回应数据发送给客户端，客户端读取数据，最后关闭链接，一次交互结束。

这些接口的实现都是内核来完成。具体如何实现，能够看看 linux 的内核

1. socket
2. bind
3. listen
4. accept
5. connect

3.1 socket() 函数

int socket(int protofamily, int type, int protocol);    //返回 sockfd(文件描述符)

socket 函数对应于普通文件的打开操做。普通文件的打开操做返回一个文件描述字，而 socket() 用于建立一个 socket 描述符（socket descriptor），它惟一标识一个 socket。这个 socket 描述字跟文件描述字同样，后续的操做都有用到它，把它做为参数，经过它来进行一些读写操做。

正如能够给 fopen 的传入不一样参数值，以打开不一样的文件。建立 socket 的时候，也能够指定不一样的参数建立不一样的 socket 描述符，socket 函数的三个参数分别为：

• protofamily：即协议域，又称为协议族（family）。经常使用的协议族有，AF_INET(IPV4)、AF_INET6(IPV6)、AF_LOCAL（或称 AF_UNIX，Unix 域 socket）、AF_ROUTE 等等。协议族决定了 socket 的地址类型，在通讯中必须采用对应的地址，如 AF_INET 决定了要用 ipv4 地址（32位的）与端口号（16位的）的组合、AF_UNIX 决定了要用一个绝对路径名做为地址。

• type：指定 socket 类型。经常使用的 socket 类型有，SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET 等等（socket的类型有哪些？）。

• protocol：故名思意，就是指定协议。经常使用的协议有，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC 等，它们分别对应 TCP 传输协议、UDP 传输协议、STCP 传输协议、TIPC 传输协议。

注意： 并非上面的 type 和 protocol 能够随意组合的，如 SOCK_STREAM 不能够跟 IPPROTO_UDP 组合。当 protocol 为 0 时，会自动选择 type 类型对应的默认协议。

当咱们调用 socket 建立一个 socket 时，返回的 socket 描述字它存在于协议族（address family，AF_XXX）空间中，但没有一个具体的地址。若是想要给它赋值一个地址，就必须调用 bind() 函数，不然就当调用 connect()、listen() 时系统会自动随机分配一个端口。

# tcp/ipv4
int listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

3.2 bind() 函数

正如上面所说 bind() 函数把一个地址族中的特定地址赋给 socket。例如对应 AF_INET、AF_INET6 就是把一个 ipv4 或 ipv6 地址和端口号组合赋给 socket。

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

函数的三个参数分别为：

• sockfd：即 socket 描述字，它是经过 socket() 函数建立了，惟一标识一个 socket。bind() 函数就是将给这个描述字绑定一个名字。

• addr：一个 const struct sockaddr * 指针，指向要绑定给 sockfd 的协议地址。这个地址结构根据地址建立 socket 时的地址协议族的不一样而不一样，如 ipv4 对应的是：

  struct sockaddr_in {
      sa_family_t    sin_family; /* address family: AF_INET */
      in_port_t      sin_port;   /* port in network byte order */
      struct in_addr sin_addr;   /* internet address */
  };
  /* Internet address. */
  struct in_addr {
      uint32_t       s_addr;     /* address in network byte order */
  };
  
  # ipv6对应的是： 
  struct sockaddr_in6 { 
      sa_family_t     sin6_family;   /* AF_INET6 */ 
      in_port_t       sin6_port;     /* port number */ 
      uint32_t        sin6_flowinfo; /* IPv6 flow information */ 
      struct in6_addr sin6_addr;     /* IPv6 address */ 
      uint32_t        sin6_scope_id; /* Scope ID (new in 2.4) */ 
  };
  struct in6_addr { 
      unsigned char   s6_addr[16];   /* IPv6 address */ 
  };
  
  # Unix域对应的是： 
  #define UNIX_PATH_MAX    108
  struct sockaddr_un { 
      sa_family_t sun_family;               /* AF_UNIX */ 
      char        sun_path[UNIX_PATH_MAX];  /* pathname */ 
  };

• addrlen：对应的是地址的长度。
  一般服务器在启动的时候都会绑定一个众所周知的地址（如ip地址+端口号），用于提供服务，客户就能够经过它来接连服务器；而客户端就不用指定，有系统自动分配一个端口号和自身的 ip 地址组合。这就是为何一般服务器端在 listen 以前会调用 bind()，而客户端就不会调用，而是在 connect() 时由系统随机生成一个。

网络字节序与主机字节序

主机字节序就是咱们日常说的大端和小端模式：不一样的 CPU 有不一样的字节序类型，这些字节序是指整数在内存中保存的顺序，这个叫作主机序。引用标准的 Big-Endian 和 Little-Endian 的定义以下：

a) Little-Endian就是低位字节排放在内存的低地址端，高位字节排放在内存的高地址端。

b) Big-Endian就是高位字节排放在内存的低地址端，低位字节排放在内存的高地址端。

网络字节序：4 个字节的 32 bit 值如下面的次序传输：首先是 0 ~ 7bit，其次 8 ~ 15bit，而后 16 ~ 23bit，最后是 24 ~ 31bit。这种传输次序称做大端字节序。因为 TCP/IP 首部中全部的二进制整数在网络中传输时都要求以这种次序，所以它又称做网络字节序。字节序，顾名思义字节的顺序，就是大于一个字节类型的数据在内存中的存放顺序，一个字节的数据没有顺序的问题了。

因此：在将一个地址绑定到 socket 的时候，请先将主机字节序转换成为网络字节序，而不要假定主机字节序跟网络字节序同样使用的是 Big-Endian。因为这个问题曾引起过血案！公司项目代码中因为存在这个问题，致使了不少莫名其妙的问题，因此请谨记对主机字节序不要作任何假定，务必将其转化为网络字节序再赋给 socket。

3.3 listen()、connect() 函数

若是做为一个服务器，在调用 socket()、bind() 以后就会调用 listen() 来监听这个 socket，若是客户端这时调用 connect() 发出链接请求，服务器端就会接收到这个请求。

int listen(int sockfd, int backlog);
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

listen 函数的第一个参数即为要监听的 socket 描述字，第二个参数为相应 socket 能够排队的最大链接个数。socket() 函数建立的 socket 默认是一个主动类型的，listen 函数将 socket 变为被动类型的，等待客户的链接请求。

connect 函数的第一个参数即为客户端的 socket 描述字，第二参数为服务器的 socket 地址，第三个参数为 socket 地址的长度。客户端经过调用 connect 函数来创建与 TCP 服务器的链接。

3.4 accept() 函数

TCP 服务器端依次调用 socket()、bind()、listen() 以后，就会监听指定的 socket 地址了。TCP 客户端依次调用 socket()、connect() 以后就向 TCP 服务器发送了一个链接请求。TCP 服务器监听到这个请求以后，就会调用 accept() 函数取接收请求，这样链接就创建好了。以后就能够开始网络 I/O 操做了，即类同于普通文件的读写 I/O 操做。

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen); //返回链接 connect_fd

• sockfd：
  参数 sockfd 就是上面解释中的监听套接字，这个套接字用来监听一个端口，当有一个客户与服务器链接时，它使用这个一个端口号，而此时这个端口号正与这个套接字关联。固然客户不知道套接字这些细节，它只知道一个地址和一个端口号。

• addr：
  这是一个结果参数，它用来接受一个返回值，这返回值指定客户端的地址，固然这个地址是经过某个地址结构来描述的，用户应该知道这一个什么样的地址结构。若是对客户的地址不感兴趣，那么能够把这个值设置为 NULL。

• len：
  如同你们所认为的，它也是结果的参数，用来接受上述 addr 的结构的大小的，它指明 addr 结构所占有的字节个数。一样的，它也能够被设置为 NULL。

若是 accept 成功返回，则服务器与客户已经正确创建链接了，此时服务器经过 accept 返回的套接字来完成与客户的通讯。

注意： accept 默认会阻塞进程，直到有一个客户链接创建后返回，它返回的是一个新可用的套接字，这个套接字是链接套接字。

此时咱们须要区分两种套接字，

• 监听套接字: 监听套接字正如 accept 的参数 sockfd，它是监听套接字，在调用 listen 函数以后，是服务器开始调用 socket() 函数生成的，称为监听 socket 描述字(监听套接字)

• 链接套接字：一个套接字会从主动链接的套接字变身为一个监听套接字；而 accept 函数返回的是已链接 socket 描述字(一个链接套接字)，它表明着一个网络已经存在的点点链接。

一个服务器一般一般仅仅只建立一个监听 socket 描述字，它在该服务器的生命周期内一直存在。内核为每一个由服务器进程接受的客户链接建立了一个已链接 socket 描述字，当服务器完成了对某个客户的服务，相应的已链接 socket 描述字就被关闭。

天然要问的是：为何要有两种套接字？缘由很简单，若是使用一个描述字的话，那么它的功能太多，使得使用很不直观，同时在内核确实产生了一个这样的新的描述字。

链接套接字 socketfd_new 并无占用新的端口与客户端通讯，依然使用的是与监听套接字 socketfd 同样的端口号

3.5 read()、write() 等函数

万事具有只欠东风，至此服务器与客户已经创建好链接了。能够调用网络 I/O 进行读写操做了，即实现了网咯中不一样进程之间的通讯！网络 I/O 操做有下面几组：

• read()/write()
• recv()/send()
• readv()/writev()
• recvmsg()/sendmsg()
• recvfrom()/sendto()

我推荐使用 recvmsg()/sendmsg() 函数，这两个函数是最通用的 I/O 函数，实际上能够把上面的其它函数都替换成这两个函数。它们的声明以下：

#include <unistd.h>

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
              const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
                struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags);
ssize_t recvmsg(int sockfd, struct msghdr *msg, int flags);

read 函数是负责从 fd 中读取内容.当读成功时，read 返回实际所读的字节数，若是返回的值是 0 表示已经读到文件的结束了，小于 0 表示出现了错误。若是错误为 EINTR 说明读是由中断引发的，若是是 ECONNREST 表示网络链接出了问题。

write 函数将 buf 中的 nbytes 字节内容写入文件描述符 fd.成功时返回写的字节数。失败时返回 -1，并设置 errno 变量。 在网络程序中，当咱们向套接字文件描述符写时有俩种可能。1) write 的返回值大于 0，表示写了部分或者是所有的数据。2) 返回的值小于 0，此时出现了错误。咱们要根据错误类型来处理。若是错误为 EINTR 表示在写的时候出现了中断错误。若是为 EPIPE 表示网络链接出现了问题(对方已经关闭了链接)。

4.6 close() 函数

在服务器与客户端创建链接以后，会进行一些读写操做，完成了读写操做就要关闭相应的 socket 描述字，比如操做完打开的文件要调用 fclose 关闭打开的文件。

#include <unistd.h>
int close(int fd);

close 一个 TCP socket 的缺省行为时把该 socket 标记为以关闭，而后当即返回到调用进程。该描述字不能再由调用进程使用，也就是说不能再做为 read 或 write 的第一个参数。

注意：close 操做只是使相应 socket 描述字的引用计数 -1，只有当引用计数为 0 的时候，才会触发 TCP 客户端向服务器发送终止链接请求。

附1：socket 网络编程代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

#define SERVER_PORT 8888
#define BACKLOG   10
#define BUF_SIZE  1024

void main() {
    //网络地址结构 server
    struct sockaddr_in my_addr;
    my_addr.sin_family = AF_INET;
    my_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);
    my_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    char recv_buf[BUF_SIZE] = "";

    //客户端
    struct sockaddr_in client_addr;
    int listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    bind(listenfd, (struct sockaddr *)&my_addr, sizeof(my_addr));
    listen (listenfd, BACKLOG);
    socklen_t cliaddr_len = sizeof(client_addr);
    int clientfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)&client_addr, &cliaddr_len);
    
    //char client_ip;
    //inet_ntop(AF_INET, &client_addr.sin_addr, client_ip, INET_ADDRSTRLEN);
    //printf("client ip=%s,port=%d\n", client_ip, ntohs(client_addr.sin_port));

    while(1) {
        int k = read(clientfd, recv_buf, sizeof(recv_buf));
        if(k > 0) {
            printf("%s\n", recv_buf);
        }
    }
}

参考：

1. Java高级进阶精讲—NIO网络编程深刻剖析（鲁班学院出品）
2. Linux程序设计 IO多路复用 select/poll/epoll
3. Linux的SOCKET编程详解

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