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TCP/IP网络编程（三）_feof(readfp)

作者：Monodyee | 2024-05-13 08:28:07

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feof(readfp)

TCP/IP网络编程读书笔记

第14章 多播与广播

14.1 多播

多播（Multicast）方式的数据传输是基于 UDP 完成的。因此 ，与 UDP 服务器端/客户端的实现方式非常接近。区别在于，UDP 数据传输以单一目标进行，而多播数据同时传递到加入（注册）特定组的大量主机。换言之，采用多播方式时，可以同时向多个主机传递数据。

14.1.1 多播的数据传输方式及流量方面的优点

多播的数据特点可整理如下：

  • 多播服务器端针对特定多播组，只发送 1 次数据
  • 即使只发送 1 次数据，但该组内的所有客户端都会接收数据
  • 多播组数可以在 IP 地址范围内任意增加
  • 加入特定组即可接收发往该多播组的数据

多播组是 D 类IP地址（224.0.0.0~239.255.255.255），**「加入多播组」**可以理解为通过程序完成如下声明：

在 D 类IP地址中，我希望接收发往目标 239.234.218.234 的多播数据

多播是基于 UDP 完成的，也就是说，多播数据包的格式与 UDP 数据包相同。只是与一般的 UDP 数据包不同。向网络传递 1 个多播数据包时，路由器将复制该数据包并传递到多个主机。像这样，多播需要借助路由器完成。如图所示：
在这里插入图片描述

若通过TCP或UDP向1000个主机发送文件，则共需要传递1000次。即便将10台主机合为1个网络，使99%的传输路径相同的情况下也是如此。但此时若使用多播方式传输文件，则只需发送1次 （一个区域只需要发送一个数据包，然后由该区域的路由器转发给其他主机）。这时由1000台主机构成的网络中的路由器负责复制文件并传递到主机。就因为这种特性，多播主要用于“多媒体数据的实时传输”。

另外，理论上可以完成多播通信，但是不少路由器并不支持多播，或即便支持也因网络拥堵问题故意阻断多播。因此，为了在不支持多播的路由器中完成多播通信，也会使用隧道（Tunneling）技术（多播程序员不考虑）。

14.1.2 路由（Routing）和 TTL（Time to Live，生存时间），以及加入组的办法

接下来讨论多播相关编程方法。为了传递多播数据包，必须设置TTL。TTL 是Time to Live的简写，是决定”数据包传递距离“的主要因素。TTL用整数表示，并且每经过1个路由器就减1。TTL变为0时，该数据包无法再被传递，只能销毁。因此，TTL的值设置过大将影响网络流量。当然，设置过小也会无法传递到目标，需要引起注意。
在这里插入图片描述
接下来是 TTL 的设置方法。TTL 是可以通过第9章的套接字可选项完成的。与设置 TTL 相关的协议层为IPPROTO_IP ，选项名为 IP_MULTICAST_TTL。因此，可以用如下代码把 TTL 设置为 64：

int send_sock;
int time_live = 64;
...
send_sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
setsockopt(send_sock, IPPROTO_IP, IP_MULTICAST_TTL, (void*)&time_live, sizeof(time_live);
...

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加入多播组也通过设置设置套接字可选项来完成。加入多播组相关的协议层为 IPPROTO_IP，选项名为IP_ADD_MEMBERSHIP 。可通过如下代码加入多播组：

int recv_sock;
struct ip_mreq join_adr;
...
recv_sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
...
join_adr.imr_multiaddr.s_addr = "多播组地址信息";
join_adr.imr_interface.s_addr = "加入多播组的主机地址信息";
setsockopt(recv_sock, IPPROTO_IP, IP_ADD_MEMBERSHIP. (void*)&join_adr, sizeof(join_adr);
...

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ip_mreq结构体如下所示：

struct ip_mreq {
	struct in_addr imr_multiaddr;
	struct in_addr imr_interface;
}

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第3章讲过in_addr结构体，因此只介绍结构体成员。首先，第一个成员imr_multiaddr中写入加入的组IP地址。第二个成员imr_interface是加入该组的套接字所属主机的IP地址，也可使用INADDR_ANY。

14.1.3 实现多播 Sender 和 Receiver

多播中用“发送者”(以下称为Sender )和“接受者”(以下称为Receiver)替代服务器端和客户端。顾名思义，此处的Sender是多播数据的发送主体，Receiver是需要多播组加入过程的数据接收主体。下面讨论即将给出的示例，该示例的运行场景如下：

  • Sender : 向 AAA 组广播（Broadcasting）文件中保存的新闻信息
  • Receiver : 接收传递到 AAA 组的新闻信息。

接下来是代码示例，Sender比Receiver简单，因为Receiver需要经过加入组的过程，Sender只需创建UDP套接字，并向多播地址发送数据。

// news_sender.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>

#define TTL 64
#define BUF_SIZE 30
void error_handling(char* message);

int main(int argc, char* argv[]) {
    int send_sock;
    struct sockaddr_in mul_adr;
    int time_live = TTL;
    FILE *fp;
    char buf[BUF_SIZE];
    if (argc != 3) {
        printf ("Usage : %s <GroupIP> <PORT> \n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    send_sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (send_sock == -1) error_handling("sock() error");

    memset(&mul_adr, 0, sizeof(mul_adr));
    mul_adr.sin_family = AF_INET;
    mul_adr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);  // Multicast IP
    mul_adr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));  // Multicast Port

    setsockopt(send_sock, IPPROTO_IP, IP_MULTICAST_TTL, (void*)&time_live, sizeof(time_live));
    if ((fp = fopen("news.txt", "r")) == NULL)
        error_handling("fopen() error");

    while (!feof(fp)) {  // Broadcasting  判断文件是否结束
        fgets(buf, BUF_SIZE, fp);
        sendto(send_sock, buf, strlen(buf), 0, (struct sockaddr*)&mul_adr, sizeof(mul_adr));
        sleep(2);
    }
    fclose(fp);
    close(send_sock);
    return 0;
}

void error_handling(char* message) {
    fputs(message, stderr);
    fputc('\n', stderr);
    exit(1);
}


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设置传输数据的目标地址信息。重要的是，必须将IP地址设置为多播地址。实际传输数据的区域。基于UDP套接字传输数据，因此需要利用sendto函数。另外，第40行的sleep函数调用主要是为了给传输数据提供一定的时间间隔而添加的，没有其他特殊意义。

下面是Receiver的程序：

// news_sender.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>

#define BUF_SIZE 30
void error_handling(char* message);

int main(int argc, char* argv[]) {
    int recv_sock;
    struct sockaddr_in adr;
    int str_len;
    char buf[BUF_SIZE];
    struct ip_mreq join_adr;

    if (argc != 3) {
        printf("Usage : %s <GroupIp> <IP> \n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    recv_sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (recv_sock = -1) error_handling("sock() error");
    memset(&adr, 0, sizeof(adr));
    adr.sin_family = AF_INET;
    adr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    adr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));

    if (bind(recv_sock, (struct sockaddr*)&adr, sizeof(adr)) == -1)
        error_handling("bind() error");
    
    join_adr.imr_multiaddr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    join_adr.imr_interface.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

    setsockopt(recv_sock, IPPROTO_IP, IP_ADD_MEMBERSHIP, (void*)&join_adr, sizeof(join_adr));

    while (1) {
        str_len = recvfrom(recv_sock, buf, BUF_SIZE - 1, 0, NULL, 0);
        if (str_len < 0) 
            break;
        buf[str_len] = 0;
        fputs(buf, stdout);
    }
    close (recv_sock);
    return 0;
}

void error_handling(char* message) {
    fputs(message, stderr);
    fputc('\n', stderr);
    exit(1);
}

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初始化结构体ip_mreg变量。第26行初始化多播组地址，第27行初始化待加入主机的IP地址。(使用INADDR_ANY)
利用套接字选项IP_ADD_MEMBERSHIP加入多播组。至此完成了接收第26行指定的多播组数据的所有准备。
通过调用recvfrom函数接收多播数据。如果不需要知道传输数据的主机地址信息，可以向recvfrom函数的第五个和第六个参数分别传递NULL和0。

编译运行：

gcc news_sender.c -o sender
gcc news_receiver.c -o receiver
./sender 224.1.1.2 9190
./receiver 224.1.1.2 9190

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结果：
这里跑不通，原因也暂时还没找到。

14.2 广播

广播（Broadcast）在「一次性向多个主机发送数据」这一点上与多播类似，但传输数据的范围有区别。多播即使在跨越不同网络的情况下，只要加入多播组就能接受数据。相反，广播只能向同一网络中的主机传输数据。

14.2.1 广播的理解及实现方法

广播是向同一网络中的所有主机传输数据的方法。与多播相同，广播也是通过 UDP 来完成的。根据传输数据时使用的IP地址形式，广播分为以下两种：

  • 直接广播（Directed Broadcast）
  • 本地广播（Local Broadcast）

二者在实现上的差别主要在于IP地址。直接广播的IP地址中除了网络地址外，其余主机地址全部设置成1。例如，希望向网络地址 192.12.34 中的所有主机传输数据时，可以向 192.12.34.255 传输。换言之，可以采取直接广播的方式向特定区域内所有主机传输数据。

数据通信中使用的IP地址是与 UDP 示例的唯一区别。默认生成的套接字会阻止广播，因此，只需通过如下代码更改默认设置。

int send_sock;
int bcast = 1;  // 对变量进行初始化以将SO_BROADCAST选项信息改为1。
...
send_sock=socket(PF_INET,SOCK_DGRAM,0);
...
setsockopt(send_sock, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, (void*)&bcast, sizeof(bcast));
...

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调用setsockopt函数，将SO_BROADCAST选项设置为bcast变量中的值1。这意味着可以进行数据广播。当然，上述套接字选项只需在Sender中更改，Receiver的实现不需要该过程。

14.2.2 实现广播数据的Sender和Receiver

下面首先实现广播的Sender。

// news_sender_brd.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>

#define TTL 64
#define BUF_SIZE 30
void error_handling(char *message);

int main(int argc, char *argv[])
{
    int send_sock;
    struct sockaddr_in broad_adr;
    int so_brd = 1;
    FILE *fp;
    char buf[BUF_SIZE];
    if (argc != 3)
    {
        printf("Usage : %s <GroupIP> <PORT>\n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    send_sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0); //创建  UDP 套接字
    memset(&broad_adr, 0, sizeof(broad_adr));
    broad_adr.sin_family = AF_INET;
    broad_adr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]); //必须将IP地址设置为多播地址
    broad_adr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
    //指定套接字中 TTL 的信息
    setsockopt(send_sock, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, (void *)&so_brd, sizeof(so_brd));
    if ((fp = fopen("news.txt", "r")) == NULL)
        error_handling("fopen() error");

    while (!feof(fp)) //如果文件没结束就返回0
    {
        fgets(buf, BUF_SIZE, fp);
        sendto(send_sock, buf, strlen(buf), 0, (struct sockaddr *)&broad_adr, sizeof(broad_adr));
        sleep(2);
    }
    fclose(fp);
    close(send_sock);
    return 0;
}

void error_handling(char *message)
{
    fputs(message, stderr);
    fputc('\n', stderr);
    exit(1);
}

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与多播不同的是，广播的Receiver中就不需要setsockopt了。

// news_receiver_brd.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>

#define BUF_SIZE 30
void error_handling(char *message);

int main(int argc, char* argv[]) {
    int recv_sock;
    struct sockaddr_in adr;
    int str_len;
    char buf[BUF_SIZE];
    if (argc != 2) {
        printf("Usage : %s  <Port> \n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    recv_sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    memset(&adr, 0, sizeof(adr));
    adr.sin_family = AF_INET;
    adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));

    if (bind(recv_sock, (struct sockaddr*)&adr, sizeof(adr)) == -1)
        error_handling("bind() error");
    
    while (1) {
        str_len = recvfrom(recv_sock, buf, BUF_SIZE - 1, 0, NULL, 0);
        if (str_len < 0) break;
        buf[str_len] = 0;
        fputs(buf, stdout);
    }
    close(recv_sock);
    return 0;
}

void error_handling(char* message){
    fputs(message, stderr);
    fputc('\n', stderr);
    exit(1);
}

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编译运行：

gcc news_receiver_brd.c -o receiver
gcc news_sender_brd.c -o sender
./sender 255.255.255.255 9190
./receiver 9190

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结果：

与多播的情况一样，不出来结果也不知道是为什么。先暂时放着，之后再来看看。

14.3 基于Windows的实现

暂略。

14.4 习题

第15章 套接字和标准I/O

我们之前采用的都是默认数据通信手段read & write函数以及各种系统I/O函数，这一章我们来学习使用C语言的标准I/O函数。

15.1 标准I/O的优点

15.1.1 标准I/O函数的两个优点

标准I/O函数的两大优点：

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

创建套接字时，操作系统会准备 I/O 缓冲。此缓冲在执行 TCP 协议时发挥着非常重要的作用。此时若使用标准 I/O 函数，将得到额外的缓冲支持。如下图：
在这里插入图片描述
从图中可以看到，使用标准I/O函数传输数据时，会经过两个缓冲。假设使用 fputs 函数进行传输字符串 「Hello」时，首先将数据传递到标准 I/O 缓冲，然后将数据移动到套接字输出缓冲，最后将字符串发送到对方主机。

设置缓冲的主要目的是为了提高性能。从以下两点可以说明性能的提高：

  • 传输的数据量
  • 数据向输出缓冲移动的次数

比较 1 个字节的数据发送 10 次的情况和 10 个数据包发送 1 次的情况。发送数据时，数据包中含有头信息。头信与数据大小无关，是按照一定的格式填入的。假设头信息占 40 个字节，需要传输的数据量也存在较大区别：

  • 1个字节 10次 40×10=400字节
  • 10个字节 1次 40×1=40字节

另外，为了发送数据，向套接字输出缓冲移动数据也会消耗不少时间。但这同样与移动次数有关。1个字节数据共移动10次花费的时间将近10个字节数据移动1次花费时间的10倍。

15.1.2 标准I/O函数和系统函数之间的性能对比

接下来分别利用标准I/O函数和系统函数编写文件复制程序，检验缓冲提高性能的程度。首先是使用系统函数复制文件的示例：

// syscpy.c
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <time.h>
#define BUF_SIZE 3  // 用最短数组长度构成

int main (int argc, char* argv[]) {
    int fd1, fd2;  // 文件描述符
    int len;
    char buf[BUF_SIZE];
    clock_t start, end;
    double cpu_time_used;

    fd1 = open("news.txt", O_RDONLY);
    fd2 = open("cpy.txt", O_WRONLY | O_CREAT|O_TRUNC);

    start = clock(); // 记录开始时间

    while (len = read(fd1, buf, sizeof(buf)) > 0)
        write(fd2, buf, len);

    end = clock(); // 记录结束时间
    cpu_time_used = ((double) (end - start)) / CLOCKS_PER_SEC; // 计算用时（秒）
    printf("程序用时：%f 秒。\n", cpu_time_used);

    close(fd1);
    close(fd2);
    return 0;
}

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然后是标准I/O的复制：

// stdcpy.c
#include <stdio.h>
#include <time.h>
#define BUF_SIZE 3

int main(int argc, char* argv[]) {
    FILE * fp1; // 保存在fp1中的是FILE结构体指针
    FILE * fp2; 
    char buf[BUF_SIZE];
    clock_t start, end;
    double cpu_time_used;
    
    fp1 = fopen("news.txt", "r");
    fp2 = fopen("cpy.txt", "w");

    start = clock(); // 记录开始时间

    while (fgets(buf, BUF_SIZE, fp1) != NULL)
        fputs(buf, fp2);

    end = clock(); // 记录结束时间
    cpu_time_used = ((double) (end - start)) / CLOCKS_PER_SEC; // 计算用时（秒）
    printf("程序用时：%f 秒。\n", cpu_time_used);
    
    fclose(fp1);
    fclose(fp2);
    return 0;
}

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gcc syscpy.c -o syscpy
gcc stdcpy.c -o stdcpy
./syscpy
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结果：

在这里插入图片描述
根据结果来看，这速度已经不用多分析了。

15.1.3 标准I/O函数的几个缺点

标准 I/O 函数存在以下几个缺点：

  • 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

15.2 使用标准I/O函数

如前所述，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。先介绍其转换方法。

15.2.1 利用fdopen函数转换为FILE结构体指针

函数原型如下：

#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 结构体指针的模式信息
*/

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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”。下面通过简单示例给出上述函数的使用方法。

#include <stdio.h>
#include <fcntl.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 progamming \n", fp);
    fclose(fp);
    return 0;
}

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调用fdopen函数将文件描述符转换为FILE指针，此时第二个参数传递了“w“，因此返回写模式的FILE指针。然后调用标准输出函数fputs。使用fclose关闭fp之后，不需要再使用close关闭文件描述符，没有意义了。

编译运行：

gcc desto.c -o desto
./desto
cat data.dat

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结果：
在这里插入图片描述
此示例中需要注意的是，文件描述符转换为FILE指针，并可以通过该指针调用标准I/O函数。

15.2.2 利用fileno函数转换为文件描述符

接下来介绍与fdopen函数提供相反功能的函数，该函数在有些情况下非常有用。

#include <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

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下面是示例：

// todes.c
#include <stdio.h>
#include <fcntl.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;
    }

    printf("First file descriptor: %d \n", fd);
    fp = fdopen(fd, "w");
    fputs("TCP/IP SOCKET PROGRAMMING \n", fp);
    printf("Second file descriptor: %d \n", fileno(fp));
    fclose(fp);
    return 0;
}

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结果：
在这里插入图片描述
两次输出的文件描述符值相同，证明fileno函数正确转换了文件描述符。

15.3 基于套接字的标准I/O函数使用

把第四章的回声客户端的代码改成基于标准I/O函数进行数据交换的形式。
服务端的代码如下：

// echo_stdserv.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>

#define BUF_SIZE 30
void error_handling(char* message);

int main(int argc, char* argv[]) {
    int serv_sock, clnt_sock;
    struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;
    socklen_t clnt_adr_sz;
    int str_len, i;
    char message[BUF_SIZE];
    FILE * readfp;
    FILE * writefp;
    
    if (argc != 2) {
        printf("Usage : %s <Port> \n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (serv_sock == -1) error_handling("sock() error");

    memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
    serv_adr.sin_family = AF_INET;
    serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));

    if (bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1)
        error_handling("bind() error");
    if (listen(serv_sock, 5) == -1) 
        error_handling("listen() error");

    clnt_adr_sz = sizeof(clnt_adr);

    for(i = 0; i < 5; i++) {
        clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr*)&clnt_adr, &clnt_adr_sz);
        if (clnt_sock == -1) error_handling("accept() error");
        else printf("Connected client %d \n", i + 1);

        readfp = fdopen(clnt_sock, "R");
        writefp = fdopen(clnt_sock, "w");

        while (!feof(readfp)) {  // 这里就使用的是feof来判断是否结束了
            fgets(message, BUF_SIZE, readfp);
            fputs(message, writefp);
            fflush(writefp);
        }
        fclose(readfp);
        fclose(writefp);
    }
    close(serv_sock);
    return 0;
}

void error_handling(char* message) {
    fputs(message, stderr);
    fputc('\n', stderr);
}

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调用基于字符串的fgets、fputs函数提供服务，并在第50行调用fflush函数。标准IO函数为了提高性能，内部提供额外的缓冲。因此，若不调用fflush函数则无法保证立即将数据传输到客户端 （这里直接记下来即可）。接下来给出回声客户端代码。

// echo_stdclient.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>

#define BUF_SIZE 30
void error_handling(char* message);

int main(int argc, char* argv[]) {
    int sock;
    char message[BUF_SIZE];
    int str_len;
    struct sockaddr_in serv_adr;
    FILE * readfp;
    FILE * writefp;
    if (argc != 3) {
        printf("Usage : %s <IP> <Port> \n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sock == -1) error_handling("sock() error");

    memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
    serv_adr.sin_family = AF_INET;
    serv_adr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));

    if (connect(sock, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1)
        error_handling("connect() error");
    else puts("Connetced......");

    readfp = fdopen(sock, "r");
    writefp = fdopen(sock, "w");

    while (1) {
        fputs("Input message(Q to quit): ", stdout);
        fgets(message, BUF_SIZE, stdin);
        if (!strcmp(message, "q\n") || !strcmp(message, "Q\n"))
            break;
        
        fputs(message, writefp);
        fflush(writefp);
        fgets(message, BUF_SIZE, readfp);
        printf("Message from server: %s", message);
    }
    fclose(readfp);
    fclose(readfp);
    return 0;
} 

void error_handling(char* message) {
    fputs(message, stderr);
    fputc('\n', stderr);
    exit(1);
}

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这里收到message之后没有手动在末尾添加0，这是因为fgets会自己添加。
编译运行：

gcc echo_client.c -o estdclient
gcc echo_stdserv.c -o estdserv
./estdserv 9190
./estdclient 127.0.0.1 9190

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结果：
结果和之前的回声服务器的结果是一样的。

以上就是标准IO函数在套接字编程中的应用方法，因为需要编写额外的代码，所以并不像想象中那么常用。但某些情况下也是非常有用的，而且可以再次复习标准IO函数。

15.4 习题

第16章 关于I/O流分离的其他内容

调用fopen函数打开文件后可以与文件交换数据，因此说调用fopen函数后创建了“流”( Stream )。此处的“流”是指“数据流动”，但通常可以比喻为“以数据收发为目的的一种桥梁”。我们一般将“流”理解为数据收发路径。

16.1 分离I/O流

「分离 I/O 流」是一种常用表达。有 I/O 工具可区分二者，无论采用哪种方法，都可以认为是分离了I/O 流。

16.1.1 2次I/O流分离

之前有两种分离方法：

  • 第一种是第 10 章的**「TCP I/O 过程分离」。通过调用 fork 函数复制出一个文件描述符，以区分输入和输出中使用的文件描述符。虽然文件描述符本身不会根据输入和输出进行区分，但我们分开了2 个文件描述符的用途**，因此，这也属于「流」的分离。
  • 第二种分离是在第 15 章。通过 2 次 fdopen 函数的调用，创建读模式 FILE 指针（FILE 结构体指针）和写模式 FILE 指针。换言之，我们分离了输入工具和输出工具，因此也可视为「流」的分离。下面是分离的理由。

16.1.2 分离流的好处

两次分离流的目的是不一样的，首先分析第10章“流”分离的目的：

  • 通过分开输入过程（代码）和输出过程降低实现难度
  • 与输入无关的输出操作可以提高速度

然后是第15章”流“分离的目的：

  • 为了将 FILE 指针按读模式和写模式加以区分
  • 可以通过区分读写模式降低实现难度
  • 通过区分 I/O 缓冲提高缓冲性能

16.1.3 “流”分离带来的EOF问题

第 7 章介绍过 EOF 的传递方法和半关闭的必要性。有一个语句：

shutdown(sock, SHUT_WR);

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当时讲过调用shutdown函数的基于半关闭的EOF传递方法。第10章还利用这些技术在echo_mpclient.c示例中添加了半关闭相关代码。也就是说，第10章的“流”分离没有问题。但第15章的基于fdopen函数的“流”则不同，我们还不知道在这种情况下如何进行半关闭。一个常见的错误就是我们直接使用是不是可以针对输出模式的FLIE指针调用fclose函数呢？ 这样可以向对方传递EOF，变成可以接收数据但无法发送数据的半关闭状态呀。我们可以来验证一下，下面是服务器端的代码：

// sep_serv.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#define BUF_SIZE 1024

int main(int argc, char* argv[]) {
    int serv_sock, clnt_sock;
    FILE * readfp;
    FILE * writefp;

    struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;
    socklen_t clnt_adr_sz;
    char buf[BUF_SIZE];

    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 = htonl(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*)&clnt_adr, &clnt_adr_sz);

    readfp = fdopen(clnt_sock, "r");
    writefp = fdopen(clnt_sock, "w");

    fputs("FROM SERVER: HI~ client? \n", writefp);
    fputs("I love all of the world \n", writefp);
    fputs("You are awesome! \n", writefp);
    fflush(writefp);

    fclose(writefp);
    fgets(buf, sizeof(buf), readfp);
    fputs(buf, stdout);
    fclose(readfp);
    return 0;
}

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首先通过writefp向客户端发送消息，然后调用fflush函数。调用fclose函数终止套接字时，对方主机将收到EOF。但是后面还有fgets函数接收客户端的消息，这一部分怎么理解呢？我们接着往后看。以下是客户端的代码：

// sep_clnt.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#define BUF_SIZE 1024

int main(int argc, char* argv[]) {
    int sock;
    FILE * readfp;
    FILE * writefp;

    struct sockaddr_in serv_adr;
    char buf[BUF_SIZE];

    if (argc != 3){
        printf("Usage : %s <IP> <port>\n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    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 = htonl(INADDR_ANY);
    serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));

    connect(sock, (struct sockaddr *)&serv_adr, sizeof(serv_adr));
    readfp = fdopen(sock, "r");
    writefp = fdopen(sock, "w");

    while (1) {
        if (fgets(buf, sizeof(buf), readfp) == NULL) break;
        fputs(buf, stdout);
        fflush(stdout);
    }

    fputs("FROM CLIENT: Thank you! \n", writefp);
    fflush(writefp);
    fclose(readfp);
    fclose(writefp);
    return 0;
}

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当服务器端关闭后，会向客户端发送EOF，当客户端收到EOF之后，fgets为NULL，所以会退出循环，然后在收到EOF之后，再通过fputs向服务器端发送信息。这是我们猜想的结果，但是是这样的吗？

编译运行：

gcc sep_clnt.c -o clnt
gcc sep_serv.c -o serv
./serv 9190
./clnt 127.0.0.1 9190

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结果：
服务器端：
在这里插入图片描述
客户端：
在这里插入图片描述
可以看到，结果和我们预想的不太一样，服务器端并没有收到最后的信息！！！
很容易判断其原因: sep_serv.c示例的第38行调用的fclose函数完全终止了套接字，而不是半关闭。以上就是需要通过本章解决的问题。半关闭在多种情况下都非常有用，我们必须能够针对fdopen函数调用时生成的FILE指针进行半关闭操作。（这是需要学习的！）

16.2 文件描述符的复制和关闭

16.2.1 终止“流”时无法半关闭的原因

下图描述的是sep_serv.c中2个FILE指针、文件描述符以及套接字之间的关系：

在这里插入图片描述
从图中可以明显看出，对任意一个FILE指针调用fclose函数都会关闭文件描述符，也就是会终止套接字，如图所示：

在这里插入图片描述
那么针对上述问题，如何实现半关闭呢？其实很简单，创建FILE指针前先复制文件描述符即可，示意图如下图所示：
在这里插入图片描述
这里补充一下一些知识：

  • 套接字属于操作系统的范畴，第十章使用fork创建多进程的时候，套接字并没有被复制，复制的只是套接字的文件描述符。所以父进程和子进程是共享套接字的。也就是说一个套接字是可以有多个文件描述符的。
  • 如果套接字对应有多个描述符，那就需要把所有的文件描述符都关闭，才能关闭套接字。
  • 第十一章提到的管道也属于操作系统的范畴，所以进入子进程之后，需要先关闭父进程的相应文件描述符，才能保证最终完全关闭套接字。

所以我们这里是可以给套接字复制一份文件描述符的，需要把所有的文件描述符关闭，才能关闭套接字。这就为半关闭准备好了环境。
也就是说，针对写模式FILE指针调用fclose函数时，只能销毁与该FILE指针相关的文件描述符，无法销毁套接字，参考下图：
在这里插入图片描述
如图所示，调用fclose函数后还剩1个文件描述符，因此没有销毁套接字。那此时的状态是否为半关闭状态？不是！！！
上图讲过，只是准备好了半关闭环境。要进入真正的半关闭状态需要特殊处理。（还需要进行特殊的处理）
仔细观察，还剩下一个文件描述符。而该文件描述符可以同时进行 I/O 。因此，不但没有发送 EOF ，而且仍然可以利用文件描述
符进行输出。（所以我们后面的改进就是需要人为发送EOF）

16.2.2 复制文件描述符

之前提到的文件描述符的复制与fork函数中进行的复制有所区别。调用fork函数时将复制整个进程，因此同一进程内不能同时有原件和副本。但此处讨论的复制并非针对整个进程，而是在同一进程内完成描述符的复制，如图所示：
在这里插入图片描述
复制完成后，两个文件描述符都可以访问文件，但是编号不同。”复制“具有如下含义：

“为了访问同一文件或套接字，创建另一个文件描述符。”

16.2.3 dup和dup2

复制文件描述符的方法，通过下列函数完成：

#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的整数值。
*/

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下面通过示例来验证dup的功能：

// dup.c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc, char* argv[]) {
    int cfd1, cfd2;
    char str1[] = "Hi~ \n";
    char str2[] = "It's a nice day~ \n";

    cfd1 = dup(1);
    cfd2 = dup2(cfd2, 7);

    printf("fd1 = %d, fd2 = %d \n", cfd1, cfd2);
    write(cfd1, str1, sizeof(str1));
    write(cfd2, str2, sizeof(str2));

    close(cfd1);
    close(cfd2);
    write(1, str1, sizeof(str1));
    close(1);
    write(1, str2, sizeof(str2));
    return 0;
}

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将文件描述符1复制了两次，分别是3和7，然后进行测试，由于所有的都关闭了，最后一次write无法执行。

编译运行：

gcc dup.c -o dup
./dup

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结果：
在这里插入图片描述

16.2.4 复制文件描述符后“流”的分离

下面更改sep_serv.c和sep_cInt.c示例，使其能够正常工作(只需更改sep_serv.c示例)。所谓“正常工作”是指，通过服务器端的半关闭状态接收客户端最后发送的字符串。当然，为了完成这一任务，服务器端需要同时发送EOF。下面给出示例：

// sep_serv2.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#define BUF_SIZE 1024

int main(int argc, char* argv[]) {
    int serv_sock, clnt_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 = htonl(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*)&clnt_adr, &clnt_adr_sz);

    readfp = fdopen(clnt_sock, "r");
    writefp = fdopen(dup(clnt_sock), "w");  // 使用dup复制FILE指针

    fputs("FROM SERVER: HI~ client? \n", writefp);
    fputs("I love all of the world \n", writefp);
    fputs("You are awesome! \n", writefp);
    fflush(writefp);

    shutdown(fileno(writefp), SHUT_WR);  // 使用shutdown函数发送EOF
    fclose(writefp);
    fgets(buf, sizeof(buf), readfp);
    fputs(buf, stdout);
    fclose(readfp);
    return 0;
}

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这个代码可以配合sep_clnt.c使用，运行结果为：

在这里插入图片描述
服务器端收到了Thank you!，说明确实是处于半关闭的状态，但是还能收到来自客户端的数据。

16.3 习题

第17章 优于select的epoll

17.1 epoll理解与应用

select 复用方法由来已久，因此，利用该技术后，无论如何优化程序性能也无法同时接入上百个客户端。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，所以需要学习 Linux 环境下的 epoll。

17.1.1 基于select的I/O复用技术速度慢的原因

第 12 章实现了基于 select 的 I/O 复用技术服务端，其中有不合理的设计如下：

  • 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

上述两点可以从 echo_selectserv.c 得到确认，调用 select 函数后，并不是把发生变化的文件描述符单独集中在一起，而是通过作为监视对象的 fd_set 变量的变化，找出发生变化的文件描述符（54，56行），因此无法避免针对所有监视对象的循环语句。而且，作为监视对象的 fd_set 会发生变化，所以调用 select 函数前应该复制并保存原有信息，并在每次调用 select 函数时传递新的监视对象信息。
select的最大缺陷（也就是最消耗时间的点）不是针对所有对象的循环语句，而是每次调用select函数时向操作系统传递监视对象信息。准确的说，select 是监视套接字变化的函数。而套接字是操作系统管理的，所以 select 函数要借助操作系统才能完成功能。select 函数的这一缺点可以通过如下方式弥补：

仅向操作系统传递一次监视对象，监视范围或内容发生变化时只通知发生变化的事项

这样就无需每次调用 select 函数时都想操作系统传递监视对象信息，但是前提操作系统支持这种处理方式。Linux 的支持方式是 epoll ，Windows 的支持方式是 IOCP。

17.1.2 select也有优点

select 的兼容性比较高，这样就可以支持很多的操作系统，不受平台的限制，使用 select 函数满足以下两个条件其实还是很香的：

  • 服务器接入者少
  • 程序应该具有兼容性

17.1.3 实现epoll时必要的函数和结构体

epoll函数具有如下优点，这些优点正好就是select的缺点：

  • 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

下面介绍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 函数中为了保存监视对象的文件描述符，直接声明了 fd_set 变量，但 epoll 方式下的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，此时用的函数就是epoll_create 。（操作系统直接保存监视对象文件描述符）

此外，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。最后，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。还有，select 方式中通过 fd_set 变量查看监视对象的状态变化，而 epoll 方式通过如下结构体 epoll_event 将发生变化的文件描述符单独集中在一起。

struct epoll_event {
	__uint32_t events;
	epoll_data_t data;
}
typedef union epoll_data {
	void *ptr;
	int fd;
	__unit32_t u32;
	__unit64_t u64;
} epoll_data_t;

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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。（数组中装的内容就是发生变化的文件描述符）接下来给出这些函数的详细说明。

17.1.4 epoll_create

epoll 是从 Linux 的 2.5.44 版内核开始引入的。通过以下命令可以查看 Linux 内核版本：

cat /proc/sys/kernel/osrelease

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下面是epoll_create函数的定义：

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

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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出的建议**。换言之，size 并不用来决定 epoll 的大小，而仅供操作系统参考。（size值只是给操作系统的建议）

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。但撰写本书时 Linux版本未达到2.6.8，因此无法在忽略size参数的情况下编写程序。

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，也就是说返回的文件描述符主要用于区分 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。

17.1.5 epoll_ctl

生成例程后，应在其内部注册监视对象文件描述符，此时使用 epoll_ctl 函数。

#include<sys/epoll.h>
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event* event);
/*
成功时返回 0 ，失败时返回 -1
epfd：用于注册监视对象的 epoll 例程的文件描述符
op：用于制定监视对象的添加、删除或更改等操作
fd：需要注册的监视对象文件描述符
event：监视对象的事件类型
*/

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与其他 epoll 函数相比，该函数看起来有些复杂，但通过调用语句就很容易理解，假设按照如下形式调用 epoll_ctl 函数：

epoll_ctl(A, EPOLL_CTL_ADD, B, C);

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第二个参数 EPOLL_CTL_ADD 意味着「添加」，上述语句有如下意义：

epoll 例程 A 中注册文件描述符 B ，主要目的是为了监视参数 C 中的事件

再介绍一个调用语句：

epoll_ctl(A, EPOLL_CTL_DEL, B, NULL);

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上述语句中第二个参数意味这「删除」，有以下含义：

从 epoll 例程 A 中删除文件描述符 B

从上述示例中可以看出，从监视对象中删除时，不需要监视类型，因此向第四个参数可以传递为 NULL下面是第二个参数的含义：

  • EPOLL_CTL_ADD：将文件描述符注册到 epoll 例程
  • EPOLL_CTL_DEL：从 epoll 例程中删除文件描述符
  • EPOLL_CTL_MOD：更改注册的文件描述符的关注事件发生情况

关于EPOLL_CTL_MOD常量稍后讲解，下面讲解一下epoll_ctl函数的第四个参数，其类型是epoll_event结构体指针。
之前说过，epoll_event 结构体用于保存发生事件的文件描述符结合。但也可以在 epoll 例程中注册文件描述符时，用于注册关注的事件。该函数中epoll_event 结构体的定义并不显眼，因此通过调用语句说明该结构体在epoll_ctl 函数中的应用。

struct epoll_event event;
......
event.events = EPOLLIN;  // 发生需要读取数据的情况（事件）时
event.data.fd = sockfd;
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, sockfd, &event);
......

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上述代码将 sockfd 注册到 epoll 例程 epfd 中，并在需要读取数据的情况下产生相应事件。接下来给出epoll_event 的成员 events 中可以保存的常量及所指的事件类型。

  • EPOLLIN：需要读取数据的情况
  • EPOLLOUT：输出缓冲为空，可以立即发送数据的情况
  • EPOLLPRI：收到 OOB 数据的情况
  • EPOLLRDHUP：断开连接或半关闭的情况，这在边缘触发方式下非常有用
  • EPOLLERR：发生错误的情况
  • EPOLLET：以边缘触发的方式得到事件通知
  • 发生一次事件后，相应文件描述符不再收到事件通知。因此需要向 epoll_ctl 函数的第二个参数传递 EPOLL_CTL_MOD ，再次设置事件。

可以通过位或运算同时传递上述多个参数，关于“边缘触发”稍后讲解，目前只需要记住EPOLLIN的情况即可。

17.1.6 epoll_wait

epoll_wait是与select所对应的函数，其定义如下：

#include<sys/epoll.h>
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event* events, int maxevents, int timeout);
/*
成功时返回发生事件的文件描述符，失败时返回 -1
epfd : 表示事件发生监视范围的 epoll 例程的文件描述符
events : 保存发生事件的文件描述符集合的结构体地址值
maxevents : 第二个参数中可以保存的最大事件数
timeout : 以 1/1000 秒为单位的等待时间，传递 -1 时，一直等待直到发生事件
*/

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该函数的调用方式如下。需要注意的是，第二个参数所指缓冲需要动态分配。

int event_cnt;
struct epoll_event* ep_events;
......
ep_events = malloc(sizeof(struct epoll_event)*EPOLL_SIZE); // EPOLL_SIZE是宏常量
......
event_cnt = epoll_wait(epfd, ep_events, EPOLL_SIZE, -1);
......

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调用函数后，返回发生事件的文件描述符，同时在第二个参数指向的缓冲中保存事件发生的文件描述符集合。因此，无需像select那样插入针对所有文件描述符的循环。（目前来说，epoll_event有两个作用，第一是注册的时候，第二个是调用epoll_wat的时候）

17.1.7 基于epoll的回声服务器端

下面是基于epoll的回声服务器端，注意和第12章的基于select的回声服务器端进行对比。

// echo_epollserv.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/epoll.h>

#define BUF_SIZE 100
#define EPOLL_SIZE 50
void error_handling(char* message);

int main(int argc, char* argv[]) {
    int serv_sock, clnt_sock;
    struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;
    socklen_t adr_sz;
    int str_len, i;
    char buf[BUF_SIZE];

    struct epoll_event *ep_events;
    struct epoll_event event;
    int epfd, event_cnt;

    if(argc != 2) {
        printf("Usage : %s <Port> \n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    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 = htonl(INADDR_ANY);
    serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));

    if (bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1)
        error_handling("sock() error");
    if (listen(serv_sock, 5) == -1)
        error_handling("listen() error");

    epfd = epoll_create(EPOLL_SIZE);
    ep_events = malloc(sizeof(struct epoll_event)*EPOLL_SIZE);
    
    event.events = EPOLLIN;
    event.data.fd = serv_sock;
    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, serv_sock, &event);

    while(1) {
        event_cnt = epoll_wait(epfd, ep_events, EPOLL_SIZE, -1);
        if (event_cnt == -1) {
            puts("epoll_wait() error");
            break;
        }

        for (i = 0; i < event_cnt; i++) {
            if (ep_events[i].data.fd == serv_sock) {  // 如果是服务器端接收到了客户端的请求
                adr_sz = sizeof(clnt_adr);
                clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr*)&clnt_adr, &adr_sz);
                event.events = EPOLLIN;
                event.data.fd = clnt_sock;  // 将新来的客户端加到监听中
                epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, clnt_sock, &event);
                printf("connect client: %d \n", clnt_sock);
            }
            else {
                str_len = read(ep_events[i].data.fd, buf, BUF_SIZE);
                if (str_len == 0) {  // close request!
                    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, ep_events[i].data.fd, NULL);
                    close(ep_events[i].data.fd);
                    printf("closed client: %d \n", ep_events[i].data.fd);
                }
                else {
                    write(ep_events[i].data.fd, buf, str_len);  // echo!
                }
            }
        }
    }
    close(serv_sock);
    close(epfd);
    return 0;
}

void error_handling(char* message) {
    fputs(message, stderr);
    fputc('\n', stderr);
    exit(1);
}

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上述代码的整体逻辑和12章的select的逻辑基本是类似的，为了便于比较，我们把基于select的服务器端的代码贴在下面：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/select.h>

#define BUF_SIZE 30
void error_handling(char* message);

int main(int argc, char* argv[]) {
    int serv_sock, clnt_sock;
    struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;
    struct timeval timeout;
    fd_set reads, cpy_reads;

    socklen_t adr_sz;
    int fd_max, str_len, fd_num, i;
    char buf[BUF_SIZE];

    if (argc != 2) {
        printf("Usage : %s <Port> \n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (serv_sock == -1) error_handling("socket error()");
    memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
    serv_adr.sin_family = AF_INET;
    serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));

    if (bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1)
        error_handling("bind() error");
    if (listen(serv_sock, 5) == -1)
        error_handling("listen() error");

    FD_ZERO(&reads);
    FD_SET(serv_sock, &reads);
    fd_max = serv_sock;

    while (1) {
        cpy_reads = reads;
        timeout.tv_sec = 5;
        timeout.tv_usec = 5000;

        if ((fd_num = select(fd_max + 1, &cpy_reads, 0, 0, &timeout)) == -1)  // 监视失败
            break;
        if (fd_num == 0) continue;  // 超时

        for (i = 0; i < fd_max + 1; i++) {
            if (FD_ISSET(i, &cpy_reads)) {
                if (i == serv_sock) { // Connect request!
                    adr_sz = sizeof(clnt_adr);
                    clnt_sock = accept(serv_sock,(struct sockaddr*)&serv_adr, &adr_sz);
                    FD_SET(clnt_sock, &reads);
                    if (fd_max < clnt_sock) fd_max = clnt_sock;
                    printf("connected client: %d \n", clnt_sock);
                } 
                else {  // read message!
                    str_len = read(i, buf, BUF_SIZE);
                    if (str_len == 0) {  // close request!
                        FD_CLR(i, &reads);
                        close(i);
                        printf("closed client: %d \n", i);
                    }
                    else {
                        write(i, buf, str_len);  // echo!
                    }
                }
            }
        }
    }
    close (serv_sock);
    return 0;
}

void error_handling(char* message) {
    fputs(message, stderr);
    fputc('\n', stderr);
    exit(1);
}

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可以看出，二者的逻辑是很像的。但是基于epoll的服务器端不用每次都传递监视对象信息，只用传一次，后面只需要传改变的即可。（基于select每次都需要复制一份新的，这里就有明显的区别）然后基于select的是对所有的文件描述符都进行循环遍历，包括没有发生的，所以后面就需要多一个判断if (FD_ISSET(i, &cpy_reads))，而基于epoll的对ep_events进行遍历，这里面都是发生的事件，并没有对没有发生的事件进行遍历。

编译运行：

gcc echo_epollserv.c -o serv
./serv 9190

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上述的函数可以搭配任意一个回声客户端使用，运行的结果如下：
运行结果：
在这里插入图片描述
可以看到，运行结果和以前 select 实现的和 fork 实现的结果一样，都可以支持多客户端同时运行，但是epoll的效率比select高。
总结一下epoll的流程：

  1. epoll_create创建一个保存epoll文件描述符的空间，可以没有参数
  2. 动态分配内存，给将要监视的epoll_wait
  3. 利用epoll_ctl控制 添加 删除 监听事件
  4. 利用epoll_wait来获取改变的文件描述符，来执行程序

17.2 条件触发和边缘触发

学习 epoll 时要了解条件触发（Level Trigger）和边缘触发（Edge Trigger）。

17.2.1 条件触发和边缘触发的区别在于发生事件的时间点

条件触发的特性：

条件触发方式中，只要输入缓冲有数据就会一直通知该事件。

例如，服务器端输入缓冲收到 50 字节数据时，服务器端操作系统将通知该事件（注册到发生变化的文件描述符）。但是服务器端读取 20 字节后还剩下 30 字节的情况下，仍会注册事件。也就是说，条件触发方式中，只要输入缓冲中还剩有数据，就将以事件方式再次注册。

边缘触发的特性：
边缘触发中输入缓冲收到数据时仅注册 1 次该事件。即使输入缓冲中还留有数据，也不会再进行注册。

17.2.2 掌握条件触发的事件特性：

接下来通过代码了解条件触发的事件注册方式。下列代码是稍微修改之前的echo_epollserv.c示例得到的。epoll默认以条件触发方式工作，因此可以通过该示例验证条件触发的特性。

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

#define BUF_SIZE 4
#define EPOLL_SIZE 50
void error_handling(char* message);

int main(int argc, char* argv[]) {
    int serv_sock, clnt_sock;
    struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;
    socklen_t adr_sz;
    int str_len, i;
    char buf[BUF_SIZE];

    struct epoll_event *ep_events;
    struct epoll_event event;
    int epfd, event_cnt;

    if(argc != 2) {
        printf("Usage : %s <Port> \n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    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 = htonl(INADDR_ANY);
    serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));

    if (bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1)
        error_handling("sock() error");
    if (listen(serv_sock, 5) == -1)
        error_handling("listen() error");

    epfd = epoll_create(EPOLL_SIZE);
    ep_events = malloc(sizeof(struct epoll_event)*EPOLL_SIZE);
    
    event.events = EPOLLIN;
    event.data.fd = serv_sock;
    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, serv_sock, &event);

    while(1) {
        event_cnt = epoll_wait(epfd, ep_events, EPOLL_SIZE, -1);
        if (event_cnt == -1) {
            puts("epoll_wait() error");
            break;
        }

        puts("return epoll_wait");
        for (i = 0; i < event_cnt; i++) {
            if (ep_events[i].data.fd == serv_sock) {  // 如果是服务器端接收到了客户端的请求
                adr_sz = sizeof(clnt_adr);
                clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr*)&clnt_adr, &adr_sz);
                event.events = EPOLLIN;
                event.data.fd = clnt_sock;  // 将新来的客户端加到监听中
                epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, clnt_sock, &event);
                printf("connect client: %d \n", clnt_sock);
            }
            else {
                str_len = read(ep_events[i].data.fd, buf, BUF_SIZE);
                if (str_len == 0) {  // close request!
                    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, ep_events[i].data.fd, NULL);
                    close(ep_events[i].data.fd);
                    printf("closed client: %d \n", ep_events[i].data.fd);
                }
                else {
                    write(ep_events[i].data.fd, buf, str_len);  // echo!
                }
            }
        }
    }
    close(serv_sock);
    close(epfd);
    return 0;
}

void error_handling(char* message) {
    fputs(message, stderr);
    fputc('\n', stderr);
    exit(1);
}


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上述示例与之前的代码的差异如下：

  • 将调用read函数时使用的缓冲大小缩减为4个字节
  • 插入验证epoll_wait函数调用次数的语句

减少缓冲大小是为了阻止服务器端一次性读取接收的数据。换之，调用read函数后，输入缓冲中仍有数据需要读取。而且会因此注册新的事件并从epoll_wait函数返回时将循环输出“returnepoll_wait”字符串。

编译运行：

gcc echo_EPLTserv.c -o serv
./serv 9190

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下面的代码是修改后的边缘触发方式的代码，仅仅是把上面的代码改为：

event.events = EPOLLIN | EPOLLET;

```c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/epoll.h>

#define BUF_SIZE 4
#define EPOLL_SIZE 50
void error_handling(char* message);

int main(int argc, char* argv[]) {
    int serv_sock, clnt_sock;
    struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;
    socklen_t adr_sz;
    int str_len, i;
    char buf[BUF_SIZE];

    struct epoll_event *ep_events;
    struct epoll_event event;
    int epfd, event_cnt;

    if(argc != 2) {
        printf("Usage : %s <Port> \n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    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 = htonl(INADDR_ANY);
    serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));

    if (bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1)
        error_handling("sock() error");
    if (listen(serv_sock, 5) == -1)
        error_handling("listen() error");

    epfd = epoll_create(EPOLL_SIZE);
    ep_events = malloc(sizeof(struct epoll_event)*EPOLL_SIZE);
    
    event.events = EPOLLIN;
    event.data.fd = serv_sock;
    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, serv_sock, &event);

    while(1) {
        event_cnt = epoll_wait(epfd, ep_events, EPOLL_SIZE, -1);
        if (event_cnt == -1) {
            puts("epoll_wait() error");
            break;
        }

        puts("return epoll_wait");
        for (i = 0; i < event_cnt; i++) {
            if (ep_events[i].data.fd == serv_sock) {  // 如果是服务器端接收到了客户端的请求
                adr_sz = sizeof(clnt_adr);
                clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr*)&clnt_adr, &adr_sz);
                event.events = EPOLLIN | EPOLLET;
                event.data.fd = clnt_sock;  // 将新来的客户端加到监听中
                epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, clnt_sock, &event);
                printf("connect client: %d \n", clnt_sock);
            }
            else {
                str_len = read(ep_events[i].data.fd, buf, BUF_SIZE);
                if (str_len == 0) {  // close request!
                    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, ep_events[i].data.fd, NULL);
                    close(ep_events[i].data.fd);
                    printf("closed client: %d \n", ep_events[i].data.fd);
                }
                else {
                    write(ep_events[i].data.fd, buf, str_len);  // echo!
                }
            }
        }
    }
    close(serv_sock);
    close(epfd);
    return 0;
}

void error_handling(char* message) {
    fputs(message, stderr);
    fputc('\n', stderr);
    exit(1);
}

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打印了一次，说明使用边缘触发的方式只会注册一次！ 但是为什么回声客户端没有回答呢？
我们首先学习一下puts("return epoll_wait");为什么能够检测两种触发方式？
puts("return epoll_wait"); 语句可以检测是条件触发还是边缘触发的原因是，当使用边缘触发时，在非阻塞模式下 epoll_wait 函数只会返回一次触发事件，因此在 for 循环内部只会处理一个事件，再次调用 epoll_wait 函数会阻塞直到有新的事件发生。我们这里使用的回声服务器是改进版本的，存在如下的代码：

while (recv_len < str_len) {
    recv_cnt = read(sock, &message[recv_len], BUF_SIZE - 1);
    if (recv_cnt == -1) error_handling("read() error");
    recv_len += recv_cnt;
}

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要一直等接收到发送的长度才行，所以会卡住，如果我们使用最开始版本的回声客户端，没有这个限制的话，就可以有回声。
在这里插入图片描述
由于BUF_SIZE是2，并且没有做字符末尾的处理，这里只能返回前两个，并且没有回车。
select模型是以条件触发的方式工作的。

17.2.3 边缘触发的服务器端必知的两点

下面讲解边缘触发服务器的实现方法，下面两点是必备的知识：

  • 通过errno变量验证错误原因
  • 为了完成非阻塞（Non-blocking）I/O ，更改了套接字特性

Linux 套接字相关函数一般通过 -1 通知发生了错误。虽然知道发生了错误，但仅凭这些内容无法得知产生错误的原因。因此，为了在发生错误的时候提供给额外的信息，Linux 声明了如下全局变量：

int errno;

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为了访问该变量，需要引入 error.h 头文件，因此此头文件有上述变量的 extren 声明。另外，每种函数发生错误时，保存在 errno 变量中的值都不同。这里我们以下面的情况举例说明：

read 函数发现输入缓冲中没有数据可读时返回 -1，同时在 errno 中保存 EAGAIN 常量

稍后通过示例给出errno的使用方法。下面讲解套接字改为非阻塞方式的方法。Linux提供更改或读取文件属性的如下方法：

#include <fcntl.h>
int fcntl(int filedes, int cmd, ...);
/*
成功时返回 cmd 参数相关值，失败时返回 -1
filedes : 属性更改目标的文件描述符
cmd : 表示函数调用目的
*/

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从上述声明可以看出 fcntl 有可变参数的形式。如果向第二个参数传递 F_GETFL ，可以获得第一个参数所指的文件描述符属性（int 型）。反之，如果传递 F_SETFL ，可以更改文件描述符属性。若希望将文件（套接字）改为非阻塞模式，需要如下 2 条语句。

int flag = fcntl(fd, F_GETFL, 0);
fcntl(fd, F_SETFL, flag | O_NONBLOCK);

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通过第一条语句，获取之前设置的属性信息，通过第二条语句在此基础上添加非阻塞 O_NONBLOCK 标志。调用 read/write 函数时，无论是否存在数据，都会形成非阻塞文件（套接字）。fcntl 函数的适用范围很广，学习到一个就要学会总结一个。

17.2.4 实现边缘触发回声服务器端

之所以介绍读取错误原因的方法和非阻塞模式的套接字创建方法,原因在于二者都与边缘触发的服务器端实现有密切联系。首先说明为何需要通过errno确认错误原因。

边缘触发方式中，接收数据时仅注册1次该事件

所以，就因为这种特点，一旦发生输入相关事件，就应该读取输入缓冲中的全部数据。因此需要验证输入缓冲是否为空。

read 函数返回 -1，变量 errno 中的值变成 EAGAIN 时，说明没有数据可读。

既然如此，为何还需要将套接字变成非阻塞模式?边缘触发方式下，以阻塞方式工作的read& write函数有可能引起服务器端的长时间停顿。因此，边缘触发方式中一定要采用非阻塞read &write函数。接下来给出以边缘触发方式工作的回声服务器端示例。也正是说之前收的数据不完整，所以需要做相应的改进：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>

#define BUF_SIZE 4  // 为了验证边缘触发的工作方式，将缓冲设置为4字节
#define EPOLL_SIZE 50
void setnonblockingmode(int fd);
void error_handling(char* message);

int main(int argc, char* argv[]) {
    int serv_sock, clnt_sock;
    struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;
    socklen_t adr_sz;
    int str_len, i;
    char buf[BUF_SIZE];

    struct epoll_event *ep_events;
    struct epoll_event event;
    int epfd, event_cnt;

    if(argc != 2) {
        printf("Usage : %s <Port> \n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    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 = htonl(INADDR_ANY);
    serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));

    if (bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1)
        error_handling("sock() error");
    if (listen(serv_sock, 5) == -1)
        error_handling("listen() error");

    epfd = epoll_create(EPOLL_SIZE);
    ep_events = malloc(sizeof(struct epoll_event)*EPOLL_SIZE);
    
    setnonblockingmode(serv_sock);
    event.events = EPOLLIN;
    event.data.fd = serv_sock;
    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, serv_sock, &event);

    while(1) {
        event_cnt = epoll_wait(epfd, ep_events, EPOLL_SIZE, -1);
        if (event_cnt == -1) {
            puts("epoll_wait() error");
            break;
        }

        puts("return epoll_wait");  // 为观察事件发生数而添加的输出字符串的语句
        for (i = 0; i < event_cnt; i++) {
            if (ep_events[i].data.fd == serv_sock) {  // 如果是服务器端接收到了客户端的请求
                adr_sz = sizeof(clnt_adr);
                clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr*)&clnt_adr, &adr_sz);
                setnonblockingmode(clnt_sock);  // 将accept函数创建的套接字改为非阻塞模式
                event.events = EPOLLIN|EPOLLET;  // 将套接字事件注册方式改为边缘触发
                event.data.fd = clnt_sock;  // 将新来的客户端加到监听中
                epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, clnt_sock, &event);
                printf("connect client: %d \n", clnt_sock);
            }
            else {
                while(1) {  // 之前的条件触发回声服务器端中没有该while循环。边缘触发方式中，发生事件时需要读取输入缓冲中的所有数据，因此需要循环调用read函数
                    str_len = read(ep_events[i].data.fd, buf, BUF_SIZE);
                    if (str_len == 0) {  // close request!
                        epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, ep_events[i].data.fd, NULL);
                        close(ep_events[i].data.fd);
                        printf("closed client: %d \n", ep_events[i].data.fd);
                        break;
                    }
                    else if (str_len < 0) {
                        if(errno == EAGAIN) break;  // read函数返回-1且errno值为EAGAIN时，意味着读取了输入缓冲中的全部数据，因此需要通过break语句跳出循环
                    }
                    else {
                        write(ep_events[i].data.fd, buf, str_len);  // echo!
                    }
                }
            }
        }
    }
    close(serv_sock);
    close(epfd);
    return 0;
}

void setnonblockingmode(int fd) {
    int falg = fcntl(fd, F_GETFL, 0);
    fcntl(fd, F_GETFL, falg | O_NONBLOCK);
} 

void error_handling(char* message) {
    fputs(message, stderr);
    fputc('\n', stderr);
    exit(1);
}

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可以配合改进版本的回声客户端使用。
编译运行：

gcc echo_EPETserv.c -o serv
./serv

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在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
可以看到，经过改进之后的代码只会注册一次，所以在服务器端只会打印一次。由于使用了while进行read，所以在客户端也可以收到发出去的数据。

17.2.5 条件触发和边缘触发孰优孰劣

边缘触发方式可以做到这点：

可以分离接收数据和处理数据的时间点！

可以结合下面的图更加深入地理解：
在这里插入图片描述
运行流程如下：

  • 服务器端分别从 A B C 接收数据
  • 服务器端按照 A B C 的顺序重新组合接收到的数据
  • 组合的数据将发送给任意主机

为了完成这个过程，如果可以按照如下流程运行，服务端的实现并不难：

  • 客户端按照 A B C 的顺序连接服务器，并且按照次序向服务器发送数据
  • 需要接收数据的客户端应在客户端 A B C 之前连接到服务器端并等待

但是实际情况中可能是下面这样：

  • 客户端 C 和 B 正在向服务器发送数据，但是 A 并没有连接到服务器
  • 客户端 A B C 乱序发送数据
  • 服务端已经接收到数据，但是要接收数据的目标客户端并没有连接到服务器端

因此，即使输入缓冲收到数据，服务器端也能决定读取和处理这些数据的时间点，这样就给服务器端的
实现带来很大灵活性。（这也就是边缘触发的优点）
此外，边缘触发更有可能带来高性能，但不能简单地认为“只要使用边缘触发就一定能提高速度”。

17.3 习题

第18章 多线程服务器端的实现

18.1 理解线程的概念

18.1.1 引入线程背景

第 10 章介绍了多进程服务端的实现方法。多进程模型与 select 和 epoll 相比的确有自身的优点，但同时也有问题。如前所述，创建（复制）进程的工作本身会给操作系统带来相当沉重的负担。而且，每个进程都具有独立的内存空间，所以进程间通信的实现难度也会随之提高。换言之，多进程的缺点可概括为：

  • 创建进程的过程会带来一定的开销
  • 为了完成进程间数据交换，需要特殊的 IPC 技术（管道技术）。

但是下面的缺点是最大的：

每秒少则数十次、多则数千次的‘上下文切换’是创建进程时的最大开销。

对于1个CPU（准确地说是CPU地运算设备核心）的系统也可以同时运行多个进程，这是因为系统将CPU时间分成多个微小的块后分配给了多个进程。为了分时使用CPU，需要**“上下文切换”**过程。下面了解一下“上下文切换”的概念。运行程序前需要将相应进程信息读入内存，如果运行进程A后需要紧接着运行进程B，就应该将进程A相关信息移出内存，并读入进程B相关信息。这就是上下文切换 （信息不断进出内存的过程就可以理解为所谓上下文切换）。但此时进程A的数据将被移动到硬盘，所以上下文切换需要很长时间。即使通过优化加快速度，也会存在一定的局限。

为了保持多进程的优点，同时在一定程度上克服其缺点，人们引入的线程（Thread）的概念。这是为了将进程的各种劣势降至最低程度（不是直接消除）而设立的一种**「轻量级进程」**。线程比进程具有如下优点：

  • 线程的创建和上下文切换比进程的创建和上下文切换更快
  • 线程间交换数据时无需特殊技术

18.1.2 线程和进程的差异

线程是为了解决：为了得到多条代码执行流而复制整个内存区域的负担太重。
每个进程的内存空间都由保存全局变量的「数据区」、向 malloc 等函数动态分配提供空间的堆（Heap）、函数运行时间使用的栈（Stack）构成。每个进程都有独立的这种空间，多个进程的内存结构如图所示：(每个进程拥有独立的区域)
在这里插入图片描述
但如果以获得多个代码执行流为主要目的，则不应该像上图那样完全分离内存结构，而只需分离栈区域。通过这种方式可以获得如下优势。

  • 上下文切换切换时不需要切换数据区和堆
  • 可以利用数据区和堆交换数据

实际上这就是线程。线程为了保持多条代码执行流而隔开了栈区域，其内存结构如下图所示：
在这里插入图片描述
如图所示，多个线程将共享数据区和堆。为了保持这种结构，线程将在进程内创建并运行。也就是说，进程和线程可以定义为：

  • 进程：在操作系统构成单独执行流的单位
  • 线程：在进程构成单独执行流的单位

操作系统、进程、线程三者之间的关系如下图所示：
在这里插入图片描述
下面通过代码进一步理解线程的含义。

18.2 线程创建及运行

POSIX是Portable Operating System Interface for Computer Environment(适用于计算机环境的可移植操作系统接口)的简写，是为了提高UNIX系列操作系统间的移植性而制定的API规范。下面要介绍的线程创建方法也是以POSIX标准为依据的。因此，它不仅适用于Linux，也适用于大部分UNIX系列的操作系统。

18.2.1 线程的创建和执行流程

线程具有单独的执行流，因此需要单独定义线程的main函数，还需要请求操作系统在单独的执行流中执行该函数，完成该功能的函数如下：

#include <pthread.h>

int pthread_create(pthread_t * restrict thread, const pthread_attr_t * restrict attr
					void * (*start_routine)(void *), void * restrict arg);
/*
成功时返回 0 ，失败时返回 -1
thread : 保存新创建线程 ID 的变量地址值。线程与进程相同，也需要用于区分不同线程的 ID
attr : 用于传递线程属性的参数，传递 NULL 时，创建默认属性的线程
start_routine : 相当于线程 main 函数的、在单独执行流中执行的函数地址值（函数指针）
arg : 通过第三个参数传递的调用函数时包含传递参数信息的变量地址值
*/

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要想理解好上述函数的参数，需要熟练掌握restrict关键字和函数指针相关语法。但如果只关注使用方法(当然以后要掌握restrict和函数指针)，那么该函数的使用比想象中要简单。下面通过简单示例了解该函数的功能。

// thread1.c
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
void* thread_main(void* arg);

int main(int argc, char* argv[]) {
    pthread_t t_id;
    int thread_param = 5;

    // 请求创建一个线程，从thread_main调用开始，在单独的执行流中运行，同时传递参数
    if (pthread_create(&t_id, NULL, thread_main, (void*)&thread_param) != 0) {
        puts("pthread_create() error");
        return -1;
    }

    sleep(2);  // 延迟进程终止时间
    puts("end of main");
    return 0;
}

void* thread_main(void *arg) {  // 传入的参数是pthread_create的第四个
    int i;
    int cnt = *((int*)arg);
    for (i = 0; i < cnt; i++) {
        sleep(1);
        puts("running thread");
    }
    return NULL;
}

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编译运行：

gcc thread1.c -o tr1 -lpthread // 线程相关代码编译时需要添加 -lpthread 选项声明需要连接到线程库
./tr1

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运行结果：
在这里插入图片描述
上述程序的执行如图所示：
在这里插入图片描述
可以看出，程序在主进程没有结束时，生成的线程每隔一秒输出一次 running thread ，但是如果主进程没有等待十秒，而是直接结束，这样也会强制结束线程，不论线程有没有运行完毕。(如果将sleep(10)改为sleep(2)就会很快结束)

那是否意味着主进程必须每次都 sleep 来等待线程执行完毕？并不需要，可以通过以下函数解决。
sleep的方法存在很大的问题，比如使用sleep可能会影响程序的正常执行流，而且也无法计算线程具体运行的时间，所以使用sleep时不合理且不方便的。
下面的方法可以解决这个问题，还可以同时了解线程ID的用法。

#include <pthread.h>
int pthread_join(pthread_t thread, void ** status);
// 成功时返回0，失败时返回其他值
// thread : 该参数值 ID 的线程终止后才会从该函数返回
// status : 保存线程的 main 函数返回值的指针的变量地址值

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简言之，调用该函数的进程（或线程）将进入等待状态，直到第一个参数为ID的线程终止为止。而且可以得到线程的main函数返回值,所以该函数比较有用。下面通过示例了解该函数的功能。

// thread2.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
void *thread_main(void* arg);

int main(int argc, char* argv[]) {
    pthread_t t_id;
    int thread_param = 5;
    void *thr_ret;

    // 请求创建一个线程，从thread_main调用开始，在单独的执行流中运行，同时传递参数
    if (pthread_create(&t_id, NULL, thread_main, (void*)&thread_param) != 0) {
        puts("pthread_create() error");
        return -1;
    }

    // main函数将的等待ID保存在t_id变量中的线程终止
    if (pthread_join(t_id, &thr_ret) != 0) {
        puts("pthread_join() error");
        return -1;
    }

    printf("Thread return message : %s \n", (char *)thr_ret);
    free(thr_ret);
    return 0;
}

void* thread_main(void* arg) {
    int i;
    int cnt = *((int *)arg);
    char* msg = (char *)malloc(sizeof(char)*50);
    strcpy(msg, "Hello, I'm thread~ \n");

    for (i = 0; i < cnt; i++) {
        sleep(1);
        puts("running thread");
    }
    return (void*)msg;
}

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上述代码中，有几个地方需要解释一下：thread_main的返回值怎么定？上面那个例子返回值没什么别的作用，所以返回值就是NULL。而这个例子的返回值为什么是(void*)msg呢？这是由于这个地方的返回值将保存到pthread_join的第二个参数thr_ret中。需要注意的是，该返回值是thread_main函数内部动态分配的内存空间地址值，使用了malloc关键字，最后要使用free释放。

编译运行：

gcc thread2.c -o tr2 -lpthread
./tr2

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运行结果：
在这里插入图片描述
可以看到，这个代码中在main里面没有使用sleep，也会等到线程执行完才结束运行。
下图可以更好理解这个例子。
在这里插入图片描述

18.2.2 可在临界区内调用的函数

之前的示例中只创建了1个线程，接下来的示例将开始创建多个线程。当然，无论创建多少线程，其创建方法没有区别。但关于线程的运行需要考虑**“多个线程同时调用函数时（执行时）可能产生问题”**。这类函数内部存在临界区（Critical Section ），也就是说，多个线程同时执行这部分代码时，可能引起问题。临界区中至少存在1条这类代码。

下面是关于临界区概念的一一些补充：
在同步的程序设计中，临界区块（Critical section）指的是一个访问共享资源（例如：共享设备或是共享存储器）的程序片段，而这些共享资源有无法同时被多个线程访问的特性。
当有线程进入临界区块时，其他线程或是进程必须等待（例如：bounded waiting 等待法），有一些同步的机制必须在临界区块的进入点与离开点实现，以确保这些共享资源是被异或的使用，例如：semaphore。只能被单一线程访问的设备，例如：打印机。

根据临界区是否引起问题，函数可以分为下面2类：

  • 线程安全函数
  • 非线程安全函数

线程安全函数被多个线程同时调用时也不会引发问题。反之，非线程安全函数被同时调用时会引发问题。但这并非关于有无临界区的讨论，线程安全的函数中同样可能存在临界区。只是在线程安全函数中，同时被多个线程调用时可通过一些措施避免问题。
幸运的是，大多数标准函数都是线程安全的函数。更幸运的是，我们不用自己区分线程安全的函数和非线程安全的函数（在Windows程序中同样如此)。因为这些平台在定义非线程安全函数的同时，提供了具有相同功能的线程安全的函数。比如，第8章介绍过的如下函数就不是线程安全的函数：

struct hostent * gethostbyname(const char * hostname);

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同时提供线程安全的同一功能的函数：

struct hostent * gethostbyname_r(const char * name, struct hostent * result, char * buffer, int buflen. int * h_errnop);

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在Linux中，线程安全函数的后缀名通常为r。可以看到，同样的功能，线程安全函数的定义和参数非常复杂，如果我们在多线程的开发中全部使用这种的话，代码的可读性很差，并且也会给程序员增加负担。可以通过下面的方法自动将gethostbyname函数调用改为gethostbyname_r函数调用！

声明头文件前定义_REENTRANT宏

另外，不用刻意添加define语句定义宏，可以在编译的时候添加-D_REENTRANT选项定义宏

gcc -D_REENTRANT mythread.c -o mthread -lpthread

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18.2.3 工作（Worker）线程模型

下面将介绍创建多个线程的情况。
将要介绍的示例将计算1到10的和，但并不是在main函数中进行累加运算，而是创建2个线程，其中一个线程计算1到5的和，另一个线程计算6到10的和，main函数只负责输出运算结果。这种方式的编程模型称为“工作线程（Worker thread)模型”。计算1到5之和的线程与计算6到10之和的线程将成为main线程管理的工作(Worker )。（main函数可以理解为主线程）下面是程序的流程图：
在这里插入图片描述
下面是示例，由于线程的代码执行流程可能会比较复杂，要会画上面这种图进行分析。上面这个图是一个一个线程运行的，并不是交替执行的。

// thread3.c
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
void* thread_summation(void* arg);
int sum = 0;

int main(int argc, char* argv[]) {
    pthread_t id_t1, id_t2;
    int range1[] = {1, 5};
    int range2[] = {6, 10};

    pthread_create(&id_t1, NULL, thread_summation, (void *)range1);
    pthread_create(&id_t2, NULL, thread_summation, (void *)range2);

    pthread_join(id_t1, NULL);  // 这里不需要啥返回值，所以是NULL
    pthread_join(id_t1, NULL);
    printf("result: %d \n", sum);
    return 0;
}

void* thread_summation(void* arg) {
    int start = ((int*)arg)[0];
    int end = ((int*)arg)[1];

    while (start <= end) {
        sum += start;
        start++;
    }
    return NULL;
}

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根据代码我们可以看到，2个线程都直接访问全局变量sum，这个从代码的角度看起来很理所当然，但是支持这个操作的前提是2个线程共享保存全局变量的数据区。

编译运行：

gcc thread3.c -D_REENTRANT -o tr3 -lpthread
// gcc -D_REENTRANT thread3.c  -o tr3 -lpthread 把宏放在前面也可以
./tr3

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运行结果：
在这里插入图片描述
运行结果是55，虽然正确，但示例本身存在问题。此处存在临界区相关问题，因此再介绍另一示例。该示例与上述示例相似，只是增加了发生临界区相关错误的可能性，即使在高配置系统环境下也容易验证产生的错误。

// thread.c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#define NUM_THREAD 100

void* thread_inc(void* arg);
void* thread_des(void* arg);
long long num = 0;

int main(int argc, char* argv[]) {
    pthread_t thread_id[NUM_THREAD];
    int i;

    printf("sizeof long long: %ld \n", sizeof(long long));  // 查看long long的大小
    for (i = 0; i < NUM_THREAD; i++) {
        if (i % 2) pthread_create(&(thread_id[i]), NULL, thread_inc, NULL);
        else pthread_create(&(thread_id[i]), NULL, thread_des, NULL);
    }

    for (i = 0; i < NUM_THREAD; i++) pthread_join(thread_id[i], NULL);


    printf("result: %lld \n", num);
    return 0;
}

void* thread_inc(void* arg) {
    int i;
    for (i = 0; i < 50000000; i++) num += 1;
    return NULL;
}

void* thread_des(void* arg) {
    int i;
    for (i = 0; i < 50000000; i++) num -= 1;
    return NULL;
}

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上述示例中共创建了100个线程，其中一半执行thread_inc函数中的代码，另一半则执行thread_des函数中的代码。理想的结果应该是0的，下面我们看看结果是不是如我们所想。

编译运行：

gcc -D_REENTRANT thread4.c -o tr4 -lpthread

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运行结果：
在这里插入图片描述
运行结果并不是0!而且每次运行的结果均不同。虽然其原因尚不得而知，但可以肯定的是，这对于线程的应用是个大问题。

18.3 线程存在的问题和临界区

下面分析thread4.c中存在的问题并给出解决方案。

18.3.1 多个线程访问同一变量的问题

上面的例子存在的问题就是：2个线程正在同时访问全局变量num。
不止全局变量，任何内存空间只要被同时访问都有可能发生问题。下面同时示例解释”同时访问“的含义，并说明为何会引起问题。一个线程访问num的时候还没有完成应有的操作，就被其他线程抢过去访问了，此时就会出现问题。
因此，线程访问变量num时应该阻止其他线程访问，知道该线程完成操作。这就是这就是同步（Synchronization）。

18.3.2 临界区位置

那么在刚才代码中的临界区位置是：

函数内同时运行多个线程时引发问题的多条语句构成的代码块

全局变量 num 不能视为临界区，因为他不是引起问题的语句，只是一个内存区域的声明。临界区通常位于由线程运行的函数内部，下面是刚才代码的两个 main 函数。

void *thread_inc(void *arg)
{
	int i;
	for (i = 0; i < 50000000; i++)
	num += 1;//临界区
	return NULL;
}
void *thread_des(void *arg)
{
	int i;
	for (i = 0; i < 50000000; i++)
	num -= 1;//临界区
	return NULL;
}

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由上述代码可知，临界区并非 num 本身，而是访问 num 的两条语句，这两条语句可能由多个线程同时运行，也是引起这个问题的直接原因。产生问题的原因可以分为以下三种情况：

  • 2 个线程同时执行 thread_inc 函数
  • 2 个线程同时执行 thread_des 函数
  • 2 个线程分别执行 thread_inc 和 thread_des 函数

需要关注第三点，2条语句由不同的线程执行，也有可能构成临界区。前提是这2条语句访问同一内存空间。

补充一点：pthread_join是会阻塞线程的，如果存在多个线程，某一个线程使用了pthread_join，就会进入阻塞状态，直到该线程结束，才会开始其他线程。上面的例子中即使使用了pthread_join将当前的线程阻塞，但实际上线程的顺序和时间是不确定的，所以无法避免竞态条件的发生，针对这种情况，应该使用线程同步来解决。

18.4 线程同步

18.4.1 同步的两面性

线程同步用于解决线程访问顺序引发的问题。需要同步的情况可以从如下两方面考虑。

  • 同时访问同一内存空间时发生的情况
  • 需要指定访问同一内存空间的线程执行顺序的情况

下面是第二种情况的解释：假设有A、B两个线程，线程A负责向指定内存空间写入（保存）数据，线程B负责取走该数据。这种情况下**，线程A首先应该访问约定的内存空间并保存数据**。万一线程B先访问并取走数据，将导致错误结果。像这种需要控制执行顺序的情况也需要使用同步技术。

18.4.2 互斥量

互斥锁（英语：英语：Mutual exclusion，缩写 Mutex）是一种用于多线程编程中，防止两条线程同时对同一公共资源（比如全域变量）进行读写的机制。该目的通过将代码切片成一个一个的临界区域（critical section）达成。临界区域指的是一块对公共资源进行访问的代码，并非一种机制或是算法。一个程序、进程、线程可以拥有多个临界区域，但是并不一定会应用互斥锁。通俗的说就互斥量就是一把优秀的锁，当临界区被占据的时候就上锁，等占用完毕然后再放开。接下来介绍互斥量的创建及销毁函数。

#include <pthread.h>

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t * mutex, const pthread_mutexattr_t * attr);
int pthread_mutex_destory(pthread_mutex_t * mutex);
/*
成功时返回 0，失败时返回其他值
mutex : 创建互斥量时传递保存互斥量的变量地址值，销毁时传递需要销毁的互斥量地址
attr : 传递即将创建的互斥量属性，没有特别需要指定的属性时传递 NULL
*/

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从上述函数声明中可以看出，为了创建相当于锁系统的互斥量，需要声明如下 pthread_mutex_t 型变量：

pthread_mutex_t mutex;

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该变量的地址值传递给 pthread_mutex_init 函数，用来保存操作系统创建的互斥量（锁系统）。调用pthread_mutex_destroy 函数时同样需要该信息。如果不需要配置特殊的互斥量属性，则向第二个参数传递 NULL 时，可以利用 PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER 进行如下声明：

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

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但是不推荐使用这个方法，还是老老实实使用pthread_mutex_init进行互斥量的创建。接下来介绍利用互斥量锁住或释放临界区时使用的函数：

#include <pthread.h>
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t * mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t * mutex);
// 成功时返回0，失败时返回其他值

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函数名本身含有lock、unlock等词汇，很容易理解其含义。进入临界区前调用的函数就是pthread_mutex_lock。调用该函数时，发现有其他线程已进入临界区，则pthread_mutex_lock函数不会返回，直到里面的线程调用pthread_mutex_unlock函数退出临界区为止。也就是说，其他线程让出临界区之前，当前线程将一直处于阻塞状态 （lock发现其他线程在使用公共资源的时候，就把自己的线程阻塞，直到其他线程完成了对公共资源的操作）。接下来整理一下保护临界区的代码块编写方法。创建好互斥量的前提下，可以通过如下结构保护临界区。

pthread_mutex_lock(&mutex);
// 临界区的开始
// ......
// 临界区的结束
pthread_mutex_unlock(&mutex);

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简言之，就是利用lock和unlock函数围住临界区的两端。此时互斥量相当于一把锁，阻止多个线程同时访问。还有一点需要注意，线程退出临界区时，如果忘了调用pthread_mutex_unlock函数，那么其他为了进入临界区而调用pthread_mutex_lock函数的线程就无法摆脱阻塞状态。这种情况称为**“死锁”( Dead-lock )**，需要格外注意。接下来利用互斥量解决示例thread4.c中遇到的问题。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#define NUM_THREAD 100

void* thread_inc(void* arg);
void* thread_des(void* arg);
long long num = 0;
pthread_mutex_t mutex;

int main(int argc, char* argv[]) {

    pthread_t thread_id[NUM_THREAD];
    int i;

    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);

    printf("sizeof long long: %ld \n", sizeof(long long));  // 查看long long的大小
    for (i = 0; i < NUM_THREAD; i++) {
        if (i % 2) pthread_create(&(thread_id[i]), NULL, thread_inc, NULL);
        else pthread_create(&(thread_id[i]), NULL, thread_des, NULL);
    }

    for (i = 0; i < NUM_THREAD; i++) pthread_join(thread_id[i], NULL);


    printf("result: %lld \n", num);
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    return 0;
}

void* thread_inc(void* arg) {
    int i;
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    for (i = 0; i < 50000000; i++) num += 1;
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return NULL;
}

void* thread_des(void* arg) {
    int i;
    for (i = 0; i < 50000000; i++) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        num -= 1;
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }

    return NULL;
}

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编译运行：

gcc mutex.c -D_REENTRANT -o mutex -lpthread
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在这里插入图片描述
和我们想象的结果是一样的。
观察代码，我们可以发现，两个线程函数中锁的范围是不一样的。对于thread_inc：

void* thread_inc(void* arg) {
    int i;
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    for (i = 0; i < 50000000; i++) num += 1;
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return NULL;
}

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以上临界区划分范围较大，但这是考虑到如下优点所做的决定:

最大限度减少互斥量lock、unlock函数的调用次数。

但是对于thread_des，居然调用了50000000次lock和unlock。从时间的成本来看，好像临界区越大越好，但是对于thread_inc，当num的值增加到50000000的时间内都不允许其他线程访问，这样也存在不合理。所以临界区的大小，需要根据需求以及编程经验来确定。

18.4.3 信号量

下面介绍信号量。信号量与互斥量极为相似，在互斥量的基础上很容易理解信号量。此处只涉及利用**“二进制信号量”(只用0和1)完成“控制线程顺序”**为中心的同步方法。下面给出信号量创建及销毁方法。

#include <semaphore.h>

int sem_init(sem_t * sem, int pshared, unsigned int value);
int sem_destory(sem_t * sem);
/*
成功时返回 0 ，失败时返回其他值
sem : 创建信号量时保存信号量的变量地址值，销毁时传递需要销毁的信号量变量地址值
pshared : 传递其他值时，创建可由多个继承共享的信号量；传递 0 时，创建只允许 1 个进程内部
使用的信号量。需要完成同一进程的线程同步，故为0
value : 指定创建信号量的初始值
*/

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上述函数的pshared参数超出了我们关注的范围，故默认向其传递0。稍后讲解通过value参数初始化的信号量值究竟是多少。接下来介绍信号量中相当于互斥量lock、unlock的函数。

#include <semaphore.h>
int sem_post(sem_t * sem);
int sem_wait(sem_t * sem);
// 成功时返回0，失败时返回其他值
// sem : 传递保存信号量读取值的变量地址值，传递给 sem_post 的信号量增1，传递给 sem_wait 时信号量减1

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上述的sem_post相当于unlock，sem_wait相当于lock！！不要弄混了，具体的解释如下：

调用sem_init函数时，操作系统将创建信号量对象，此对象中记录着“信号量值”( Semaphore Value)整数。该值在调用sem_post函数时增1，调用sem_wait函数时减1。但信号量的值不能小于0，因此，在信号量为0的情况下调用sem_wait函数时，调用函数的线程将进入阻塞状态（因为函数未返回) （这里就跟lock的时候，如果其他线程已经lock了，自己的lock就不会返回，处于阻塞的状态）。当然，此时如果有其他线程调用sem_post函数，信号量的值将变为1，而原本阻塞的线程可以将该信号量重新减为0并跳出阻塞状态（这里就和unlock的机制是一样的）。

可以这么理解：信号量值就是能够同时访问某个共享资源的线程或进程的最大数量。如果是二进制信号量的话，实现的功能其实就和互斥量是一样的了。

可以通过如下形式同步临界区（假设信号量的初始值是1）:

sem_wait(&sem);  // 信号量变为0
// 临界区的开始
// ......
// 临界区的结束
sem_post(&sem);  // 信号量变为1

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上述代码结构中，调用sem_wait函数进入临界区的线程在调用sem_post函数前不允许其他线程进入临界区。信号量的值在0和1之间跳转，因此，具有这种特性的机制称为“二进制信号量”。接下来给出信号量相关示例。即将介绍的示例并非关于同时访问的同步，而是关于控制访问顺序的同步 （解决的是第二种）。该示例的场景如下：

线程A从用户输入得到值后存入全局变量num，此时线程B将取走该值并累加。该过程共进行5次，完成后输出总和并退出程序。

为了按照上述要求构建程序，应按照线程A、线程B的顺序访问变量num，且需要线程同步。接下来给出示例：

// semaphore.c
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>

void * read(void * arg);
void * accu(void * arg);
static sem_t sem_one;
static sem_t sem_two;
static int num;

int main (int argc, char* argv[]) {
    pthread_t id_t1, id_t2;
    sem_init(&sem_one, 0, 0);
    sem_init(&sem_two, 0, 1);  // 两个信号量，一个信号量的值是0,另一个为1

    pthread_create(&id_t1, NULL, read, NULL);  // 不需要传参数，最后一个参数也是NULL
    pthread_create(&id_t2, NULL, accu, NULL);

    pthread_join(id_t1, NULL);
    pthread_join(id_t2, NULL);

    sem_destroy(&sem_one);
    sem_destroy(&sem_two);
}

void* read(void* arg) {
    int i;
    for (i = 0; i < 5; i++) {
        fputs("Inputs num: ", stdout);

        sem_wait(&sem_two);
        scanf("%d", &num);
        sem_post(&sem_one);
    }
    return NULL;
}

void* accu(void* arg) {
    int sum = 0, i;
    for (i = 0; i < 5; i++) {
        sem_wait(&sem_one);
        sum += num;
        sem_post(&sem_two);
    }
    printf("Result: %d \n", sum);
    return NULL;
}

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acc的信号量初始值设置为0，是为了防止最开始没有值的时候调用了acc，从而出现错误。利用信号量变量sem_two调用wait函数和post函数。这是为了防止在调用accu函数的线程还未取走数据的情况下，调用read函数的线程覆盖原值。利用信号量变量sem_one调用wait和post函数。这是为了防止调用read函数的线程写入新值前，accu函数取走(再取走旧值)数据。

编译运行：

gcc semaphore.c -D_REENTRANT -o sema -lpthread
./sema

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运行结果：
在这里插入图片描述
下面在多线程的基础上编写服务器端。

18.5 线程的销毁和多线程并发服务器端的实现

线程的销毁同样也很重要，下面介绍线程的销毁：

18.5.1 销毁线程的3种方法

Linux线程并不是在首次调用的线程main函数返回时自动销毁，所以用如下2种方法之一加以明确。否则由线程创建的内存空间将一直存在。

  • 调用pthread_join函数
  • 调用pthread_detach函数

之前调用过pthread_join函数。调用该函数时，不仅会等待线程终止，还会引导线程销毁。但该函数的问题是，线程终止前，调用该函数的线程将进入阻塞状态。因此，通常通过如下函数调用引导线程销毁。

#include <pthread.h>
int pthread_detach(pthread_t thread);
// 成功时返回0，失败时返回其他值
// thread : 终止的同时需要销毁的线程 ID

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调用上述函数不会引起线程终止或进入阻塞状态，可以通过该函数引导销毁线程创建的内存空间。调用该函数后不能再针对相应线程调用 pthread_join 函数。其他的方法和pthread_detach结果上没有太大差异，我们重点掌握这个就可以了。

18.5.2 多线程并发服务器端的实现

下面介绍一个可以交换信息的简单的聊天程序：

// chat_serv.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <pthread.h>
#include <arpa/inet.h>

#define BUF_SIZE 100 
#define MAX_CLNT 256  // 最大客户数

void * handle_clnt(void* arg);
void send_msg(char* msg, int len);
void error_handling(char* msg);

int clnt_cnt = 0;
int clnt_socks[MAX_CLNT];  // 这两行管理接入的客户端套接字的变量和数组。访问这两个变量的代码将构成临界区
pthread_mutex_t mutex;

int main(int argc, char* argv[]) {
    int serv_sock, clnt_sock;
    struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;
    int clnt_adr_sz;
    pthread_t t_id;
    if (argc != 2) {
        printf("Usage : %s <Port> \n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
    serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (serv_sock == -1) error_handling("sock() error");

    memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
    serv_adr.sin_family = AF_INET;
    serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));

    if (bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1)
        error_handling("sock() error");
    if (listen(serv_sock, 5) == -1)
        error_handling("listen() error");

    while (1) {
        clnt_adr_sz = sizeof(clnt_adr);
        clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr*)&clnt_adr, &clnt_adr_sz);

        pthread_mutex_lock(&mutex);
        clnt_socks[clnt_cnt++] = clnt_sock;  // main函数其实也看作一个线程，这里涉及到临界区，所以也要使用互斥锁。其作用是每当有新连接时，将相关信息写入变量clnt_cnt和clnt_socks中
        pthread_mutex_unlock(&mutex);

        pthread_create(&t_id, NULL, handle_clnt, (void*)&clnt_sock);  // 创建线程向新接入的客户端提供服务，执行handle_clnt函数的内容
        pthread_detach(t_id);  // 从内存中销毁已经终止的线程
        printf("Connected client IP : %s \n", inet_ntoa(clnt_adr.sin_addr));
    }
    close(serv_sock);
    return 0;
}

void* handle_clnt(void* arg) {
    int clnt_sock = *((int*)arg);
    int str_len = 0, i;
    char msg[BUF_SIZE];

    while ((str_len = read(clnt_sock, msg, sizeof(msg))) != 0)
        send_msg(msg, str_len);
    
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    for (i = 0; i < clnt_cnt; i++) {   // 删除该线程的东西，这里牵涉到二者的同步变动，所以也要加锁
        if (clnt_sock == clnt_socks[i]) {
            while(i++ < clnt_cnt - 1)
                clnt_socks[i] = clnt_socks[i + 1];
            break;
        }
    }
    clnt_cnt--;
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    close(clnt_sock);
    return NULL;
}

void send_msg(char* msg, int len) {  // 该函数负责向所有连接的客户端发送消息
    int i;
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    for (i = 0; i < clnt_cnt; i++)
        write(clnt_socks[i], msg, len);
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
}

void error_handling(char* msg) {
    fputs(msg, stderr);
    fputc('\n', stderr);
    exit(1);
}

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对于上述代码，我们需要掌握的是临界区的构成形式。上面的例子临界区有如下特点：

访问全局变量clnt_cnt和数组clnt_socks的代码将构成临界区

添加或删除客户端时，变量clnt_cnt和数组cInt_socks同时发生变化。因此，在如下情形中均会导致数据不一致，从而引发严重错误。

  • 线程A从数组clnt_socks中删除套接字信息，同时线程B读取clnt_cnt变量
  • 线程A读取变量cInt_cnt，同时线程B将套接字信息添加到clnt_socks数组

总之就是会导致二者不匹配。所以访问变量cInt_cnt和数组cInt _socks的代码应组织在一起并构成临界区。

在充分理解这个代码之前，我查找了一些前面没有说清楚的问题：

  • 首先是pthread_join的理解，问题就是既然pthread_join会阻塞线程，那为什么还需要锁呢？ 当一个线程被调用pthread_join函数等待时，其他线程仍然可以独立地运行和访问共享资源（受并发控制保护），所以是需要锁来控制共享资源只被一个线程使用的。
  • 其次是pthread_detach的理解，我感觉这一块本书讲的并不是很好，本书仅仅讲的是使用这个函数进行线程的销毁与内存释放（当然这是其最后的一部分功能）。pthread_detach函数的主要作用是将线程设置为分离状态，并在该线程结束后自动从内存中销毁。在这种情况下，该线程的资源（如内存、CPU 时间等）都被操作系统回收，不再占用额外的系统资源。需要注意的是，在一个线程被设置为分离状态之后，该线程不再具有 joinable 属性，主线程也不能通过调用pthread_join来等待该线程结束。因此在线程相关的工作结束后，最好使用pthread_exit显式地让线程结束，而不是依赖于分离属性自动回收线程资源。
  • pthread_create(&t_id, NULL, handle_clnt, (void*)&clnt_sock);这个t_id虽然每次都是一个，但是当主线程接收到一个新客户端连接时，都会创建一个新的子进程来处理该客户端的请求，并将子进程的标识符返回给t_id变量。所以说这个t_id是不一样的嘞。

下面就是while(1) 中代码的理解：首先服务器端使用accept会阻塞，一旦服务器端有请求，accept就会返回给clnt_sock。接下来就涉及到临界区了，由于涉及到clnt_cnt和serv_socks都是临界区的代码，所以即使在main中，也需要加锁。然后就是调用pthread_create创建线程，并使用pthread_detach将线程设置为分离状态，不接受主线程的管辖，最后打印IP信息。一次循环就执行完毕了。接下来accept函数会继续阻塞，直到下一个客户端发起请求，则会继续相同的事情。

handle_clnt中不断接收来自客户端的数据，并将数据发给所有的客户端。下面的代码部分是当客户端发送q的时候，read就读不到东西了，代表这个线程也就结束了，这里是将这个线程的东西删除。但是数组没有删除的操作，只能替换。需要注意的是，clnt_cnt和clnt_socks需要同步改变，所以这里也需要加锁，防止混乱。

接下来介绍聊天客户端，客户端示例为了分离输入和输出过程而创建了线程。

// chat_clnt.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <pthread.h>

#define BUF_SIZE 100
#define NAME_SIZE 20

void *send_msg(void *arg);
void *recv_msg(void *arg);
void error_handling(char *msg);

char name[NAME_SIZE] = "[DEFAULT]";
char msg[BUF_SIZE];

int main(int argc, char *argv[])
{
    int sock;
    struct sockaddr_in serv_addr;
    pthread_t snd_thread, rcv_thread;
    void *thread_return;
    if (argc != 4)
    {
        printf("Usage : %s <IP> <port> <name>\n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    sprintf(name, "[%s]", argv[3]);
    sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));
    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    serv_addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));

    if (connect(sock, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) == -1)
        error_handling("connect() error");

    pthread_create(&snd_thread, NULL, send_msg, (void *)&sock); //创建发送消息线程
    pthread_create(&rcv_thread, NULL, recv_msg, (void *)&sock); //创建接受消息线程
    pthread_join(snd_thread, NULL);
    pthread_join(rcv_thread, NULL);
    close(sock);
    return 0;
}

void *send_msg(void *arg) // 发送消息
{
    int sock = *((int *)arg);
    char name_msg[NAME_SIZE + BUF_SIZE];
    while (1)
    {
        fgets(msg, BUF_SIZE, stdin);
        if (!strcmp(msg, "q\n") || !strcmp(msg, "Q\n"))
        {
            close(sock);
            exit(0);
        }
        sprintf(name_msg, "%s %s", name, msg);
        write(sock, name_msg, strlen(name_msg));
    }
    return NULL;
}

void *recv_msg(void *arg) // 读取消息
{
    int sock = *((int *)arg);
    char name_msg[NAME_SIZE + BUF_SIZE];
    int str_len;
    while (1)
    {
        str_len = read(sock, name_msg, NAME_SIZE + BUF_SIZE - 1);
        if (str_len == -1)
            return (void *)-1;
        name_msg[str_len] = 0;
        fputs(name_msg, stdout);
    }
    return NULL;
}

void error_handling(char *msg)
{
    fputs(msg, stderr);
    fputc('\n', stderr);
    exit(1);
}

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编译运行：

gcc chat_server.c -D_REENTRANT -o cserv -lpthread
gcc chat_clnt.c -D_REENTRANT -o cclnt -lpthread
./cserv 9191
./cclnt 127.0.0.1 9191 lilei
./cclnt 127.0.0.1 9191 hanmeimei

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运行结果：
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
为了能更清楚了解线程的运行，我在两个while循环中加了printf语句，来看调用的时机：

while (1)
{
	printf("hello1 \n");
    str_len = read(sock, name_msg, NAME_SIZE + BUF_SIZE - 1);
    if (str_len == -1)
        return (void *)-1;
    name_msg[str_len] = 0;
    fputs(name_msg, stdout);
}
    
while (1)
{
	printf("hello2 \n");
    str_len = read(sock, name_msg, NAME_SIZE + BUF_SIZE - 1);
    if (str_len == -1)
        return (void *)-1;
    name_msg[str_len] = 0;
    fputs(name_msg, stdout);
}

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这里打印了hello1和hello2之后就阻塞了，send_msg是因为fgets阻塞了，recv_msg是因为没有读到来自于服务器的信息，所以二者都阻塞了。
在这里插入图片描述
输入一个good之后就可以解除两个阻塞了，然后通过recv_msg打印结果。之后就会进行新的阻塞。如果将recv_msg的read语句删除，那么将会一直打印hello2，但是此时的send_msg是阻塞的，这也证明了一个线程阻塞不会影响其他线程的工作。

但是将pthread_join换成pthread_detach的话，程序会直接结束。按理来说将线程分离，也是可以正常运行的，这里还没想明白，先放这儿记录一下。

以上就是一个简单的基于多线程服务器的例子。

18.6 习题

第24章 制作HTTP服务器端

24.1 HTTP概要

本章以编写真实应用程序为目标，在所学理论知识的基础上，编写HTTP (Hypertext TransferProtocol，超文本传输协议）服务器端，即Web服务器端。

24.1.1 理解Web服务器端

Web服务器端是以HTTP协议为基础传输超文本的服务器端，从结果上来看，实现该协议相当于实现Web服务器端。

24.1.2 HTTP

下面详细讨论HTTP协议。虽然它相对简单，但要完全驾驭也并非易事。接下来只介绍编写Web服务器端时的必要内容。
无状态的Stateless协议
为了在网络环境下同时向大量客户提供服务，HTTP协议的请求及响应方式设计如图所示：
在这里插入图片描述
从上图可以看到，服务器端响应客户端请求后立即断开连接。换言之，服务器端不会维持客户端状态。即使同一客户端再次发送请求，服务器端也无法辨认出是原先那个，而会以相同方式处理新请求。因此，HTTP又称“无状态的Stateless协议”。

Cookie 和 Session
为了弥补 HTTP无法保持连接的缺点，Web 编程中通常会使用Cookie 和Session 技术。

请求消息（Request Message）的结构
下面介绍客户端向服务器端发送的请求消息的结构。Web服务器端需要解析并响应客户端请求，客户端和服务器端的数据请求方式标准如下图所示：
在这里插入图片描述
从图中可以看出，请求消息可以分为请求头、消息头、消息体 3 个部分。其中，请求行含有请求方式（请求目的）信息。典型的请求方式有 GET 和 POST ，GET 主要用于请求数据，POST 主要用于传输数据。为了降低复杂度，我们实现只能响应 GET 请求的 Web 服务器端，下面解释图中的请求行信息。其中「GET/index.html HTTP/1.1」 具有如下含义：

请求（GET）index.html文件，希望以1.1版本的HTTP协议进行通信

请求行只能通过 1 行（line）发送，因此，服务器端很容易从 HTTP 请求中提取第一行，并分别分析请求行中的信息。
请求行下面的消息头中包含发送请求的（将要接收响应信息的）浏览器信息、用户认证信息等关于HTTP消息的附加信息。最后的消息体中装有客户端向服务器端传输的数据，为了装入数据，需要以POST方式发送请求。但我们的目标是实现GET方式的服务器端，所以可以忽略这部分内容。另外，消息体和消息头之间以空行分开，因此不会发生边界问题。

响应消息（Response Message）的结构
下面介绍Web服务器端向客户端传递的响应信息的结构。从下图可以看到，该响应消息由状态行、头信息、消息体等3个部分构成。状态行中含有关于请求的状态信息，这是其与请求消息相比最为显著的区别。
在这里插入图片描述
从上图可以看到，第一个字符串状态行中含有关于客户端请求的处理结果。例如，客户端请求index.html文件时，表示index.html文件是否存在、服务器端是否发生问题而无法响应等不同情况的信息将写入状态行。图中的“HTTP/1.1 200 OK”具有如下含义：

我想用HTTP1.1版本进行响应，你的请求已正确处理（200 OK）

表示“客户端请求的执行结果”的数字称为状态码，典型的有以下几种：

  • 200 OK : 成功处理了请求
  • 404 Not Found : 请求的文件不存在
  • 400 Bad Request : 请求方式错误，请检查

消息头中含有传输的数据类型和长度等信息。图中的消息头含有如下信息：

服务端名为SimpleWebServer，传输的数据类型为 text/html。数据长度不超过 2048 个字节。

最后插入一个空行后，通过消息体发送客户端请求的文件数据。以上就是实现 Web 服务端过程中必要的 HTTP 协议。

24.2 实现简单的Web服务器端

24.2.1 实现基于Windows的多线程Web服务器端

暂略

24.2.2 实现基于Linux的多线程Web服务器端

实现该服务器端使用标准I/O函数：

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

#define BUF_SIZE 1024
#define SMALL_BUF 100

void* request_handler(void* arg);
void send_data(FILE* fp, char* ct, char* file_name);
char* content_type(char* file);
void send_error(FILE* fp);
void error_handling(char* message);

int main(int argc, char* argv[]) {
    int serv_sock, clnt_sock;
    struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;
    int clnt_adr_sz;
    char buf[BUF_SIZE];
    pthread_t t_id;
    if (argc != 2) {
        printf("Usage : %s <Port>\n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (serv_sock == -1) error_handling("sock() error");
    memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
    serv_adr.sin_family = AF_INET;
    serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));

    if (bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1) 
        error_handling("bind() error");
    if (listen(serv_sock, 20) == -1)
        error_handling("listen() error");

    while (1) {
        clnt_adr_sz = sizeof(clnt_adr);
        clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr*)&clnt_adr, &clnt_adr_sz);
        printf("Connection Request : %s:%d\n",
            inet_ntoa(clnt_adr.sin_addr), ntohs(clnt_adr.sin_port));
        pthread_create(&t_id, NULL, request_handler, &clnt_sock);
        pthread_detach(t_id);
    }
    close(serv_sock);
    return 0;
}

void* request_handler(void* arg) {
    int clnt_sock = *((int*)arg);
    char req_line[SMALL_BUF];
    FILE* clnt_read;
    FILE* clnt_write;

    char method[10];
    char ct[15];
    char file_name[30];

    // printf("hello world");
    clnt_read = fdopen(clnt_sock, "r");
    clnt_write = fdopen(dup(clnt_sock), "w");  // dup表示复制一个文件描述符，这里想用标准I/O函数来进行传输
    fgets(req_line, SMALL_BUF, clnt_read);  // 得到请求信息
    if (strstr(req_line, "HTTP/") == NULL) {  // strstr：查找字串
        send_error(clnt_write);
        fclose(clnt_read);
        fclose(clnt_write);
        return NULL;
    }

    int name_len = strlen(req_line);
    for (int i = 0; i < name_len; i++) {
        printf("%c", req_line[i]);
    }
    printf("\n");

    strcpy(method, strtok(req_line, " /"));  // 通过" /"分割req_line，并将其存在method中
    strcpy(file_name, strtok(NULL, " /"));  // 传递NULL，就是从刚刚的分割位置，继续向后找" /"进行分割，并将其存在file_name中

    strcpy(ct, content_type(file_name));  // 文本的类型
    if (strcmp(method, "GET") != 0) {  // 如果不是请求消息
        send_error(clnt_write);
        fclose(clnt_read);
        fclose(clnt_write);
        return NULL;
    }

    fclose(clnt_read);
    send_data(clnt_write, ct, file_name);
}

void send_data(FILE* fp, char* ct, char* file_name) {
    char protocol[] = "HTTP/1.0 200 OK\r\n";  // 虽然在LInux中字符串的结尾是"\n"，但是在HTTP协议中，行结尾应该使用"\r\n"作为标准
    char server[] = "Server:Linux Web Server \r\n";
    char cnt_len[] = "Content-length:2048\r\n";
    char cnt_type[SMALL_BUF];
    char buf[BUF_SIZE];
    FILE* send_file;

    sprintf(cnt_type, "Content-type:%s\r\n\r\n", ct);  // 这里有两个\r\n前面一个是参数值和后面的数据进行分割，后面的是分割消息头部分和正文部分的，这部分之间通常有一行空行
    send_file = fopen(file_name, "r");

    if (send_file == NULL) {
        printf("here\n");
        send_error(fp);
        return;
    }

    // 传输头信息
    fputs(protocol, fp);
    fputs(server, fp);
    fputs(cnt_len, fp);
    fputs(cnt_type, fp);

    // 传输请求数据
    while (fgets(buf, BUF_SIZE, send_file) != NULL) {
        fputs(buf, fp);
        fflush(fp);
    }
    fflush(fp);
    fclose(fp);
}

char* content_type(char* file) {
    char extension[SMALL_BUF];
    char file_name[SMALL_BUF];
    strcpy(file_name, file);
    strtok(file_name, ".");
    strcpy(extension, strtok(NULL, "."));  // 文件扩展名，这里是.html

    if(strcmp(extension, "html") || strcmp(extension, "htm"))
        return "text/html";
    else
        return "text/plain";
}

void send_error(FILE* fp) {
    char protocol[] = "HTTP/1.0 400 Bad Request\r\n";
    char server[] = "Server:Linux Web Server \r\n";
    char cnt_len[] = "Content-length:2048\r\n";
    char cnt_type[] = "Content-type:text/html\r\n\r\n";
    char content[] = "<html><head><title>NETWORK</title></head>"
        "<body><font size=+5><br>发生错误！ 查看请求文件名和请求方式!"
        "</font></body></html>";

    fputs(protocol, fp);
    fputs(server, fp);
    fputs(cnt_len, fp);
    fputs(cnt_type, fp);
    fflush(fp);
}

void error_handling(char* message) {
    fputs(message, stderr);
    fputc('\n', stderr);
    exit(1);
}

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下面是代码的一些说明：主要是strtok函数的说明：

char *strtok(char *str, const char *delim)；
// 该函数返回被分解的第一个子字符串，如果没有可检索的字符串，则返回一个空指针
// str:要被分解成一组小字符串的字符串
// delim:包含分隔符的 C 字符串

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注意是包含分隔符的C字符串，只要需要的包含在里面就可以了。如果str传入的值为NULL，那就从上一次分割的地方开始下一次分割。
上面的代码中：

strcpy(method, strtok(req_line, " /"));  // 通过" /"分割req_line，并将其存在method中
strcpy(file_name, strtok(NULL, " /"));  // 传递NULL，就是从刚刚的分割位置，继续向后找" /"进行分割，并将其存在file_name中

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我们知道，req_line为请求第一行，为："GET /index.html HTTP/1.1"
我们使用" /"分割，所以method就是GET，然后传入的参数是NULL，代表从这个点继续往后分割，遇到了空格就开始分割，因为空格包含在了” /“中，所以file_name就是index.html。

编译运行：

gcc webserv_linux.c -D_REENTRANT -o serv -lpthread
./web_serv 9190

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结果：
在这里插入图片描述
但是存在一个问题，如果请求index2，不会打印错误信息，会一直转圈。这里我将源码也做了测试，还是会出现这样的问题，暂时没搞明白。

24.3 习题

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