从socket编程走向IO多路复用的并发编程

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Mar 28, 2024

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从socket编程走向IO多路复用

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socket编程

首先要搞清楚，socket编程是基于一个client-sever模型的。

而 {host, port} 唯一地定义了socket的标识，这是我们进行socket编程的前提。对于客户端来说，它需要服务器的 {host, port} 来进行连接，而对于服务器端来说，它同样需要客户端的 {host, post} 来确定它到底需要监听来自哪些客户端的请求。

而 {host, port} 在socket编程中被整合进入了 sockaddr_in 或者 sockaddr_in6中，他们用于表示 TCP/IPv4 或者 TCP/IPv6 当然也有可能是UDP，但是我们主要关注TCP。

客户端如果要发起连接，首先需要服务器端的sockaddr_in，通常我们使用 getaddrinfo 来帮我生成 sockaddr

首先必须设置好 hints，表示我们需要什么类型的socket，这里我们需要一个TCP类型的socket，并且可以是IPv4或者v6

接着我们调用getaddrinfo 获得对应的addr，res返回的是一个链表可能有多个sockaddr，这是因为我们解析的host有可能是一个域名，而域名可以绑定多个IP地址。

通过getaddrinfo返回的res，我们可以很便捷的创建一个socket

我们就可以拿着这个socket去和服务器进行连接：

至此客户端的连接到服务器端的过程已经完成，connect会自动生成一个 {客户端host, 随机port} 的客户端sockaddr表示客户端的 socket地址。

服务器端的关键步骤有三个。

1）bind：绑定服务器socket到服务器的sockaddr。

2) listen：这个很简单，就是将主动套接字转换为监听套接字，表示服务器端可以进行连接了。

3）accept：当客户端发送连接请求，监听套接字如果接受请求，那么监听套接字的状态就会发生改变，这时候我们可以创建一个已连接套接字。（已连接套接字，客户端套接字）这一对套接字之间进行数据传输。

为什么需要监听套接字和已连接套接字两个概念，因为监听套接字实际上仅仅用于创建连接，它的状态改变只是代表着新的连接请求。

想象有这样一个场景，我们需要使用read函数，从命令行标准输入读取数据，同时我们也需要从远端服务器读取数据，如果远端服务器没有发送了数据，那么客户端的socket处于一个阻塞状态。

从命令行标准输入读取数据，或者从socket中读取数据，都有可能造成阻塞。我们如果 read(stdin) 那么毫无疑问即使socket中有新的数据，我们也会等待知道，命令行中有输入才能把进程从read的阻塞状态中拯救过来。

于是，有一些聪明人开始思考，有没有办法我们可以同时监听stdin和socket，如果哪个有数据，我们就处理哪个。于是诞生了select为代表的IO多路复用。

select的函数签名，它需要一个bitset用于指示需要监听哪些文件描述符，以及最大监听描述符。

首先我们需要设置bitset，将我们需要监听的文件描述符对应bit位置为1

select调用后会被阻塞，如果有任意的文件描述符指向文件的状态改变，那么select会将对应bit位置为1并返回。这里listenfd状态改变，那么select会把listenfd的bit位置为1

我们可以使用FD_ISSET这个宏来确定到底是哪一个fd状态发生了改变。

简单示例代码：

想象一下这样一个场景，我们的服务器端可以接受多个连接，但是开始的时候我们肯定是没有连接的，也就是只有listenfd。我们需要同时处理当新的客户端请求连接时候，创建已连接套接字。同时如果有连接，也就是已连接套接字得到数据后，我们需要读取这些数据。

这就需要一个pool来维护所有的client。

此代码首先使用 getaddrinfo 准备套接字并绑定到端口 9090 上。之后，它使用 select 进入主循环，监听连接请求并读取任何来自已连接客户端的数据。当客户端断开连接或读取发生错误时，该客户端的文件描述符会被关闭并从客户端列表中移除。