简单聊天室的两种实现 (fcntl 和 select)

奋斗的蕃茄

一个简单的聊天室, 其功能是当在这个聊天室中的任何一个用户输入一段字符之后, 室内的所有其他用户都可以得到这一句话. 本聊天室功能非常简单, 感兴趣的朋友可以将其功能扩展, 发展成一个功能比较完整的聊天室, 如加上用户认证, 用户昵称, 秘密信息, semote 等功能. 这个聊天室有两种实现方法: fcntl 和 select, 下面就这个聊天室的实现做一个介绍, 并对两种方法进行比较.
聊天室是一个 client/server 结构的程序, 首先启动 server,然后用户使用 client 进行连接. client/server 结构的优点是速度快, 缺点是当 server 进行更新时, client 也必需更新. 首先是 初始化 server, 使server 进入监听状态: (为了简洁起见,以下引用的程序与实际程序略有出入, 下同)
sockfd = socket( AF_INET,SOCK_STREAM, 0);
// 首先建立一个 socket, 族为 AF_INET, 类型为 SOCK_STREAM.
// AF_INET = ARPA Internet protocols 即使用 TCP/IP 协议族
// SOCK_STREAM 类型提供了顺序的, 可靠的, 基于字节流的全双工连接.
// 由于该协议族中只有一个协议, 因此第三个参数为 0
bind( sockfd, ( struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof( serv_addr));
// 再将这个 socket 与某个地址进行绑定.
// serv_addr 包括 sin_family = AF_INET 协议族同 socket
// sin_addr.s_addr = htonl( INADDR_ANY) server 所接受的所有其他
// 地址请求建立的连接.
// sin_port = htons( SERV_TCP_PORT) server 所监听的端口
// 在本程序中, server 的 IP和监听的端口都存放在 config 文件中.
listen( sockfd, MAX_CLIENT);
// 地址绑定之后, server 进入监听状态.
// MAX_CLIENT 是可以同时建立连接的 client 总数.
server 进入 listen 状态后, 等待 client 建立连接. 此时如果有
client 进行连接时, 也要先进行网络部分的初始化工作:
sockfd = socket( AF_INET,SOCK_STREAM,0));
// 同样的, client 也先建立一个 socket, 其参数与 server 相同.
connect( sockfd, ( struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof( serv_addr));
// client 使用 connect 建立一个连接.
// serv_addr 中的变量分别设置为:
// sin_family = AF_INET 协议族同 socket
// sin_addr.s_addr = inet_addr( SERV_HOST_ADDR) 地址为 server
// 所在的计算机的地址.
// sin_port = htons( SERV_TCP_PORT) 端口为 server 监听的端口.
当 client 建立新连接时, server 使用 accept 来接受该连接:
accept( sockfd, (struct sockaddr*)&cli_addr, &cli_len);
// 在函数返回时, cli_addr 中保留的是该连接对方的信息
// 包括对方的 IP 地址和对方使用的端口.
// accept 返回一个新的文件描述符.
在 server 进入 listen 状态之后, 我们下面分别讨论两种实现方法:
1. fcntl 方法
对一个文件描述符指定的文件或设备, 有两种工作方式: 阻塞与非阻塞, 阻塞的意思是指, 当试图对该文件描述符进行读写时, 如果当时没有东西可读, 或者暂时不可写, 程序就进入等待状态, 直到有东西可读或者可写为止. 而对于非阻塞状态, 如果没有东西可读, 或者不可写, 读写函数马上返回, 而不会等待. 缺省情况下, 文件描述符处于阻塞状态. 在实现聊天室时, server 轮流查询与各client 建立 socket, 一旦可读就将该 socket 中的字符读出来并向所有其他client 发送. 并且, server 还要随时查看是否有新的 client 试图建立连接, 这样, 如果 server 在任何一个地方阻塞了, 其他 client 发送的内容就会受到影响, 新 client 试图建立连接也会受到影响. 因此, 我们使用 fcntl 将该
文件描述符变为非阻塞的:
fcntl( sockfd, F_SETFL, O_NONBLOCK);
// sockfd 是要改变状态的文件描述符.
// F_SETFL 表明要改变文件描述符的状态
// O_NONBLOCK 表示将文件描述符变为非阻塞的.
使用自然语言描述聊天室 server :
while ( 1) {
if 有新连接 then 建立并记录该新连接;
for ( 所有的有效连接) {
if 该连接中有字符可读 then {
for ( 所有其他的有效连接) {
将该字符串发送给该连接;
}
}
}
}
由于判断是否有新连接, 是否可读都是非阻塞的, 因此每次判断, 不管有还是没有, 都会马上返回. 这样, 任何一个 client 向 server 发送字符或者试图建立新连接, 都不会对其他 client 的活动造成影响. 对 client 而言, 建立连接之后, 只需要处理两个文件描述符, 一个是建立了连接的 socket 描述符, 另一个是标准输入. 和 server 一样, 如果使用阻塞方式的话, 很容易因为其中一个暂时没有输入而影响另外一个的读入. 因此将它们都变成非阻塞的, 然后client 进行如下动作:
while ( 不想退出) {
if ( 与 server 的连接有字符可读) {
从该连接读入, 并输出到标准输出上去.
}
if ( 标准输入可读) {
从标准输入读入, 并输出到与 server 的连接中去.
}
}
上面的读写分别调用这样两个函数:
read( userfd, line, MAX_LINE);
// userfd 是指第 i 个 client 连接的文件描述符.
// line 是指读出的字符存放的位置.
// MAX_LINE 是一次最多读出的字符数.
// 返回值是实际读出的字符数.
write( userfd[j], line, strlen( line));
// userfd[j] 是第 j 个 client 的文件描述符.
// line 是要发送的字符串.
// strlen( line) 是要发送的字符串长度.
分析上面的程序可以知道, 不管是 server 还是 client, 它们都不停的轮流查询各个文件描述符, 一旦可读就读入并进行处理. 这样的程序, 不停的在执行, 只要有CPU 资源, 就不会放过. 因此对系统资源的消耗非常大. server 或者 client 单独执行时, CPU 资源的 98% 左右都被其占用. 因此, 我们可以使用另外一种阻塞的方法来解决这个问题, 这就是 select.
2. select 方法
select 方法中, 所有文件描述符都是阻塞的. 使用 select 判断一 组文件描述符中是否有一个可读(写), 如果没有就阻塞, 直到有一个的时候就被唤醒. 我们先看比较简单的 client 的实现:
由于 client 只需要处理两个文件描述符, 因此, 需要判断是否有可读写的文件描述符只需要加入两项:
FD_ZERO( sockset);
// 将 sockset 清空
FD_SET( sockfd, sockset);
// 把 sockfd 加入到 sockset 集合中
FD_SET( 0, sockset);
// 把 0 (标准输入) 加入到 sockset 集合中
然后 client 的处理如下:
while ( 不想退出) {
select( sockfd+1, &sockset, NULL, NULL, NULL);
// 此时该函数将阻塞直到标准输入或者 sockfd 中有一个可读为止
// 第一个参数是 0 和 sockfd 中的最大值加一
// 第二个参数是 读集, 也就是 sockset
// 第三, 四个参数是写集和异常集, 在本程序中都为空
// 第五个参数是超时时间, 即在指定时间内仍没有可读, 则出错
// 并返回. 当这个参数为NULL 时, 超时时间被设置为无限长.
// 当 select 因为可读返回时, sockset 中包含的只是可读的
// 那些文件描述符.
if ( FD_ISSET( sockfd, &sockset)) {
// FD_ISSET 这个宏判断 sockfd 是否属于可读的文件描述符
从 sockfd 中读入, 输出到标准输出上去.
}
if ( FD_ISSET( 0, &sockset)) {
// FD_ISSET 这个宏判断 sockfd 是否属于可读的文件描述符
从标准输入读入, 输出到 sockfd 中去.
}
重新设置 sockset. (即将 sockset 清空, 并将 sockfd 和 0 加入)
}
下面看 server 的情况:
设置 sockset 如下:
FD_ZERO( sockset);
FD_SET( sockfd, sockset);
for ( 所有有效连接)
FD_SET( userfd, sockset);
}
maxfd = 最大的文件描述符号 + 1;
server 处理如下:
while ( 1) {
select( maxfd, &sockset, NULL, NULL, NULL);
if ( FD_ISSET( sockfd, &sockset)) {
// 有新连接
建立新连接, 并将该连接描述符加入到 sockset 中去了.
}
for ( 所有有效连接) {
if ( FD_ISSET ( userfd, &sockset)) {
// 该连接中有字符可读
从该连接中读入字符, 并发送到其他有效连接中去.
}
}
重新设置 sockset;
}
由于采用 select 机制, 因此当没有字符可读时, 程序处于阻塞状态, 最小程度的占用CPU 资源, 在同一台机器上执行一个 server 和若干个client 时, 系统负载只有 0.1 左右, 而采用原来的 fcntl 方法, 只运行一个 server, 系统负载就可以达到 1.5 左右. 因此我们推荐使用 select.


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