Linux下Select多路复用实现简易聊天室示例

前言

和之前的udp聊天室有异曲同工之处，这次我们客户端send的是一个封装好了的数据包，recv的是一个字符串，服务器recv的是一个数据包，send的是一个字符串，在用户连接的时候发送一个login请求，然后服务器端处理，并广播到其他客户端去

多路复用的原理

基本概念

多路复用指的是：通过一种机制，可以监视多个描述符，一旦某个描述符就绪（一般是读就绪或者写就绪），能够通知程序进行相应的读写操作。其实就是一种异步处理的操作，等待可运行的描述符。

与多进程和多线程技术相比，I/O多路复用技术的最大优势是系统开销小，系统不必创建进程/线程，也不必维护这些进程/线程，从而大大减小了系统的开销。

多路复用大体有三种实现方式分别是:

select

poll

epoll

本次代码主要是展示select的用法：

select

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,
                fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

这个是Linux的man手册给出的select的声明

第一个参数ndfs

第一个参数是nfds表示的是文件描述集合中的最大文件描述符+1，因为select的遍历使用是[0,nfds)的

第二个参数readfds

readfds表示的是读事件的集合

第三个参数writefds

writefds表示的是读事件的集合

第四个参数exceptfds

exceptfds表示的是异常参数的集合

第五个参数timeout

表示的是超时时间，timeout告知内核等待所指定描述字中的任何一个就绪可花多少时间。其timeval结构用于指定这段时间的秒数和微秒数。

struct timeval{
　　long tv_sec;　　　　//second
　　long tv_usec;　　　//microseconds
　　}

fd_set

fd_set结构体的定义实际包含的是fds_bits位数组，该数组的每个元素的每一位标记一个文件描述符其大小固定，由FD_SETSIZE指定，一般而言FD_SETSIZE的大小为1024

我们只用关心怎么使用即可：

下面几个函数就是操作fd_set的函数

void FD_ZERO(fd_set *fdset);           //清空集合

void FD_SET(int fd, fd_set *fdset);   //将一个给定的文件描述符加入集合之中

void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset);   //将一个给定的文件描述符从集合中删除

int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset);   // 检查集合中指定的文件描述符是否可以读写

服务器Code

实现的功能是：

客户端连接到客户端时，服务器向其他客户端进行广播上线

向服务器发送消息，然后服务器向其他客户端广播上线

客户端退出，服务器向其他客户端广播

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <netdb.h>
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <arpa/inet.h>

#define N 1024
int fd[FD_SETSIZE];//用户集合，最大承受量

typedef struct Msg{//消息的结构
  char type;//消息类型
  char name[20];
  char text[N];//消息内容
}MSG;

typedef struct User{
  int fd;
  struct User *next;
}USE;
USE *head;

USE *init() {
  USE *p = (USE *)malloc(sizeof(USE));
  memset(p,0,sizeof(USE));
  p->next = NULL;
  return p;
}

void Link(int new_fd) {//将新连接加入用户列表里面
  USE *p = head;
  while(p->next) {
      p=p->next;
  }
  USE *k = (USE*)malloc(sizeof(USE));
  k->fd = new_fd;
  k->next = NULL;
  p->next = k;
}

void login(int fd,MSG msg) {
  USE *p = head;
  char buf[N+30];
  strcpy(buf,msg.name);
  strcat(buf,"上线啦！快来找我玩叭！");
  printf("fd = %d  %s\n",fd,buf);
  while(p->next) {//给其他用户发上线信息
      if(fd != p->next->fd)
          send(p->next->fd,&buf,sizeof(buf),0);
      p = p->next;
  }
//    puts("Over login");
}

void chat(int fd,MSG msg) {
//    printf("%d\n",msg.text[0]);
  if(strcmp(msg.text,"\n") == 0) return;
  USE *p = head;
  char buf[N+30];
  strcpy(buf,msg.name);
  strcat(buf,": ");
  strcat(buf,msg.text);
  printf("%s\n",buf);
  while(p->next) {//给其他用户发信息
      if(fd != p->next->fd)
          send(p->next->fd,&buf,sizeof(buf),0);
      p = p->next;
  }
}

void quit(int fd,MSG msg) {
  USE *p = head;
  char buf[N+30];
  strcpy(buf,msg.name);
  strcat(buf,"伤心的退出群聊！");
  printf("%s\n",buf);
  while(p->next) {//给其他用户发上线信息
      if(fd != p->next->fd)
          send(p->next->fd,&buf,sizeof(buf),0);
      p = p->next;
  }
}


/*
* 初始化TCP服务器，返回服务器的socket描述符
* */


int init_tcp_server(unsigned short port) {
  int ret;
  int opt;
  int listen_fd;
  struct sockaddr_in self;        // 监听描述符

  listen_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
  if (listen_fd < 0) {
      perror("socket");
      return -1;
  }
  // 配置监听描述符地址复用属性
  opt = 1;
  ret = setsockopt(listen_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR,&opt, sizeof(opt));
  if (ret < 0) {
      perror("set socket opt");
      return -1;
  }

  // 填充服务器开放接口和端口号信息
  memset(&self, 0, sizeof(self));
  self.sin_family = AF_INET;
  self.sin_port = htons(port);
  self.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
  ret = bind(listen_fd, (struct sockaddr *)&self, sizeof(self));
  if (ret == -1) {
      perror("bind");
      return -1;
  }
  // 默认socket是双向，配置成监听模式
  listen(listen_fd, 5);

  return listen_fd;
}

// 监听处理器
int listen_handler(int listen_fd) {
  int new_fd;
  new_fd = accept(listen_fd, NULL, NULL);
  if (new_fd < 0) {
      perror("accpet");
      return -1;
  }
  return new_fd;
}
// 客户端处理器
int client_handler(int fd) {
  int ret;
  MSG msg;
  // 读一次
  ret = recv(fd, &msg, sizeof(MSG), 0);//读取消息
//    printf("name = %s\n",msg.name);
  if (ret < 0) {
      perror("recv");
      return -1;
  } else if (ret == 0) {//断开连接
      quit(fd,msg);
      return 0;
  } else {//数据处理
      if(msg.type == 'L') {//登陆处理
          login(fd,msg);
      }
      else if(msg.type == 'C') {//聊天处理
          chat(fd,msg);
      }
      else if(msg.type == 'Q') {//退出处理
          quit(fd,msg);
      }
  }
//    puts("Over client_handler");
  return ret;
}
// 标准输入处理器
int input_handler(int fd) {
  char buf[1024];
  fgets(buf, sizeof(buf), stdin);
  buf[strlen(buf) - 1] = 0;
  printf("user input: %s\n",buf);
  return 0;
}

void main_loop(int listen_fd) {
  fd_set current, bak_fds;
  int max_fds;
  int new_fd;
  int ret;

  // 把监听描述符、标准输入描述符添加到集合
  FD_ZERO(&current);
  FD_SET(listen_fd, &current);
  FD_SET(0, &current);
  max_fds = listen_fd;

  while (1) {
      bak_fds = current;      // 备份集合
      ret = select(max_fds+1, &bak_fds, NULL, NULL, NULL);
      if (ret < 0) {
          perror("select");
          break;
      }
      // 判断内核通知哪些描述符可读，分别处理
      for (int i = 0; i <= max_fds; ++i) {
          if (FD_ISSET(i, &bak_fds)) {
              if (i == 0) {//服务器的输入端，可以做成广播
                  // 标准输入可读 fgets
                  input_handler(i);
              } else if (i == listen_fd) {//新连接，也就是有用户上线
                  // 监听描述符可读  accept
                  new_fd = listen_handler(i);
                  if (new_fd < 0) {
                      fprintf(stderr, "listen handler error!\n");
                      return;
                  }
                  if(new_fd >= FD_SETSIZE) {
                      printf("客户端连接过多！");
                      close(new_fd);
                      continue;
                  }
                  // 正常连接更新系统的集合，更新系统的通信录
                  Link(new_fd);//将新的连接描述符放进链表里面
                  FD_SET(new_fd, &current);
                  max_fds = new_fd > max_fds ? new_fd : max_fds;
              } else {
                  // 新的连接描述符可读  recv
                  ret = client_handler(i);
                  if (ret <= 0) {
                      // 收尾处理
                      close(i);
                      FD_CLR(i, &current);
                  }
              }
          }
      }
//        puts("over loop!\n");
  }

}

int main()
{
  int listen_fd;
  head = init();
  listen_fd = init_tcp_server(6666);
  if (listen_fd < 0) {
      fprintf(stderr, "init tcp server failed!\n");
      return -1;
  }
  printf("等待连接中...\n");
  main_loop(listen_fd);
  close(listen_fd);
  return 0;
}

客户端Code

创建了一个父子进程，父进程用于接受信息并打印到屏幕，子进程用于输入并发送信息

//
// Created by Mangata on 2021/11/30.
//

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <netdb.h>
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <arpa/inet.h>
#define N 1024
char *ip = "192.168.200.130"; //106.52.247.33
int port = 6666;
char name[20];

typedef struct Msg{//消息的结构
  char type;//消息类型
  char name[20];
  char text[N];//消息内容
}MSG;

/*
* 初始化TCP客户端，返回客户端的socket描述符
* */
int init_tcp_client(const char *host) {
  int tcp_socket;
  int ret;
  struct sockaddr_in dest;

  tcp_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
  if (tcp_socket == -1) {
      perror("socket");
      return -1;
  }


  memset(&dest, 0, sizeof(dest));
  dest.sin_family = AF_INET;
  dest.sin_port = htons(port);
  dest.sin_addr.s_addr = inet_addr(host);
  ret = connect(tcp_socket, (struct sockaddr *)&dest, sizeof(dest));
  if (ret < 0) {
      perror("connect");
      return -1;
  }
//    int flags = fcntl(tcp_socket, F_GETFL, 0);       //获取建立的sockfd的当前状态（非阻塞）
//    fcntl(tcp_socket, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);  //将当前sockfd设置为非阻塞

  printf("connect %s success!\n", host);
  return tcp_socket;
}

void login(int fd) {
  MSG msg;
  fputs("请输入您的名字: ",stdout);
  scanf("%s",msg.name);
  strcpy(name,msg.name);
  msg.type = 'L';
  send(fd,&msg,sizeof(MSG),0);
}

void chat_handler(int client_fd) {
  int ret;
  char buf[N+30];
  pid_t pid = fork();
  if(pid == 0) {
      MSG msg;
      strcpy(msg.name,name);
      while (fgets(buf, sizeof(buf), stdin)) {
          if (strncmp(buf, "quit", 4) == 0) {// 客户端不聊天了，准备退出
              msg.type = 'q';
              send(client_fd,&msg,sizeof(MSG),0);
              exit(1);
          }
          strcpy(msg.text,buf);
          msg.type = 'C';
          // 发送字符串，不发送'\0'数据
          ret = send(client_fd, &msg, sizeof(MSG), 0);
          if (ret < 0) {
              perror("send");
              break;
          }
          printf("send %d bytes success!\n", ret);
      }
  }
  else {
      while(1){
          int rrt = recv(client_fd,&buf,sizeof(buf),0);
          printf("rrt = %d\n",rrt);
          if(rrt <= 0) {
              printf("断开服务器！\n");
              break;
          }

          fprintf(stdout,"%s\n",buf);
      }
  }


}

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

  client_socket = init_tcp_client(ip);
  if (client_socket < 0) {
      fprintf(stderr, "init tcp client failed!\n");
      return -1;
  }
  login(client_socket);
  chat_handler(client_socket);
  close(client_socket);
  return 0;
}