Part 2 Linux programming:chapter 15：套接字和标准I/O

第十五章：套接字和标准I/O

15.1 标准I/O函数

这里需要熟练掌握一些文件操作时使用的函数（fopen、feof、fgetc、fputs等）
啥是标准I/O函数呢？
下面列出一些常用的

fopen fclose

FILE *fopen(const char *path,const char *mode);其中，path是我们要打开的流，而mode就是我们打开文件的方式了，也就决定你所打开的文件将被怎样的去对待啦，有如下几种方式："r":只读方式打开，打开的文件必须存在。
"r+"  :读写方式打开，文件必须存在。
"w" : 只写方式打开，文件不存在则创建，文件存在则清空。
"w+" : 读写方式打开，文件不存在则创建，文件存在则清空。
"a" :  只写方式打开，追加的方式写到文件的尾部，文件不存在则创建。
"a+": 读写方式打开，文件不存在创建，从头开始读，从尾开始写。

fgetc fputc

 功能：  从文件中读取字符。头文件： #include <stdio.h>函数原型： int fgetc(FILE *stream);返回值： 返回所读取的一个字节。如果读到文件末尾或者读取出错时返回EOF功能：  将字符写到文件中。头文件： #include <stdio.h>函数原型： int fputc(int c, FILE *stream);返回值： 在正常调用情况下，函数返回写入文件的字符的ASCII码值，出错时，返回EOF（-1）。当正确写入一个字符或一个字节的数据后，文件内部写指针会自动后移一个字节的位置。EOF是在头文件 stdio.h中定义的宏。

fgets fputs

 fgets();功能：  从文件中读取字符串 头文件： #include <stdio.h>函数原型： char *fgets(char *buf, int size, FILE *stream);参数说明： *s  字符型指针，指向用来存储所得数据的地址。size 整型数据，指明存储数据的大小。*stream 文件结构体指针，将要读取的文件流。返回值： 1.成功，则返回第一个参数buf；2.在读字符时遇到end-of-file，则eof指示器被设置，如果还没读入任何字符就遇到这种情况，则buf保持原来的内容，返回NULL；3.如果发生读入错误，error指示器被设置，返回NULL，buf的值可能被改变.fputs();功能：  向指定的文件写入一个字符串(不自动写入字符串结束标记符‘\0’)头文件： #include <stdio.h>函数原型： int fputs(const char *s, FILE *stream);参数说明： *s  s是字符型指针，可以是字符串常量，或者存放字符串的数组首地址。返回值： 返回值为非负整数；否则返回EOF(符号常量，其值为-1)。

fread fwrite

fread();功能：  从文件流中读数据，最多读取nmemb个项，每个项size个字节头文件： #include <stdio.h>函数原型： size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);参数说明： *ptr 用于接收数据的内存地址size 要读的每个数据项的字节数，单位是字节nmemb 要读nmemb个数据项，每个数据项size个字节.*stream 文件流返回值： 返回真实读取的项数，若大于nmemb则意味着产生了错误。另外，产生错误后，文件位置指示器是无法确定的。若其他stream或buffer为空指针，或在unicode模式中写入的字节数为奇数，此函数设置errno为EINVAL以及返回0.fwrite();功能：  向文件写入一个数据块头文件： #include <stdio.h>函数原型： size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);返回值： 返回实际写入的数据块数目

15.1.1 标准I/O 函数的两个优点

标准I/O函数具有良好的移植性（Portability）。
标准I/O函数可以利用缓冲提高性能、

关于移植性：
其实所有的标准函数都具有这种性质。为了支持所有操作系统（编译器），这些函数都是按照ANSI C标准定义的。这不仅仅局限于网络编程，而是适用于所有编程领域。

关于利用缓冲提高性能：
使用标准I/O函数时会得到额外的缓冲支持。之前说过，在创建套接字时操作系统会为套接字生成用于I/O的缓冲，这两者是什么关系呢？
如下图所示：

上图可以看出，使用标书nI/O函数传输数据时，经过了2个缓冲。
例如：通过fputs函数传输字符串“xxxxx”时，数据先传递到标准I/O函数缓冲。然后数据将移动到套接字输出缓冲中，最后将字符串发送到对方主机。

套接字中的缓冲主要是为了实现TCP协议而设立的，例如TCP传输中数据没有接收到需要再次传递，这是就从保存有数据的输出缓冲中读取数据。

另一方面，使用标准I/O函数缓冲的主要目的是：为了提高性能。

那么如何提高性能呢？使用缓冲可以提高性能？为啥？
通常需要传输的数据越多，有无缓冲带来的性能差异越大
我们换个角度说，性能的提高可以从下面两个方面进程描述：

传输的数据量
数据向输出缓冲移动的次数

首先从数据量角度：
先提个问题：一个字节数据发送10次（10个数据包）与累计10个字节发送1尺的情况分别传输了多少个字节?
发送数据时使用的数据包中包含有头信息，头信息与数据大小无关，是按照一定的格式填入的。也就是说，假设一个头信息占用40个字节（实际更大）：
前者：10 + 40 * 10 = 410 字节后者：40 * 1 + 10 = 50字节。可以看到，这两种方式需要传递的数据量有很大的差别。

接着从向输出缓冲移动的次数：
前者移动10次花费的时间将近后者移动一次花费的10倍。

15.1.2 标准I/O 函数与系统函数之间的性能对比

上面讲了为什么缓冲能够提升性能。下面我们实际来测试一下，看看效果是否和分析的一样。
分别利用标准I/O函数和系统函数编写文件复制程序，这主要是为了检验缓冲提高性能的程度。首先是利用系统函数复制文件的示例。

syscpy.c

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#define BUF_SIZE 3int main(int argc, char *argv[])
{int fd1, fd2, len;char buf[BUF_SIZE];fd1=open("news.txt", O_RDONLY);fd2=open("cpy.txt", O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC);while((len=read(fd1, buf, sizeof(buf)))>0)write(fd2, buf, len);close(fd1);close(fd2);return 0;
}

下面是采用标准I/O函数复制文件的代码：
利用fputs和fgets函数复制文件，因此这是一种基于缓冲的复制。

stdcpy.c

#include <stdio.h>
#define BUF_SIZE 3int main(int argc, char *argv[])
{FILE* fp1;FILE* fp2;char buf[BUF_SIZE];fp1 = fopen("news.txt","r");fp2 = fopen("cyp.txt", "w");while(fgets(buf, BUF_SIZE, fp1) != NULL)fputs(buf, fp2);fclose(fp1);fclose(fp1);return 0;
}

这两种方法在文件不大的情况下差异并不明显，如果文件越大，差别越明显。

15.1.3 标准I/O 函数的几个缺点

不容易进行双向通信
又是可能频繁调用fflush函数
需要FILE结构体指针的形式返回文件描述符

在c语言中，打开文件时，如果希望同时进行读写操作，应该以 r+、w+、a+模式打开。
但是由于缓冲，每次切换读写工作状态时应该刁颖fflush函数。这也会影响基于缓冲的性能提高。而且为了使用标准I/O函数，需要FILE结构体指针。而创建套接字时默认返回的是文件描述符。因此需要将文件描述符转化为FILE指针。

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。下面介绍转换方法。

15.2.1 利用fdopen函数转换为FILE结构体指针

可以通过fdopen函数将创建套接字时返回的文件描述符转换为标准I/O函数中使用的FILE结构体指针

#include <stdio.h>FILE* fdopen(int fildes, const char* mode);
-> 成功时返回转换为FILE结构体指针，失败时返回NULL.fildes:需要转换的文件描述符
mode：将创建的FILE结构体指针的模式（mode）信息

上面第二个参数 mode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”。下面简单使用一下

desto.c

#include <stdio.h>
#define BUF_SIZE 3int main(int argc, char *argv[])
{FILE* fp1;FILE* fp2;char buf[BUF_SIZE];fp1 = fopen("news.txt","r");fp2 = fopen("cyp.txt", "w");while(fgets(buf, BUF_SIZE, fp1) != NULL)fputs(buf, fp2);fclose(fp1);fclose(fp1);return 0;
}

捋一下思路：

使用open函数得到的int类型的文件描述符
使用fdopen函数将上一步得到的文件描述符进行转换，得到FILE* 类型的结构体指针
利用新得到的结构体指针，使用系统函数fputs进行写入。

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，如下

#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

这个用法很简单，向该函数传递FILE指针参数返回相应文件描述符，接下来给出fileno函数的调用示例。

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 descripor:%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;
}

15.3 基于套接字的标准I/O函数使用

前面说了标准I/O函数的优缺点，以及文件描述符转换为FILE指针的方法。
下面将配合套接字进行操作，修改第四章的回声服务器以及回声客户端的代码，改为基于标准I/O函数的数据交换形式。未修改的代码看这里第四章

服务器端：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 1024
void error_handling(char *message);int main(int argc, char *argv[])
{int serv_sock, clnt_sock;char message[BUF_SIZE];int str_len, i;struct sockaddr_in serv_adr;struct sockaddr_in clnt_adr;socklen_t clnt_adr_sz;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("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");}clnt_adr_sz = sizeof(clnt_adr);for(int 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", clnt_sock);}readfp = fdopen(clnt_sock, "r");writefp = fdopen(clnt_sock, "w");while(!feof(readfp)){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);exit(1);
}

客户端：echo_client.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>#define BUF_SIZE 1024
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("socket() 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("connected......");}readfp = fdopen(sock, "r");writefp = fdopen(sock, "w");while(1){fputs("Input message(Q to quit): ", stdout);fgets(message, BUF_SIZE, stdin);      // 1if(!strcmp(message,"q\n") || !strcmp(message,"Q\n"))break;fputs(message, writefp);              // 2fflush(writefp);fgets(message, BUF_SIZE, readfp);       // 3printf("Messgae from server: %s\n", message);}fclose(writefp);fclose(readfp);return 0;
}void error_handling(char *message)
{fputs(message, stderr);fputc('\n', stderr);exit(1);
}

看起来和使用write 函数以及 read函数实现的效果是完全一样的，而且代码看起来好像简单了起来= - =

fflush函数是用来将输入或输出缓冲中的数据全部输出的函数。
上面的过程中，调用基于字符串fgets 、fputs函数提供服务，并调用fflush函数。标准I/O函数为了提高性能，内部提供额外的缓冲。因此如果不调用fflush函数则无法保证立即将数据传输到客户端。

第四章的回声客户端在接受到数据后，需要将数据转化为字符串（数据的尾部插入0），但是上面代码中却没有这一过程。

因为使用标准I/O函数后可以按字符串单位进行数据交换。