linux下socket编程和epoll的使用

这两天在学Linux下的网络编程，于是便看了些关于socket和epoll的资料。
首先介绍socket，socket编程我之前也接触过，不过是在windows下接触的。和windows不同的是，windows下关于socket编程，是直接给你一个socket的类，在上面建立自己的实例。而在linux中，你在建立socket时，它会给你一个文件描述符（其实就是一个整数），这个整数和内核为你建立的socket相联系，这个整数其实就代表着建立的socket（在网上查到的是说，linux下一切皆文件，socket其实也就是一种特殊的文件，而文件用文件描述符来标记）。接着就是将这个文件描述符（以下以sockfd代替）用bind函数与地址绑定（之后详细解释），如果是监听socket就开始listen，如果是连接socket就与server连接。其实感觉无论在windows上还是在linux上，socket都是这么使用的，下面讲解下在这个过程中使用的函数。
首先是使用socket函数，原型如下：

int socket(int domain, int type, int protocol);

函数返回一个整型值，就是所建立的socket的文件描述符。当返回值为-1是，说明建立socket失败。第一个参数domain指定，它用于确定所建立的socket的通信域，例如AF_INET就是ipv4，第二个参数type，指定建立的socket的类型，它定义了通信的语义，例如SOCK_STREAM提供顺序，可靠，双向，基于连接的字节流。最后一个参数protocol指定与套接字相匹配的协议，通常，只有单个协议存在以支持给定协议族内的特定套接字类型，在这种情况下协议可以被指定为0。但是可能存在多个协议和套接字匹配，此时就要手动指定协议。（三个参数的具体取值查询man）。
在建立了socket后，就是使用bind函数将其与地址绑定在一起。

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

当绑定成功后，函数返回0，失败时返回-1，此时可查询errno来确定错误原因。此函数有三个参数，第一个参数就是你需要绑定的socket的文件描述符。第二个参数是需要绑定的地址，第三个参数是地址的长度（字节数）。对于第二个参数，对于ip协议，常使用sockaddr_in来代替，在绑定的时候强制转换成sockaddr，（（struct sockaddr*）&addr，addr为一个sockaddr_in类型的参数）。

struct sockaddr_in
{sa_family_t    sin_family; /* address family: AF_INET */in_port_t      sin_port;   /* port in network byte order */struct in_addr sin_addr;   /* internet address */
};/* Internet address. */
struct in_addr
{uint32_t       s_addr;     /* address in network byte order */
};

对于ip协议，sin_family永远被设为AF_INET,sin_port为端口号，sin_addr为具体的IP地址，可以将其设为INADDR_ANY来指定为任意ip地址（也可以近似于认为是本机地址），使用“127.0.0.1”来指定本机地址，或者自定义ip地址。使用inet_aton来将字符串形式的ip地址转换为标准的IP地址形式，int inet_aton(const char *cp, struct in_addr *inp)，第一个参数是字符串形式ip地址，第二个参数是需要得到的地址，还有一些其他转换的方式，具体见man。最后，注意主机字节序和网络字节序的差别。
绑定成功后，便可以开始监听socket了，使用listen函数：

int listen(int sockfd, int backlog);

和bind函数一样，若是函数成功，返回0，若是失败，返回-1。第一个参数是监听socket的文件描述符，第二个参数指定sockfd监听队列的最大长度，当sockfd的监听队列已满时，若还有新的连接，便会出现错误。
对于客户端的连接socket，使用connect函数连接到服务器socket上。（貌似对于客户端socket不需要绑定地址，系统会自动为其指派地址和端口，这个具体还不太清楚，之后若是确定了会写出来）。

int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

函数的返回值规则和上述函数一样，0为成功，-1为失败。第一个参数为client的socket的文件描述符，后面两个参数则分别为所要连接到的server的ip地址和地址长度。地址使用和bind函数一样。
这样，便完成了client和server的连接。
连接成功后便可以使用send和recv函数来收发数据了。具体的例子如下（先只放出client的例子，server的代码之后和epoll代码一起放出。）：
client：

#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<stdio.h>
#include<iostream>
#include<netinet/in.h>
#include<unistd.h>
#include<errno.h>
#include<arpa/inet.h>using namespace std;int main(void)
{int ClientFd;sockaddr_in ClientAddr;ClientFd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if(ClientFd==-1){cout<<"Client socket created falied!!"<<errno<<endl;return 0;}int ServerFd;sockaddr_in ServerAddr;ServerAddr.sin_family=AF_INET;if(inet_aton("127.0.0.1",&ServerAddr.sin_addr)==0){cout<<"server IPAddress error!!"<<endl;return 0;}string ipAddress=inet_ntoa(ServerAddr.sin_addr);cout<<ipAddress<<endl;ServerAddr.sin_port=htons(8000);socklen_t ServerLen=sizeof(ServerAddr);if(connect(ClientFd,(struct sockaddr*)&ServerAddr,ServerLen)==-1){cout<<"can't connect to server!!"<<endl;cout<<errno<<endl;return 0;}const char *buffer="Hello, My Server!!";send(ClientFd,buffer,18,0);shutdown(ClientFd,SHUT_RDWR);if(close(ClientFd)==-1)cout<<"close Client failed"<<endl;return 0;
}

-------------------------------------------------------------------华丽的分界线---------------------------------------------------------------------------

 以上就是关于我关于socket的一些理解。下面介绍下epoll。在学习关于epoll之前，我曾经使用过完成端口，感觉和完成端口相比，epoll的使用就简单很多了，只需要三个函数，epoll_create,epoll_vtl,和epoll_wait.当然完成epoll的第一步就是先建立一个监听socket，将其作为第一个socket加进epoll的文件描述符中，之后每有一个客户端连接到这个sockfd时，就将这个客户端加进epoll中。首先介绍epoll_create函数：

int epoll_create(int size);

在过去的版本中，size参数用来指定能在epoll中添加的sockfd的数量，但从Linux 2.6.8开始，size参数被忽略，但必须为一个大于0的数。此函数返回一个新的epoll的实例的文件描述符，此文件描述符用于之后对epoll的操作。当不再需要此文教描述符时，应该使用close函数关闭此文件描述符，当所有引用此epoll实例的文件描述符关闭时，系统内核会销毁此epoll实例以释放资源（这句话应该也说明了能够以不同的文件描述符调用一个epoll实例）。当函数返回-1时，说明函数失败，可以查看errno来确定错误原因。
v在创建了epoll实例，得到引用其的文件描述符之后，就可以调用epoll_ctl函数将已经建立好的监听socket加入epoll队列中了。

 int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

epoll_ctl有四个参数，第一个参数epfd为epoll的文件描述符，也就是刚刚使用epoll_create建立的epoll文件描述符。第二个参数op（operation），它指定需要对目标文件描述符fd进行的动作，op参数有效值为以下三个：EPOLL_CTL_ADD，它将目标文件描述符fd注册到epoll的队列之中，并且使fd文件描述符所引用的文件和event（第四个参数）相关联；EPOLL_CTL_MOD，用来改变目标文件描述符fd相关联的事件event；EPOLL_CTL_DEL，用来将目标文件描述符fd，从epoll队列中移除，在这个操作下，event参数被忽略，可以被设置为NULL。第三个参数fd就是需要被操作的目标文件描述符fd。第四个参数event描述和fd连接到一起的操作（请原谅我的语文水平，不过看到对参数值的讲解时应该都能够理解event的含义）。epoll_event的结构如下：

        typedef union epoll_data {void        *ptr;int          fd;uint32_t     u32;uint64_t     u64;} epoll_data_t;struct epoll_event {uint32_t     events;      /* Epoll events */epoll_data_t data;        /* User data variable */};

其中events变量是一组位掩码，可以使用|来同时选中几个不同的events参数。可选择的参数如下：EPOLLIN，相关文件可用于read操作；EPOLLOUT，相关文件可用于write操作；对于stream socket来说，可以检测出对面客户端关闭（close）或者半关闭连接（shutdown）(但我在代码中测试过，没有能够成功检测出来，可能是我的代码写错了，但是可以用recv来检测对面是否关闭连接，如果recv的返回值为0的话说明对面关闭了连接，这点我测试过)；还有一些其他的events参数，如EPOLLPRI，EPOLLERR等，我也没有进行测试，可以查询man来了解具体含义。
在将监听socket注册到epoll中后，便可以调用epoll_wait来开始进行epoll的监听工作。

int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);

epoll_wait函数等待发生在epoll队列中的文件描述符的事件，如果没有事件发生，它会阻塞住程序。第一个参数epfd还是epoll实例的文件描述符。第二个参数events指向记录发生的事件的内存区域，可用events[i]来调用发生的事件。第三个参数maxevents指定epoll所能返回的最大的事件数量，此参数必须大于0，第四个参数timeout指定epoll_wait阻塞住程序的超时时间（epoll_wait将会阻塞住程序直到以下三种情况之一发生：epoll队列中的一个文件描述符上发生了事件，epoll-wait被信号中断，超时时间到）。当timeout为-1时会导致如果没有事件到达，程序将会被无限期阻塞住，而如果timeout为0，epoll-wait将会立即返回，即使任何事件都没有发生。epoll-wait函数返回发生的事件数目，如果为0，说明超时，没有时间发生，如果返回-1，说明函数错误，可查询errno来确定错误原因。
在调用完epoll_wait后，如果有客户端连接到监听socket，便可以接收到，接收到后便新建一个sockfd来专门和这个客户端进行通信，再调用epoll_ctl函数将这个sockfd注册到epoll中，如此循环便可。程序如下：
epoll.h:

#include<sys/socket.h>
#include<sys/epoll.h>
#include<sys/types.h>
#include<iostream>
#include<string>
#include<errno.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<fcntl.h>
#include<unistd.h>#define MAX_SIZE 500
#define BUFF_SIZE 1000
#define MAX_EVENTS 100using namespace std;
class myEpollServer
{public:myEpollServer(){};~myEpollServer(){};int setnonblocking(int socketFd);void start();bool initializeEpoll(int maxSize);bool initializeServerSocket();
private://listen socket infoint ServerFd=0;sockaddr_in ServerAddr;int ServerPort;
};

epoll.cpp

#include"MyEpollPort.h"bool myEpollServer::initializeServerSocket()
{using namespace std;if((ServerFd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==-1){cout<<"create server socket fail!!,error:"<<strerror(errno)<<endl;return false;}   memset(&ServerAddr,0,sizeof(ServerAddr));ServerAddr.sin_family=AF_INET;ServerAddr.sin_addr.s_addr=htons(INADDR_ANY);ServerAddr.sin_port=htons(8000);if(bind(ServerFd,(struct sockaddr*)&ServerAddr,sizeof(ServerAddr))==-1){cout<<"bind server addr fail,error:"<<strerror(errno)<<endl;return false;}   if(listen(ServerFd,10)==-1){cout<<"server listen fail,error:"<<strerror(errno)<<endl;return false;}  return true;
}bool myEpollServer::initializeEpoll(int maxSize)
{struct epoll_event ev,events[100];int connectFd,nfds,epollFd;epollFd=epoll_create(maxSize);if(epollFd==-1){perror("epoll_create");return false;}ev.events=EPOLLIN|EPOLLRDHUP;ev.data.fd=ServerFd;if(epoll_ctl(epollFd,EPOLL_CTL_ADD,ServerFd,&ev)==-1){perror("epoll_ctl:ServerFd");return false;}for(;;){nfds=epoll_wait(epollFd,events,MAX_EVENTS,-1);if(nfds==-1){perror("epoll_wait");close(ServerFd);return false;}for(int i=0;i<nfds;++i){cout<<i<<endl;if(events[i].data.fd==ServerFd){cout<<1<<endl;sockaddr_in clientAddr;socklen_t len;connectFd=accept(ServerFd,(struct sockaddr*)&clientAddr,&len);if(connectFd==-1){perror("accept");close(ServerFd);return false;}cout<<"client addr is: "<<inet_ntoa(clientAddr.sin_addr)<<endl;setnonblocking(connectFd);ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;ev.data.fd=connectFd;if(epoll_ctl(epollFd,EPOLL_CTL_ADD,connectFd,&ev)==-1){perror("epoll_ctl:connectFd");close(ServerFd);return false;}}else{cout<<2<<endl;if(events[i].events&EPOLLRDHUP||events[i].events&EPOLLERR){sockaddr_in addr;socklen_t len=sizeof(addr);if(getpeername(events[i].data.fd,(struct sockaddr*)&addr,&len)==-1){cout<<"get client address fail!1"<<endl;}cout<<"client:"<<inet_ntoa(addr.sin_addr)<<"out of link!!"<<endl;}char buff[BUFF_SIZE]; int n=recv(events[i].data.fd,buff,1000,0);if(n==0){sockaddr_in addr;socklen_t len=sizeof(addr);if(getpeername(events[i].data.fd,(struct sockaddr*)&addr,&len)==-1){cout<<"get client address fail!1"<<endl;}cout<<"client:"<<inet_ntoa(addr.sin_addr)<<"out of link!!"<<endl;}buff[n]='\0';cout<<buff<<endl;}}}return true;}void myEpollServer::start()
{initializeServerSocket();initializeEpoll(100);
}int myEpollServer::setnonblocking(int sockFd)
{if(fcntl(sockFd,F_SETFL,fcntl(sockFd,F_GETFD,0)|O_NONBLOCK)==-1){return -1;}return 0;
}

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