【IO模型与并发服务器】
阻塞IO与非阻塞IO
阻塞IO
非阻塞IO
IO多路复用
select函数
//头文件：
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
//函数原型：
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
poll函数
//头文件：
#include <sys/socket.h> #include <sys/types.h>
//函数原型：
int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);参数详解
| 参数名 | 类型 | 作用说明 |
|---|---|---|
fds | struct pollfd* | 指向 pollfd 结构体数组的指针，存储待监控的 FD 及关注的事件（输入 / 输出结合）。 |
nfds | nfds_t | 需监控的 pollfd 结构体数量（即数组有效长度），nfds_t 是无符号整数类型（通常为 unsigned int）。 |
timeout | int | 超时时间（单位：毫秒），控制 - - - |
返回值：成功返回结构体中revents域不为0的文件描述符个数；如果在超时前没有任何事件发生，poll()返回0，失败返回-1（并重置错误码）
pollfd 结构体
struct pollfd {int fd; // 待监控的文件描述符（FD）short events; // 用户关注的事件类型（输入参数，由用户设置）short revents; // 内核返回的实际发生的事件（输出参数，由内核填充）
};fd：待监控的文件描述符
- 作用：指定需要
poll()监控的文件描述符（如 socket、管道、标准输入等）。 - 特殊值：
- 若
fd = -1：poll()会忽略该结构体（不监控任何事件），且对应的events和revents会被忽略。 - 用途：动态管理监控列表时（如移除某个 FD），无需修改数组长度，只需将
fd设为-1即可。
- 若
2. events：用户关注的事件（输入参数）
用户通过设置 events 的二进制位，指定需要监控的事件类型。常见事件常量定义在 <poll.h> 中，可通过按位或（|） 组合多个事件。
| 事件常量 | 取值（十六进制） | 含义说明 |
|---|---|---|
POLLIN | 0x001 | 有普通数据 / 优先数据可读（如 socket 收到客户端数据、标准输入有输入）。 |
POLLPRI | 0x002 | 有紧急数据可读（如 socket 的带外数据 OOB）。 |
POLLOUT | 0x004 | 有普通数据 / 优先数据可写（如 socket 可发送数据，无阻塞）。 |
POLLERR | 0x008 | 对应 FD 发生错误（无需用户设置，内核自动返回至 revents）。 |
POLLHUP | 0x010 | 对应 FD 发生挂起（如 peer 关闭连接，管道写端关闭）（内核自动返回）。 |
POLLNVAL | 0x020 | 对应 fd 无效（如 FD 未打开、已关闭）（内核自动返回）。 |
POLLRDNORM | 0x040 | 有普通数据可读（与 POLLIN 功能重叠，部分系统兼容用）。 |
POLLWRNORM | 0x080 | 有普通数据可写（与 POLLOUT 功能重叠，部分系统兼容用）。 |
POLLRDBAND | 0x100 | 有优先带数据可读（如 TCP 带外数据，与 POLLPRI 关联）。 |
POLLWRBAND | 0x200 | 有优先带数据可写。 |
3. revents：内核返回的实际事件（输出参数）
- 作用：
poll()调用成功后，内核会根据 FD 的实际状态，在revents中填充发生的事件（二进制位）。 - 关键特性：
- 只读性：用户无需设置
revents，仅需在poll()返回后读取其值。 - 自动包含错误事件：即使用户未在
events中设置POLLERR、POLLHUP、POLLNVAL，内核若检测到这些事件，也会自动将其写入revents。 - 与
events的关联：revents中的事件是events中用户关注事件的子集或超集（超集源于错误事件的自动添加）。
- 只读性：用户无需设置
多线程并发服务器
服务器模型
多线程并发服务器原理
服务端
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>#define PORT 8888
#define SERVER_IP "192.168.136.130"
#define BUFFER_SIZE 128//自定义结构体 -> 封装客户端连接信息，用于在线程间传递
typedef struct MSG{int acceptfd;//客户端套接字描述符struct sockaddr_in clientaddr;//客户端地址信息
}msg_t;//创建线程处理函数
void *deal_read_write(void *arg){msg_t msg = *(msg_t*)arg;char buf[BUFFER_SIZE] = {0}; int nbytes = 0;printf("客户端【%s:%d】连接到了服务器\n",inet_ntoa(msg.clientaddr.sin_addr),ntohs(msg.clientaddr.sin_port));//客户端数据接收与发送while(1){nbytes = recv(msg.acceptfd, buf, BUFFER_SIZE, 0);if(nbytes == -1){perror("读取客户端消息失败：");}else if(nbytes == 0){printf("客户端【%s:%d】断开连接\n",inet_ntoa(msg.clientaddr.sin_addr),ntohs(msg.clientaddr.sin_port));break;}printf("客户端【%s:%d】发来数据：%s\n",inet_ntoa(msg.clientaddr.sin_addr),ntohs(msg.clientaddr.sin_port),buf);//回显数据给客户端strcat(buf, "--服务器");if(send(msg.acceptfd, buf, BUFFER_SIZE, 0) == -1){perror("回显数据失败：");}}close(msg.acceptfd);pthread_exit(NULL);
}int main(){//创建套接字-配置服务器地址结构体int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if(sockfd == -1){perror("创建套接字失败：");return -1;}struct sockaddr_in server_addr;memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));server_addr.sin_family = AF_INET;server_addr.sin_port = htons(PORT);server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP);socklen_t serveraddr_len = sizeof(server_addr);//绑定、监听、处理客户端的连接if(bind(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, serveraddr_len) == -1){perror("绑定失败：");close(sockfd);return -1;}if(listen(sockfd, 5) == -1){perror("监听失败：");close(sockfd);return -1;}struct sockaddr_in client_addr;socklen_t clientaddr_len = sizeof(client_addr);int acceptfd = 0;pthread_t pthread_id = 0;msg_t msg;int ret = 0;//主线程：接受连接并创建子线程while(1){if((acceptfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&client_addr, &clientaddr_len)) == -1){perror("接受连接失败：");return -1;}msg.acceptfd = acceptfd;msg.clientaddr = client_addr;//创建子线程ret = pthread_create(&pthread_id, NULL, deal_read_write, &msg);if(ret == -1){printf("错误码：%d，错误信息：%s\n",ret,strerror(ret));close(sockfd);return -1;}ret = pthread_detach(pthread_id);if(ret == -1){printf("错误码：%d，错误信息：%s\n",ret,strerror(ret));close(sockfd);return -1;}}close(sockfd);return 0;
}多进程并发服务器
#include <stdio.h> // 标准输入输出库（打印日志、错误信息）
#include <sys/types.h> // 系统数据类型定义（pid_t、socket相关类型等）
#include <sys/socket.h> // socket核心库（创建、绑定、监听、收发等接口）
#include <netinet/ip.h> // IPv4协议相关定义（补充sockaddr_in结构体支持）
#include <netinet/in.h> // 网络地址结构体定义（sockaddr_in、字节序转换函数）
#include <string.h> // 字符串处理库（memset、strcat等）
#include <stdlib.h> // 标准库（exit函数等）
#include <arpa/inet.h> // IP地址转换库（inet_ntoa：网络字节序IP转字符串）
#include <unistd.h> // 系统调用库（close、fork、kill、getpid等）
#include <signal.h> // 信号处理库（signal、sig_func信号回调）
#include <sys/wait.h> // 进程等待库（wait函数：回收子进程资源）// 服务器监听端口号（自定义，需确保未被占用，范围1024-65535）
#define PORT 8888
// 服务器绑定的IP地址（根据实际网卡配置修改，需与客户端在同一网段）
#define SERVER_IP "192.168.26.128"
// 数据收发缓冲区大小（单次最大传输128字节，避免缓冲区溢出）
#define BUFFER_SIZE 128/*** @brief 信号处理函数：专门回收子进程资源，避免僵尸进程* @param signum 接收到的信号编号（此处固定为SIGUSR1）* 核心逻辑：wait(NULL) 会阻塞等待任意子进程终止，回收其PCB资源* 避免子进程退出后成为僵尸进程（占用系统进程表资源）*/
void sig_func(int signum){// wait(NULL)：不关心子进程退出状态，仅回收资源；若没有子进程可回收，会立即返回wait(NULL);
}int main(){// 服务器监听套接字描述符（用于接受客户端连接请求，不直接收发数据）int sockfd = 0;// 客户端连接套接字描述符（每个客户端对应一个，用于与该客户端收发数据）int acceptfd = 0;// 进程ID（fork返回值：父进程返回子进程PID，子进程返回0，失败返回-1）pid_t pid = 0;// 函数返回值临时变量（用于判断系统调用是否成功）int ret = 0;/*** 1. 创建TCP套接字（监听用）* 参数说明：* AF_INET：使用IPv4协议族* SOCK_STREAM：流式套接字（对应TCP协议，可靠、面向连接）* 0：默认协议（由系统自动匹配TCP协议，无需手动指定）* 返回值：成功返回非负套接字描述符，失败返回-1*/sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if(sockfd == -1){perror("套接字创建失败："); // 打印系统错误原因（如权限不足、资源耗尽）return -1; // 套接字创建失败，直接退出程序}// 服务器地址结构体：存储服务器的IP、端口、协议族等信息struct sockaddr_in server_addr;memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr)); // 清空结构体（避免随机垃圾值影响）server_addr.sin_family = AF_INET; // 协议族：IPv4server_addr.sin_port = htons(PORT); // 端口号：htons将主机字节序转为网络字节序（大端）server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP); // IP地址：inet_addr将字符串IP转为网络字节序socklen_t serveraddr_len = sizeof(server_addr); // 地址结构体长度（传给bind函数）/*** 2. 绑定套接字：将监听套接字与服务器IP+端口绑定（确定服务地址）* 若绑定失败（如IP错误、端口已被占用），需关闭套接字避免资源泄漏*/if(bind(sockfd, (struct sockaddr*)&server_addr, serveraddr_len) == -1){perror("绑定失败：");close(sockfd); // 释放已创建的套接字资源return -1; // 绑定失败，退出程序}/*** 3. 监听连接：将套接字转为监听状态，等待客户端发起连接* 参数说明：* 第二个参数5：监听队列大小（最大同时等待连接的客户端数，超过则拒绝）*/if(listen(sockfd, 5) == -1){perror("监听失败：");close(sockfd); // 释放套接字资源return -1; // 监听失败，退出程序}// 客户端地址结构体：存储连接成功的客户端IP、端口信息struct sockaddr_in client_addr;socklen_t clientaddr_len = sizeof(client_addr); // 客户端地址结构体长度/*** 4. 注册信号处理函数：绑定SIGUSR1信号与sig_func回调* 作用：子进程退出前发送SIGUSR1信号，触发sig_func回收子进程资源*/signal(SIGUSR1, sig_func);printf("服务器启动成功！监听IP：%s，端口：%d\n", SERVER_IP, PORT);/*** 主循环：持续接受客户端连接（服务器核心逻辑）* 循环特性：accept是阻塞函数，无客户端连接时会一直阻塞等待*/while(1){/*** 5. 接受客户端连接：* 参数说明：* sockfd：监听套接字* &client_addr：输出参数，存储连接客户端的IP和端口* &clientaddr_len：输入输出参数，传入结构体长度，返回实际使用长度* 返回值：成功返回客户端套接字描述符（acceptfd），失败返回-1*/acceptfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&client_addr, &clientaddr_len);if(acceptfd == -1){perror("接受连接失败：");close(sockfd); // 接受连接失败，关闭监听套接字break; // 退出主循环，程序终止}/*** 6. 创建子进程：用fork创建子进程处理当前客户端通信* 原因：父进程继续监听新连接，子进程专注于单个客户端的数据收发（并发处理）*/pid = fork();if(pid == -1){ // fork失败（如系统进程数达到上限）perror("创建子进程失败：");close(acceptfd); // 关闭当前客户端套接字（避免资源泄漏）break; // 退出主循环，程序终止}else if(pid == 0){ // 子进程逻辑（pid=0表示当前是子进程）// 子进程专属：与客户端进行数据收发char buf[BUFFER_SIZE] = {0}; // 数据收发缓冲区（初始化清空，避免脏数据）int nbytes = 0; // 实际接收的字节数// 打印客户端连接信息：inet_ntoa转网络字节序IP为字符串，ntohs转网络字节序端口为主机字节序printf("客户端【%s：%d】连接到服务器\n", inet_ntoa(client_addr.sin_addr), // 客户端IPntohs(client_addr.sin_port)); // 客户端端口/*** 7. 接收客户端数据：* 参数说明：* acceptfd：客户端套接字* buf：接收缓冲区* BUFFER_SIZE：缓冲区最大长度* 0：默认阻塞模式（无数据时子进程阻塞等待）* 返回值：nbytes>0表示实际接收字节数；=0表示客户端断开；=-1表示接收失败*/nbytes = recv(acceptfd, buf, BUFFER_SIZE, 0);if(nbytes == -1){ // 接收数据失败（如网络异常）perror("接收失败：");}else if(nbytes == 0){ // 客户端主动断开连接（调用close）printf("客户端【%s：%d】断开连接\n",inet_ntoa(client_addr.sin_addr),ntohs(client_addr.sin_port));break; // 退出子进程内部逻辑，准备关闭资源}// 打印客户端发送的数据（nbytes确保只打印实际接收的内容）printf("客户端【%s：%d】发来数据：%s\n",inet_ntoa(client_addr.sin_addr),ntohs(client_addr.sin_port),buf);// 拼接回显标记：在客户端数据后添加"--来自服务端"，告知客户端数据已处理strcat(buf, "--来自服务端");/*** 8. 回显数据给客户端：将处理后的数据发送回客户端*/if(send(acceptfd, buf, BUFFER_SIZE, 0) == -1){perror("回显失败：");}close(acceptfd); // 子进程通信完成，关闭客户端套接字（释放资源）kill(getpid(), SIGUSR1); // 向自身发送SIGUSR1信号，触发父进程回收资源exit(0); // 子进程正常退出（必须调用，否则子进程会继续执行主循环）}else if(pid > 0){ // 父进程逻辑（pid>0表示当前是父进程，pid为子进程ID）// 父进程无需与客户端通信，关闭客户端套接字（避免文件描述符泄漏）// 注：子进程会复制acceptfd，父进程关闭不影响子进程使用close(acceptfd);}}close(sockfd); // 程序退出前，关闭服务器监听套接字（释放资源）return 0;
}
IO多路复用并发服务器
服务端
#include <stdio.h> // 标准输入输出库（打印日志、错误信息）
#include <stdlib.h> // 标准库（无直接使用，保留兼容）
#include <sys/types.h> // 系统数据类型定义（socket、fd相关类型）
#include <string.h> // 字符串处理库（memset清空缓冲区/结构体）
#include <sys/socket.h> // socket核心库（创建、绑定、监听、收发、select等接口）
#include <arpa/inet.h> // IP地址转换库（inet_ntoa：网络字节序IP转字符串）
#include <netinet/ip.h> // IPv4协议补充定义（支持sockaddr_in结构体）
#include <netinet/in.h> // 网络地址结构体（sockaddr_in）+ 字节序转换函数（htons/ntohs）
#include <unistd.h> // 系统调用库（close关闭套接字）
#include <sys/time.h> // select机制依赖（fd_set、select函数声明）// 服务器监听端口号（1024-65535区间，需确保未被占用）
#define PORT 8888
// 服务器绑定IP（根据实际网卡配置修改，与客户端需同一网段；0.0.0.0可监听所有网卡）
#define SERVER_IP "192.168.26.128"
// 数据收发缓冲区大小（单次最大传输128字节，避免缓冲区溢出）
#define BUFFER_SIZE 128int main(){// 监听套接字描述符：专门用于接受客户端连接请求，不直接收发数据int listen_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if(listen_fd == -1){ // socket创建失败（如权限不足、系统资源耗尽）perror("创建套接字失败："); // 打印系统级错误原因return -1; // 初始化失败，直接退出程序}// 服务器地址结构体：存储服务器的IP、端口、协议族等核心信息struct sockaddr_in server_addr;memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr)); // 清空结构体（避免随机垃圾值干扰）server_addr.sin_family = AF_INET; // 协议族：IPv4server_addr.sin_port = htons(PORT); // 端口号：htons将主机字节序转为网络字节序（大端）server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP); // IP地址：inet_addr将字符串IP转为网络字节序socklen_t serveraddr_len = sizeof(server_addr); // 地址结构体长度（传给bind函数的必需参数）// 绑定套接字：将监听套接字与服务器IP+端口绑定（确定服务的网络地址）int ret = bind(listen_fd, (struct sockaddr*)&server_addr, serveraddr_len);if(ret == -1){ // 绑定失败（如IP错误、端口已被占用、无绑定权限）perror("绑定失败：");close(listen_fd); // 释放已创建的监听套接字资源（避免泄漏）return -1; // 绑定失败，退出程序}// 监听连接：将套接字转为"监听状态"，等待客户端发起TCP连接请求// 第二个参数10：监听队列大小（最大同时等待连接的客户端数，超过则拒绝新连接）if(listen(listen_fd, 10) == -1){perror("监听失败：");close(listen_fd); // 释放套接字资源return -1; // 监听失败，退出程序}/*** select机制核心：文件描述符集合（fd_set）管理* 为什么需要两个集合？* - readfd_save_set：保存所有需要监控的fd（监听fd + 所有客户端连接fd），避免每次select后丢失* - readfd_modify_set：每次select调用的临时集合（select会修改该集合，只保留有事件的fd）*/fd_set readfd_save_set, readfd_modify_set;FD_ZERO(&readfd_save_set); // 初始化集合：清空所有fd位（默认所有fd都未被监控）FD_SET(listen_fd, &readfd_save_set); // 将监听套接字加入监控集合（监控"新连接请求"事件）int max_fd = listen_fd; // 记录当前最大的文件描述符（select的第一个参数必需，需动态更新）char buf[BUFFER_SIZE] = {0}; // 数据收发缓冲区（初始化清空，避免脏数据残留）printf("开启小型的select并发服务器\n");printf("服务器监听成功！IP：%s，端口：%d\n", SERVER_IP, PORT);// 主循环：持续监控并处理事件（select并发的核心循环）while(1){// 关键：每次select前，将临时集合重置为保存集合（因为select会修改临时集合）readfd_modify_set = readfd_save_set;/*** select函数：多路复用核心接口，监控多个fd的"读事件"* 参数说明：* 1. max_fd + 1：监控的fd范围（fd从0开始，需包含最大fd，故+1）* 2. &readfd_modify_set：监控"读事件"的fd集合（有数据可读/新连接请求）* 3. NULL：不监控"写事件"（此处仅需收发，无需主动监控写就绪）* 4. NULL：不监控"异常事件"（简化逻辑，默认忽略）* 5. NULL：阻塞模式（无任何事件时，select会一直阻塞，不占用CPU资源）* 返回值：>0表示有事件的fd数量；-1表示失败；0表示超时（此处无超时）*/int fds = select(max_fd + 1, &readfd_modify_set, NULL, NULL, NULL);if(fds == -1){ // select调用失败（如被信号中断）perror("select失败：");continue; // 不退出循环，继续监控（容错处理）}// 客户端地址结构体：存储"新连接客户端"的IP和端口信息（仅在accept时使用）struct sockaddr_in client_addr;socklen_t clientaddr_len = sizeof(client_addr);/*** 遍历所有可能的fd，判断哪个fd有事件发生* 为什么从3开始？0=标准输入、1=标准输出、2=标准错误，均不监控* 遍历范围：3 ~ max_fd（覆盖所有已加入监控的fd）*/int event_fd = 3;for(; event_fd < max_fd + 1; event_fd++){// FD_ISSET：判断当前fd是否在"有事件的集合"中（核心事件判断宏）if(FD_ISSET(event_fd, &readfd_modify_set)){// 情况1：监听套接字有事件 → 有新客户端连接请求if(event_fd == listen_fd){// 接受新连接：生成"客户端连接套接字"（acceptfd），专门与该客户端收发数据int acceptfd = accept(event_fd, (struct sockaddr*)&client_addr, &clientaddr_len);if(acceptfd == -1){ // 接受连接失败（如系统资源不足）perror("accept失败：");continue; // 忽略该失败连接，继续监控其他fd}// 将新客户端的连接fd加入"保存集合"（后续监控其读事件：是否发数据）FD_SET(acceptfd, &readfd_save_set);// 更新max_fd：确保select能监控到最新的fd（必须维护，否则新fd无法被监控）max_fd = (max_fd > acceptfd) ? max_fd : acceptfd;// 打印客户端连接信息（inet_ntoa转IP，ntohs转端口字节序）printf("客户端【%s：%d】连接服务器\n",inet_ntoa(client_addr.sin_addr), // 客户端IP（网络字节序→字符串）ntohs(client_addr.sin_port)); // 客户端端口（网络字节序→主机字节序）}// 情况2：客户端连接fd有事件 → 客户端发送数据/断开连接else{memset(buf, 0, sizeof(buf)); // 清空缓冲区（避免上次数据残留）// 接收客户端数据：从客户端连接fd中读取数据int nbytes = recv(event_fd, buf, BUFFER_SIZE, 0);if(nbytes == -1){ // 接收数据失败（如网络异常、客户端强制断开）perror("获取客户端信息失败：");continue; // 忽略该错误，继续监控其他客户端}// nbytes == 0：客户端主动调用close断开连接（TCP四次挥手完成）else if(nbytes == 0){printf("客户端【%s：%d】断开连接\n",inet_ntoa(client_addr.sin_addr),ntohs(client_addr.sin_port));FD_CLR(event_fd, &readfd_save_set); // 从监控集合中移除该fd（不再监控）close(event_fd); // 关闭连接套接字（释放资源，避免泄漏）continue; // 跳过后续逻辑，处理下一个fd}// 正常接收：打印客户端发送的数据printf("客户端【%s：%d】发来数据：%s\n",inet_ntoa(client_addr.sin_addr),ntohs(client_addr.sin_port),buf);// 数据回显：将接收的数据原封不动发送回客户端（验证通信正常）nbytes = send(event_fd, buf, BUFFER_SIZE, 0);if(nbytes == -1){ // 回显失败（如客户端已断开）perror("回显失败：");continue;}}}}}// 理论上不会执行到这里（主循环是死循环），仅作资源释放冗余处理close(listen_fd);return 0;
}