《网络编程》高级 I/O

本节是套接字的高级 I/O 。为套接字设置超时闹钟，使用更加方便的数据传输函数。套接字的 I/O 操作上设置超时有三种方法：

1. 调用 alarm 函数，在它指定超时到期时产生 SIGALRM 信号；
2. 在 select 函数中设置超时阻塞等待 I/O，以替代直接阻塞在 read 或write 调用上；
3. 使用 SO_RCVTIMEO 和 SO_SNDTIMEO 套接字选项（这两个选项只是一部分实现支持）；

下面使用 alarm 产生的 SIGALRM 信号为 connect 函数设置超时，当然系统会为 connect 函数设置超时限制，这里我们只是表示 SIGALRM 信号在设置超时的作用。

#include <signal.h>
#include <errno.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>

typedef void Sigfunc(int);

extern void err_sys(const char *,...);
static Sigfunc *M_signal(int signo, Sigfunc *func);
static Sigfunc *MySignal(int signo, Sigfunc *func);
static void connect_alarm(int);

int Myconnect_timo(int sockfd, const struct sockaddr *saptr, socklen_t salen, int nsec)
{
    Sigfunc *sigfunc;
    int n;

    /* SIGALRM 信号处理函数，并保存现有信号处理函数 */
    sigfunc = MySignal(SIGALRM, connect_alarm);

    /* 设置alarm超时 */
    if(alarm(nsec) != 0)/* 若已经设置了超时，则alarm返回的是当前剩余秒数，否则返回0 */
        printf("alarm was already set\n");/* 提示：已经设置过alarm超时 */

    if( (n = connect(sockfd, saptr, salen)) < 0)
    {/* 由超时处理函数调用中断导致连接失败，则关闭套接字，并设置是由超时导致的失败 */
        close(sockfd);
        if(errno == EINTR)
            errno = ETIMEDOUT;
    }
    /* 关闭 alarm */
    alarm(0);
    /* 恢复原来的处理函数 */
    MySignal(SIGALRM, sigfunc);

    return(n);
}

static void connect_alarm(int signo)
{
    printf("flag: %d\n", signo);
    return;/* just interrupt the connect */
}

static Sigfunc *MySignal(int signo, Sigfunc *func)
{
    Sigfunc *sigfunc;
    if( (sigfunc = M_signal(signo, func)) == SIG_ERR)
        err_sys("signal error");
    return (sigfunc);
}

static Sigfunc *M_signal(int signo, Sigfunc *func)
{
    struct sigaction act, oact;

    /* 设置信号处理函数 */
    act.sa_handler = func;
    /* 初始化信号集 */
    sigemptyset(&act.sa_mask);
    act.sa_flags = 0;
    if(signo == SIGALRM)
    {/* 若是SIGALRM信号，则系统不会自动重启 */
#ifdef SA_INTERRUPT
        act.sa_flags |= SA_INTERRUPT;
#endif
    }
    else
    {/* 其余信号设置为系统会自动重启 */
#ifdef SA_RESTART
        act.sa_flags |= SA_RESTART;
#endif
    }
    /* 调用 sigaction 函数 */
    if(sigaction(signo, &act, &oact) < 0)
        return(SIG_ERR);
    return(oact.sa_handler);
}

使用 select 函数为 recvfrom 设置超时，有关select 函数的讲解可以参考文章《I/O 多路复用》。

#include <sys/select.h>
#include <stdlib.h>
extern void err_sys(const char *,...);

/* 在指定的时间内等待描述符变为可读 */
int readable_timeo(int fd, int sec)
{
	fd_set			rset;
	struct timeval	tv;

    /* 初始化fd_set 结构，并添加描述符 */
	FD_ZERO(&rset);
	FD_SET(fd, &rset);

    /* 设置超时的时间 */
	tv.tv_sec = sec;/* 秒数 */
	tv.tv_usec = 0;/* 微秒 */

    /* 调用select函数，使进程阻塞于select的超时等待描述符变为可读 */
	return(select(fd+1, &rset, NULL, NULL, &tv));
		/* 4> 0 if descriptor is readable */
}
/* end readable_timeo */

int
Read_timeo(int fd, int sec)
{
	int		n;

	if ( (n = readable_timeo(fd, sec)) < 0)
		err_sys("readable_timeo error");
	return(n);
}

使用 使用 SO_RCVTIMEO 和 SO_SNDTIMEO 套接字选项，使用这两个套接字选项设置描述符时，其超时设置将应用于该描述符的所有读或写操作上，SO_RCVTIMEO 套接字选项只能应用于读操作，而 SO_SNDTIMEO 套接字选项只能应用于写操作。这两者仅支持一部分实现，例如在 connect 函数不能使用这两个套接字选项。

recv 和 send 函数

/* 数据传输 */
/*
 * 函数功能：发送数据；
 * 返回值：若成功则返回发送的字节数，若出错则返回-1；
 * 函数原型：
 */
#include <sys/socket.h>

ssize_t send(int sockfd, void *buff, size_t nbytes, int flags);
/*
 * 说明
 * 该函数的功能类似与write函数，除了有标识符flags之外，其他的相同；
 * flags标识符的取值如下：
 * （1）MSG_DONTROUTE   勿将数据路由出本地网络
 * （2）MSG_DONTWAIT    允许非阻塞操作
 * （3）MSG_EOR         如果协议支持，此为记录结束
 * （4）MSG_OOB         如果协议支持，发送带外数据
 *
 * 若send成功返回，并不必然表示连接另一端的进程接收数据，只能说数据已经无错误地发送到网络；
 *
 * 对于支持为报文设限的协议，若报文超过协议所支持的最大尺寸，send失败并将errno设为EMSGSIZE；
 * 对于字节流协议，send会阻塞直到整个数据被传输；
 */

/*
 * 函数功能：接收数据；
 * 返回值：以字节计数的消息长度，若无可用消息或对方已经按序结束则返回0，若出错则返回-1；
 * 函数原型：
 */
#include <sys/socket.h>

ssize_t recv(int sockfd, void *buff, size_t nbytes, int flags);
/*
 * 说明
 * 该函数的功能类似与read函数，除了有标识符flags之外，其他的相同；
 * flags标识符的取值如下：
 * （1）MSG_PEEK        返回报文内容而不真正取走报文，即查看可读取数据
 * （2）MSG_TRUNC       即使报文被截断，要求返回的是报文的实际长度
 * （3）MSG_WAITALL     等待直到所有数据可用
 * （4）MSG_OOB         如果协议支持，发送带外数据
 * （5）MSG_DONTWAIT    允许非阻塞操作
 *
 */

下面是 flags 标志的功能：

1. MSG_DONTROUTE：本标志告知内核，目的主机在某个直接连接的本地网络上，因而无需执行路由表查找；
2. MSG_DONTWAIT：本标志在无需打开相应套接字的非阻塞标志的前提下，把单个 I/O 操作临时指定为非阻塞，接着执行 I/O 操作，然后关闭非阻塞标志；
3. MSG_OOB：若协议支持，则可发送带外数据；
4. MSG_PEEK ：本标志适用于 recv 和 recvfrom 函数，它允许查看已可读取的数据，而且系统不在 recv 或 recvfrom 返回后丢弃这些数据；
5. MSG_WAITALL：等待所有数据可用；

readv 和 writev 函数

这两个函数类似于 read 和 write 函数，但是它们支持多个缓冲区操作。其定义如下：

/* 读、写多个非连续的缓冲区 */

/*
 * 函数功能：读取数据到多个非连续的缓冲区，或从多个非连续缓冲区写数据到文件；
 * 返回值：若成功则返回已读、写的字节数，若出错则返回-1；
 * 函数原型：
 */
#include <sys/uio.h>
ssize_t readv(int filedes, const struct iovec *iov, int iovcnt);
ssize_t writev(int filedes, const struct iovec *iov, int iovcnt);
/*
 * 说明：
 * iovec的指针结构如下：
 */
struct iovec
{
    void *iov_base;     /* starting address of buffer */
    size_t iov_len;     /* size of buffer */
};

recvmsg 和 sendmsg 函数

这两个函数是通用的 I/O 函数，前面介绍的 I/O 函数都可以使用这两个函数替换。其定义如下：

ssize_t recvmsg(int sockfd, struct msghdr *msg, int flags);

ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags);
/*
 * 说明
 * 该函数可以使用不止一个的选择来通过套接字发送数据，可以指定多重缓冲区传输数据，类似与readv函数；
 * msghdr结构至少包含以下成员：
 */
struct msghdr
{
    void        *msg_name;      /* optional address */
    socklen_t   msg_namelen;    /* address size in bytes */
    struct iovec *msg_iov;      /* array of IO buffers */
    int         msg_iovlen;     /* number of elements in array */
    void        *msg_control;   /* ancillary data */
    socklen_t   msg_controllen; /* number of ancillary bytes */
    int         msg_flags;      /* flags for recevied message */
};

参考资料：

《Unix 网络编程》