Tinychatserver: 一个简易的命令行群聊程序

这是学习网络编程后写的一个练手的小程序，可以帮助复习socket，I/O复用，非阻塞I/O等知识点。

通过回顾写的过程中遇到的问题的形式记录程序的关键点，最后给出完整程序代码。

0. 功能

编写一个简易群聊程序，程序具备的基本功能：

服务器：支持多个客户端连接，并将每个客户端发过来的消息发给所有其他的客户端

客户端：能够连接服务器，并向服务器发送消息，同时接收服务器发过来的任何消息

1. Server I/O模型

采用事件驱动（I/O复用）+ 非阻塞I/O的模型，即Reactor模式。I/O复用采用linux下的epoll机制。

相关API介绍见最后，先梳理几个写程序的时候想到的问题。

1.1  I/O复用为什么搭配非阻塞I/O？（select/epoll返回可读后还用非阻塞是不是没有意义？）

　　select/epoll返回了可读，并不一定代表能读，在返回可读到调用read函数之间，是有时间间隙的。内核可能把数据丢失，也可能存在比如多个线程监听该socket,

数据被别人读走的情况。所以这里使用非阻塞I/O是有意义的。

可以参考知乎这个问题 https://www.zhihu.com/question/37271342

1.2 epoll的条件触发LT（水平触发）和边缘触发ET区别，如何正确地处理ET模式下的读操作？

简单讲，以读取数据操作举例。条件触发，只要输入缓冲中还有数据，就会以事件方式再次注册；

而边缘触发中仅在输入缓冲收到数据时注册一次该事件（你没读完也epoll_wait也不再返回了）。

所以如果使用边缘触发发生输入相关事件，需要读取输入缓冲中的全部数据。方法是一直读，直到read返回-1,并且变量errno中的值为EAGAIN，说明没有数据可读。

所以在这里再次考虑一下1.1中的问题，epoll如果采用边缘触发，更要使用非阻塞I/O，否则可能就因为无数据可读阻塞整个线程了。

1.3  select与epoll的差别

一个老生常谈的问题，select函数效率低主要有以下两个原因，首先是每次调用select函数时需要向操作系统传递监视对象信息，其次是调用后针对所有文件描述符的循环语句。

第一点对效率的影响更大。

此外，epoll还支持ET模式，而select只支持LT模式。

但select也有优点，比如兼容性好（大多数操作系统支持），在服务端介入者少的情况下仍然可以考虑使用select。

1.4 epoll相关API

// 创建一个epoll句柄，参数size向操作系统建议epoll例程大小
int epoll_create(int size)

/*
函数功能： epoll事件注册函数
参数epfd为epoll的句柄，即epoll_create返回值
参数op表示动作，用3个宏来表示：
　　  EPOLL_CTL_ADD(注册新的fd到epfd)，
　     EPOLL_CTL_MOD(修改已经注册的fd的监听事件)，
　　  EPOLL_CTL_DEL(从epfd删除一个fd)；
　　  其中参数fd为需要监听的标示符；
参数event告诉内核需要监听的事件，event的结构如下：
struct epoll_event {
  __uint32_t events; //Epoll events
  epoll_data_t data; //User data variable
};
其中介绍events是宏的集合，常用的有：
        EPOLLIN：有数据可读
        EPOLLONESHOT：发生一次事件后，相应的文件描述符不再收到事件通知。因此需要向第二个参数传递EPOLL_CTL_MOD再次设置事件。

例如在多线程处理时，如果某个线程在处理fd的同时，又有新的一批数据发来，该fd可读，那么该fd会被分给另一个线程，这样两个线程处理同一个fd肯定就不对了， 
这时用EPOLLONESHOT可以解决。在fd返回可读后，需要显式地设置一下才能让epoll重新返回这个fd。
*/
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event)

// 等待事件的产生，函数返回需要处理的事件数目
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout)

2. Client怎么处理？

Client采用分割读写的方式，开两个进程。父进程负责负责接受数据，子进程负责发送数据。

      if (pid == ) {
        //子进程负责写操作
          write_routine(sock);
      }
      else {
        //父进程负责读操作
          read_routine(sock);
      }  

3. 代码

代码中有详细注释

 //utility.h
 #ifndef UTILITY_H_
 #define UTILITY_H_

 #include <iostream>
 #include <list>
 #include <sys/types.h>
 #include <sys/socket.h>
 #include <netinet/in.h>
 #include <arpa/inet.h>
 #include <sys/epoll.h>
 #include <fcntl.h>
 #include <errno.h>
 #include <unistd.h>
 #include <stdio.h>
 #include <stdlib.h>
 #include <string.h>

 using namespace std;

 // clients_list save all the clients's socket
 list<int> clients_list;

 /**********************   macro defintion **************************/
 // server ip
 #define SERVER_IP "127.0.0.1"

 // server port
 #define SERVER_PORT 8888

 //epoll size
 #define EPOLL_SIZE 5000

 //message buffer size
 #define BUF_SIZE 0xFFFF

 #define SERVER_WELCOME "Welcome you to join the chatroom! Your chat ID is: Client #%d"

 #define SERVER_MESSAGE "ClientID %d say >> %s"

 // exit
 #define EXIT "EXIT"

 #define CAUTION "There is only one int the chatroom!"

 /**********************   some function **************************/
 /**
   *设置非阻塞IO
 **/
 int setnonblocking(int sockfd)
 {
     fcntl(sockfd, F_SETFL, fcntl(sockfd, F_GETFD, )| O_NONBLOCK);
     return ;
 }

 /**
   * 将文件描述符fd添加到epollfd标示的内核事件表中， 并注册EPOLLIN事件，
   * EPOOLET表明是ET工作方式，根据enable_et来判定是否设置边缘触发。
   * 最后将文件描述符设置非阻塞方式
 **/
 void addfd( int epollfd, int fd, bool enable_et )
 {
     struct epoll_event ev;
     ev.data.fd = fd;
     ev.events = EPOLLIN;
     if( enable_et )
         ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;
     epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &ev);
     setnonblocking(fd);
     printf("fd added to epoll!\n\n");
 }

 /**
   * 群发消息
 **/
 int sendBroadcastmessage(int clientfd)
 {
     // buf[BUF_SIZE] receive new chat message
     // message[BUF_SIZE] save format message
     char buf[BUF_SIZE], message[BUF_SIZE];
     bzero(buf, BUF_SIZE);
     bzero(message, BUF_SIZE);

     // receive message
     printf("read from client(clientID = %d)\n", clientfd);
     int len = recv(clientfd, buf, BUF_SIZE, );

     if(len == )  // len = 0 means the client closed connection
     {
         close(clientfd);
         clients_list.remove(clientfd); //server remove the client
         printf("ClientID = %d closed.\n now there are %d client in the chatroom\n", clientfd, (int)clients_list.size());

     }
     else  //broadcast message
     {
         if(clients_list.size() == ) { // this means There is only one int the chatroom
             send(clientfd, CAUTION, strlen(CAUTION), );
             return len;
         }
         // format message to broadcast
         sprintf(message, SERVER_MESSAGE, clientfd, buf);

         list<int>::iterator it;
         for(it = clients_list.begin(); it != clients_list.end(); ++it) {
            if(*it != clientfd){
                 if( send(*it, message, BUF_SIZE, ) <  ) { perror("error"); exit(-);}
            }
         }
     }
     return len;
 }
 #endif // UTILITY_H_

 //Server.cpp

 #include "utility.h"

 int main(int argc, char *argv[])
 {
     //服务器端口号和IP地址
     struct sockaddr_in serverAddr;
     serverAddr.sin_family = PF_INET;
     serverAddr.sin_port = htons(SERVER_PORT);
     serverAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP);
     //创建监听套接字
     int listener = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, );
     if(listener < ) {
         perror("listener"); exit(-);
     }
     printf("listen socket created \n");
     //绑定地址
     if( bind(listener, (struct sockaddr *)&serverAddr, sizeof(serverAddr)) < ) {
         perror("bind error");
         exit(-);
     }
     //listen
     int ret = listen(listener, );
     if(ret < ) {
         perror("listen error");
         exit(-);
     }
     printf("Start to listen: %s\n", SERVER_IP);
     //创建epoll事件表
     int epfd = epoll_create(EPOLL_SIZE);
     if(epfd < ) {
         perror("epfd error");
         exit(-);
     }
     printf("epoll created, epollfd = %d\n", epfd);
     static struct epoll_event events[EPOLL_SIZE];
     //注册监听套接字到epoll事件表
     addfd(epfd, listener, true);
     //main loop
     while()
     {
         //epoll_events_count指明待处理事件数
         int epoll_events_count = epoll_wait(epfd, events, EPOLL_SIZE, -);
         if (epoll_events_count < ) {
             perror("epoll failure");
             break;
         }

         printf("epoll_events_count = %d\n", epoll_events_count);
         //处理事件
         for (int i = ; i < epoll_events_count; ++i)
         {
             int sockfd = events[i].data.fd;
             //sockfd == listener表明有新连接
             if(sockfd == listener)
             {
                 struct sockaddr_in client_address;
                 socklen_t client_addrLength = sizeof(struct sockaddr_in);
                 int clientfd = accept( listener, ( struct sockaddr* )&client_address, &client_addrLength );

                 printf("client connection from: %s : % d(IP : port), clientfd = %d \n",
                         inet_ntoa(client_address.sin_addr), ntohs(client_address.sin_port), clientfd);

                 //把新连接加入epoll事件表中
                 addfd(epfd, clientfd, true);

                 // 把clientfd加入客户连接的list内
                 clients_list.push_back(clientfd);
                 printf("Add new clientfd = %d to epoll\n", clientfd);
                 printf("Now there are %d clients int the chat room\n", (int)clients_list.size());

                 // 想新连接发送欢迎信息
                 printf("welcome message\n");
                 char message[BUF_SIZE];
                 bzero(message, BUF_SIZE);
                 sprintf(message, SERVER_WELCOME, clientfd);
                 int ret = send(clientfd, message, BUF_SIZE, );
                 if(ret < ) {
                     perror("send error");
                     exit(-);
                 }
             }
             //sockfd != listener表明之前的连接发来数据，将数据群发给所有连接对象
             else
             {
                 printf("i got an message");
                 int ret = sendBroadcastmessage(sockfd);
                 if(ret < ) { perror("error");exit(-); }
             }
         }
     }
     close(listener); //close socket
     close(epfd);    //close epoll instance
     return ;
 }

 //Client.cpp

 #include "utility.h"

 void write_routine(int sock);
 void read_routine(int sock);
 int main(int argc, char *argv[])
 {
     //服务器IP和端口
     struct sockaddr_in serverAddr;
     serverAddr.sin_family = PF_INET;
     serverAddr.sin_port = htons(SERVER_PORT);
     serverAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP);

     // create socket
     int sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, );
     if(sock < ) { perror("sock error"); exit(-); }

     // 连接服务器
     if(connect(sock, (struct sockaddr *)&serverAddr, sizeof(serverAddr)) < ) {
         perror("connect error");
         exit(-);
     }
     char buf[BUF_SIZE];
       int str_len = read(sock, buf, BUF_SIZE);
     if (str_len == ) {
         return ;
     }
     buf[str_len] = ;
     printf("%s\n", buf); 

       pid_t pid = fork();
       if (pid == ) {
         //子进程负责写操作
           write_routine(sock);
       }
       else {
         //父进程负责读操作
           read_routine(sock);
       }  

     return ;
 }

 void read_routine(int sock) {
       char buf[BUF_SIZE];
     while() {
         memset(buf, , sizeof(buf));
         int str_len = read(sock, buf, BUF_SIZE);
         if (str_len == ) {
             return;
         }
         buf[str_len] = ;
         printf("%s", buf);
     }
 }

 void write_routine(int sock) {
       char buf[BUF_SIZE];
     while() {
         memset(buf, , sizeof(buf));
         fgets(buf, BUF_SIZE, stdin);
         if (!strcmp(buf, "exit\n")) {
             shutdown(sock, SHUT_WR);
             return;
         }
         write(sock, buf, strlen(buf));
     }
 }