1--标准I/O

1-1--标准I/O的优缺点

标准 I/O 函数的优点：

① 具有良好的移植性：为了支持所有操作系统（编译器），标准 I/O 函数均按照 ANSI C 标准定义的；

② 利用 I/O 缓冲提高性能：通过缓冲区缓存数据，再进行一次完整的数据收发，减少数据移动的次数；

标准 I/O 函数的缺点：

① 不容易进行双向通信；

② 需要频繁调用 fflush 函数来刷新缓冲区；

③ 需要以 FILE 结构体指针的形式返回文件描述符：标准 I/O 函数操作的对象是 FILE 结构体指针，因此需要将文件描述符转换为 FILE 指针；

1-2--FILE 指针和文件描述符的转换

利用 fdopen() 函数将文件描述符转换为 FILE*；

#include <stdio.h>
FILE* fdopen(int fildes, const char* mode);
// 成功时返回转换的 FILE 结构体指针，失败时返回 NULL
// fildes 表示需要转换的文件描述符
// mode 表示将要创建的 FILE* 的模式信息，常用的模式有读模式 "r" 和写模式 "w"

// gcc desto.c -o desto
// ./desto #include <stdio.h>
#include <fcntl.h>int main(void){FILE* fp;int fd = open("data.dat", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC); // 打开data.dat文件，返回其文件描述符if(fd == -1){fputs("file open error", stdout);return -1;}fp = fdopen(fd, "w"); // 文件描述符转换为 FILE*fputs("Network C programming \n", fp); // 通过标准 I/O 函数向 FILE* 指向的文件写数据fclose(fp); // 通过标准 I/O 函数关闭文件return 0;
}

利用 fileno() 函数将 FILE* 转换为文件描述符；

#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

// gcc todes.c -o todes
// ./todes#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>int main(void){FILE* fp;int fd = open("data.dat", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC); // 返回文件描述符if(fd == -1){fputs("file open error", stdout);return -1;}printf("First file descriptor: %d \n", fd);fp = fdopen(fd, "w"); // 文件描述符转换为 FILE*fputs("TCP/IP SOCKET PROGRAMMING \n", fp);printf("Second file descriptor: %d \n", fileno(fp)); // FILE* 转换为文件描述符fclose(fp);return 0;
}

1-3--基于Socket的标准I/O函数使用

Socket 也有对应的文件描述符，因此可以使用 fdopen() 函数将文件描述符转换为 FILE*，进而使用标准 I/O 函数；

回声服务端：

// gcc echo_stdserv.c -o echo_stdserv
// ./echo_stdserv 9190#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){fputs(message, stderr);fputc('\n', stderr);exit(1);
}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(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", i+1);}readfp = fdopen(clnt_sock, "r"); // 读模式，socket文件描述符转换为 FILE*writefp = fdopen(clnt_sock, "w"); // 写模式，socket文件描述符转换为 FILE*while(!feof(readfp)){fgets(message, BUF_SIZE, readfp); // 调用标准I/O进行读写fputs(message, writefp);fflush(writefp); // 刷新缓冲区}close(serv_sock);return 0;}
}

回声客户端：

// gcc echo_client.c -o echo_client
// ./echo_client 127.0.0.1 9190#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){fputs(message, stderr);fputc('\n', stderr);exit(1);
}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"); // 读模式，socket文件描述符转换为 FILE*writefp = fdopen(sock, "w"); // 写模式，socket文件描述符转换为 FILE*while(1){fputs("Input message(Q to quit): ", stdout);fgets(message, BUF_SIZE, stdin);if(!strcmp(message, "q\n") || !strcmp(message, "Q\n")){break;}fputs(message, writefp); // 调用标准I/O进行读写fflush(writefp);fgets(message, BUF_SIZE, readfp);printf("Message from server: %s", message);}fclose(writefp);fclose(readfp);return 0;
}

运行结果：

2--I/O流分离

分离 I/O 流的目的：

① 为了将 FILE 指针按读模式和写模式加以区分；

② 可以通过区分读写模式降低实现难度；

③ 通过区分 I/O 缓冲提高缓冲性能；

2-1--文件描述符的复制和半关闭

当多个 FILE 指针都是基于同一个文件描述符创建时，针对任意一个 FILE 指针调用 fclose() 函数都会关闭文件描述符，同时终结对应的 socket；

以下代码实例展示了当服务器端 fclose() 掉 FILE 指针同时终结 socket 时，客户端的消息无法顺利发送到服务器端；

// gcc seq_serv.c -o seq_serv
// ./seq_serv 9190#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>#define BUF_SIZE 1024int main(int argc, char *argv[]){int serv_sock, clnt_sock;FILE* readfp;FILE* writefp;struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;socklen_t clnt_adr_sz;char buf[BUF_SIZE] = {0,};serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);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]));bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr));listen(serv_sock, 5);clnt_adr_sz = sizeof(clnt_adr);clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr*)&clnt_adr, &clnt_adr_sz);readfp = fdopen(clnt_sock, "r"); // 基于同一个socket文件描述符的 FILE*writefp = fdopen(clnt_sock, "w");fputs("FROM SERVER: Hi~ client? \n", writefp);fputs("I Love all of the world \n", writefp);fputs("You are awesome! \n", writefp);fflush(writefp);fclose(writefp); // 关闭 writefp，会终止 socket，同时向客户端发送 EOFfgets(buf, sizeof(buf), readfp);fputs(buf, stdout);fclose(readfp);return 0;
}

// gcc seq_clnt.c -o seq_clnt
// ./seq_clnt 127.0.0.1 9190#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>#define BUF_SIZE 1024int main(int argc, char *argv[]){int sock;char buf[BUF_SIZE];struct sockaddr_in serv_adr;FILE* readfp;FILE* writefp;sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);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]));connect(sock, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr));readfp = fdopen(sock, "r"); // 基于同一个socket文件描述符的 FILE*writefp = fdopen(sock, "w");while(1){if(fgets(buf, sizeof(buf), readfp) == NULL){ // 客户端收到 EOF 终止循环break;}fputs(buf, stdout);fflush(stdout);}// 由于服务器端关闭了 socket，因此该消息无法发送到服务器端fputs("FROM CLIENT: Thank you! \n", writefp); fflush(writefp);fclose(writefp);fclose(readfp);return 0;
}

销毁所有文件描述符后才能销毁 socket，因此通过复制文件描述符，利用各自的文件描述符生成读写模式的 FILE*，可以避免上述情况；

复制文件描述符的两个常用函数：dup() 和 dup2()；这里的复制可以理解为：为了访问同一文件或 socket，创建另一个文件描述符；

#include <unistd.h>
int dup(int fildes);
int dup2(int fildes, int fildes2);
// 成功时返回复制的文件描述符，失败时返回 -1
// fildes 表示需要复制的文件描述符
// fildes2 表示复制后，新生成的文件描述符数值

// gcc dup.c -o dup
// ./dup#include <stdio.h>
#include <unistd.h>int main(int argc, char* argv[]){int cfd1, cfd2;char str1[] = "Hi~ \n";char str2[] = "It's nice day~ \n";cfd1 = dup(1); // 复制标准输出cfd2 = dup2(cfd1, 7); // 复制标准输出，指定生成的文件描述符 cfd2 为 7printf("fd1=%d, fd2=%d \n", cfd1, cfd2);write(cfd1, str1, sizeof(str1)); // 写到标准输出write(cfd2, str2, sizeof(str2));close(cfd1); // 关闭复制的文件描述符close(cfd2);write(1, str1, sizeof(str1)); // 还能输出，因为文件描述符1还没关闭close(1);write(1, str2, sizeof(str2)); // 不能输出return 0;
}

2-2--复制文件描述符实现 I/O 流的分离

为了解决以下问题并实现 I/O 流的分离：

当多个 FILE 指针都是基于同一个文件描述符创建时，针对任意一个 FILE 指针调用 fclose() 函数都会关闭文件描述符，同时终结对应的 socket；

通过复制文件描述符，再分离 I/O 流，实现服务器端的半关闭；

调用 shutdown() 函数时，无论复制出了多少个文件描述符，服务器端都会进入半关闭状态；

// gcc seq_serv2.c -o seq_serv2
// ./seq_serv2 9190#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>#define BUF_SIZE 1024int main(int argc, char *argv[]){int serv_sock, clnt_sock;FILE* readfp;FILE* writefp;struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;socklen_t clnt_adr_sz;char buf[BUF_SIZE] = {0,};serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);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]));bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr));listen(serv_sock, 5);clnt_adr_sz = sizeof(clnt_adr);clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr*)&clnt_adr, &clnt_adr_sz);readfp = fdopen(clnt_sock, "r"); writefp = fdopen(dup(clnt_sock), "w"); // 复制文件描述符后，再创建写模式的 FILE*，实现 I/O 流分离fputs("FROM SERVER: Hi~ client? \n", writefp);fputs("I Love all of the world \n", writefp);fputs("You are awesome! \n", writefp);fflush(writefp);shutdown(fileno(writefp), SHUT_WR); // 设置半关闭，向客户端发送 EOFfclose(writefp); // 关闭 writefp，会终止 socket，同时向客户端发送 EOF// 此时不会导致 socket 的关闭，因为还有一个文件描述符fgets(buf, sizeof(buf), readfp);fputs(buf, stdout);fclose(readfp);return 0;
}