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开发环境： RT-Thread版本：4.1.0 操作系统：Windows10 RT-Thread Studio版本：2.2.3 并发服务器支持多个客户端的同时连接，最大可接入的客户端数取决于内核控制块的个数。当使用Socket API时，要使服务器能够同时支持多个客户端的连接，必须引入多任务机制，为每个连接创建一个单独的任务来处理连接上的数据，多任务可以是多线程或者多进程，这是最常用的并发服务器设计。但是多线程/多进程消耗资源多，处理起来也比较复杂，本文将基于LWIP协议栈的Select/Poll机制实现并发服务器。 1 IO模型概述在具体讲解基于Select/Poll机制实现并发服务器之前，我们需要了解IO的相关概念，所谓IO就是，就是数据的读写，一般分为网络IO（本质就是socket读写）和磁盘IO。 IO模型大致可以分为：同步阻塞、同步非阻塞、异步、信号驱动。
可细分为5种I/O模型： 1）阻塞I/O，进程处于阻塞模式时，让出CPU，进入休眠状态； 2）非阻塞I/O，非阻塞模式的使用并不普遍，因为非阻塞模式会浪费大量的CPU资源； 3）I/O复用(select和poll)，针对批量IP操作时，使用I/O多路复用，非常有好； 4）异步I/O(POSIX的aio_系列函数) 5）信号驱动I/O(SIGIO)一个输入操作通常包括两个不同的阶段： 1）等待数据准备好； 2）从内核向进程复制数据； 对于一个套接字的输入操作，第一步通常涉及等待数据从网络中到达。当所等待分组到达时，它被复制到内核中某个缓冲区。第二步就是把数据从内核缓冲区复制到应用进程缓冲区。 根据上述定义，我们前4种模型----阻塞I/O模型、非阻塞I/O模型、I/O复用模型和信号去驱动I/O模型都是同步I/O模型，因为其中真正的I/O操作（recvfrom）将阻塞进程。只有异步I/O模型与POSIX定义的异步I/O相匹配。 本文的要将的I/O复用，本质就是select/poll机制。因此，其他IO有兴趣可以去了解。 2 Select/Poll概述在LWIP中，如果要实现并发服务器，可以基于Sequentaial API来实现，这种方式需要使用多线程，也就是为每个连接创建一个线程来处理数据。而在资源受限的嵌入式设备来说，如果为每个连接都创建一个线程，这种资源的消耗是巨大的，因此，我们需要换一种实现思路，也就是使用IO多路复用的机制来实现，也就是select机制。 Select/Poll则是POSIX所规定，一般操作系统或协议栈均有实现。 值得注意的是，poll和select都是基于内核函数sys_poll实现的，不同在于在Linux系统中select是从BSDUnix系统继承而来，poll则是从SystemV Unix系统继承而来，因此两种方式相差不大。poll函数没有最大文件描述符数量的限制。poll和 select与一样，大量文件描述符的数组被整体复制于用户和内核的地址空间之间，开销随着文件描述符数量的增加而线性增大。 1.Select函数 在BSD Socket 中，select函数原型如下： int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,fd_set *exceptfds，struct timeval *timeout); 【参数说明】 l nfds：select监视的文件句柄数，一般设为要监视各文件中的最大文件描述符值加1。 l readfds：文件描述符集合监视文件集中的任何文件是否有数据可读，当select函数返回的时候，readfds将清除其中不可读的文件描述符，只留下可读的文件描述符。 l writefds：文件描述符集合监视文件集中的任何文件是否有数据可写，当select函数返回的时候，writefds将清除其中不可写的文件描述符，只留下可写的文件描述符。 l exceptfds：文件集将监视文件集中的任何文件是否发生错误，可用于其他的用途，例如，监视带外数据OOB，带外数据使用MSG_OOB标志发送到套接字上。当select函数返回的时候，exceptfds将清除其中的其他文件描述符，只留下标记有OOB数据的文件描述符。 l timeout 参数是一个指向 struct timeval 类型的指针，它可以使 select()在等待 timeout 时间后若没有文件描述符准备好则返回。其timeval结构用于指定这段时间的秒数和微秒数。它可以使select处于三种状态： (1) 若将NULL以形参传入，即不传入时间结构，就是将select置于阻塞状态，一定等到监视文件描述符集合中某个文件描述符发生变化为止； (2) 若将时间值设为0秒0毫秒，就变成一个纯粹的非阻塞函数，不管文件描述符是否有变化，都立刻返回继续执行，文件无变化返回0，有变化返回一个正值； (3) timeout的值大于0，这就是等待的超时时间，即select在timeout时间内阻塞，超时时间之内有事件到来就返回了，否则在超时后不管怎样一定返回，返回值同上述。 timeval 结构体定义 struct timeval { int tv_sec;/* 秒 */ int tv_usec;/* 微妙 */ }; 【返回值】 l int：若有就绪描述符返回其数目，若超时则为0，若出错则为-1 下列操作用来设置、清除、判断文件描述符集合。 FD_ZERO(fd_set*set);//清除一个文件描述符集。 FD_SET(intfd,fd_set *set);//将一个文件描述符加入文件描述符集中。 FD_CLR(intfd,fd_set *set);//将一个文件描述符从文件描述符集中清除。 FD_ISSET(intfd,fd_set *set);//判断文件描述符是否被置位 fd_set可以理解为一个集合，这个集合中存放的是文件描述符(file descriptor)，即文件句柄。中间的三个参数指定我们要让内核测试读、写和异常条件的文件描述符集合。如果对某一个的条件不感兴趣，就可以把它设为空指针。 select()的机制中提供一种fd_set的数据结构，实际上是一个long类型的数组，每一个数组元素都能与打开的文件句柄（不管是Socket句柄，还是其他文件或命名管道或设备句柄）建立联系，建立联系的工作由程序员完成，当调用select()时，由内核根据IO状态修改fd_set的内容，由此来通知执行了select()的进程哪一Socket或文件可读。 2.Poll函数 poll的函数原型： int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout); 【参数说明】 l fds：fds是一个struct pollfd类型的数组，用于存放需要检测其状态的socket描述符，并且调用poll函数之后fds数组不会被清空；一个pollfd结构体表示一个被监视的文件描述符，通过传递fds指示 poll() 监视多个文件描述符。 struct pollfd原型如下： typedef struct pollfd { int fd; // 需要被检测或选择的文件描述符 short events; // 对文件描述符fd上感兴趣的事件 short revents; // 文件描述符fd上当前实际发生的事件 } pollfd_t; 其中，结构体的events域是监视该文件描述符的事件掩码，由用户来设置这个域，结构体的revents域是文件描述符的操作结果事件掩码，内核在调用返回时设置这个域。 l nfds：记录数组fds中描述符的总数量。 l timeout：指定等待的毫秒数，无论 I/O 是否准备好，poll() 都会返回，和select函数是类似的。 【返回值】 l int：函数返回fds集合中就绪的读、写，或出错的描述符数量，返回0表示超时，返回-1表示出错； poll改变了文件描述符集合的描述方式，使用了pollfd结构而不是select的fd_set结构，使得poll支持的文件描述符集合限制远大于select的1024。这也是和select不同的地方。 3并发服务器实现3.1网络配置1.使能ETH 2.使能LWIP协议栈 默认配置就行。 3.使能网络接口 这样就可在命令行使用功能ping、ifconfig等功能。 4.使能套接字抽象层 然后保存就可以了。 3.2 Select实现并发服务器接下来将使用select/poll来实现并发服务器。这里以select为例。 select并发服务器模型： socket(...); // 创建套接字 bind(...); // 绑定 listen(...); // 监听 while(1) { if(select(...) > 0) // 检测监听套接字是否可读 { if(FD_ISSET(...)>0) // 套接字可读，证明有新客户端连接服务器 { accpet(...);// 取出已经完成的连接 process(...);// 处理请求，反馈结果 } } close(...); // 关闭连接套接字：accept()返回的套接字 } 因此，基于select实现的并发服务器模型如下： 从流程上来看，使用select函数进行IO请求和同步阻塞模型没有太大的区别，甚至还多了添加监视socket，以及调用select函数的额外操作，效率更差。但是，使用select以后最大的优势是用户可以在一个线程内同时处理多个socket的IO请求。用户可以注册多个socket，然后不断地调用select读取被激活的socket，即可达到在同一个线程内同时处理多个IO请求的目的。而在同步阻塞模型中，必须通过多线程的方式才能达到这个目的。 Server： /** ****************************************************************************** * @date 2022-05-30 * @blog *** ****************************************************************************** */ #include #include #include #include #include #defineSERVER_PORT 8888 #defineBUFF_SIZE 1024 static char recvbuff[BUFF_SIZE]; static void net_server_thread_entry(void *parameter) { int sfd, cfd, maxfd, i, nready, n; struct sockaddr_in server_addr, client_addr; struct netdev *netdev = RT_NULL; char sendbuff[] = "Hello client!"; socklen_t client_addr_len; fd_set all_set, read_set; //FD_SETSIZE里面包含了服务器的fd int clientfds[FD_SETSIZE - 1]; /* 通过名称获取 netdev 网卡对象 */ netdev = netdev_get_by_name((char*)parameter); if (netdev == RT_NULL) { rt_kprintf("get network interface device(%s)failed.n", (char*)parameter); } //创建socket if ((sfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0))< 0) { rt_kprintf("Socket create failed.n"); } server_addr.sin_family = AF_INET; server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT); //server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); /* 获取网卡对象中 IP 地址信息 */ server_addr.sin_addr.s_addr = netdev->ip_addr.addr; //绑定socket if (bind(sfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(struct sockaddr)) < 0) { rt_kprintf("socket bind failed.n"); closesocket(sfd); } rt_kprintf("socket bind network interfacedevice(%s) success!n", netdev->name); //监听socket if(listen(sfd, 5) == -1) { rt_kprintf("listen error"); } else { rt_kprintf("listening...n"); } client_addr_len = sizeof(client_addr); //初始化 maxfd 等于 sfd maxfd = sfd; //清空fdset FD_ZERO(&all_set); //把sfd文件描述符添加到集合中 FD_SET(sfd, &all_set); //初始化客户端fd的集合 for(i = 0; i < FD_SETSIZE -1 ; i++) { //初始化为-1 clientfds = -1; } while(1) { //每次select返回之后，fd_set集合就会变化，再select时，就不能使用， //所以我们要保存设置fd_set 和 读取的fd_set read_set = all_set; nready = select(maxfd + 1,&read_set, NULL, NULL, NULL); //没有超时机制，不会返回0 if(nready < 0) { rt_kprintf("select error rn"); } //判断监听的套接字是否有数据 if(FD_ISSET(sfd, &read_set)) { //有客户端进行连接了 cfd = accept(sfd, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_addr_len); if(cfd < 0) { rt_kprintf("accept socketerrorrn"); //继续select continue; } rt_kprintf("new client connect fd =%drn", cfd); //把新的cfd 添加到fd_set集合中 FD_SET(cfd, &all_set); //更新要select的maxfd maxfd = (cfd > maxfd)?cfd:maxfd; //把新的cfd 保存到cfds集合中 for(i = 0; i < FD_SETSIZE -1 ; i++) { if(clientfds == -1) { clientfds = cfd; //退出，不需要添加 break; } } //没有其他套接字需要处理：这里防止重复工作，就不去执行其他任务 if(--nready == 0) { //继续select continue; } } //遍历所有的客户端文件描述符 for(i = 0; i < FD_SETSIZE -1 ; i++) { if(clientfds == -1) { //继续遍历 continue; } //判断是否在fd_set集合里面 if(FD_ISSET(clientfds, &read_set)) { n = recv(clientfds,recvbuff, sizeof(recvbuff), 0); rt_kprintf("clientfd %d: %s rn",clientfds, recvbuff); if(n <= 0) { //从集合里面清除 FD_CLR(clientfds,&all_set); //当前的客户端fd 赋值为-1 clientfds = -1; } else { //写回客户端 n = send(clientfds,sendbuff, strlen(sendbuff), 0); if(n < 0) { //从集合里面清除 FD_CLR(clientfds,&all_set); //当前的客户端fd 赋值为-1 clientfds = -1; } } } } } } static int server(int argc, char **argv) { rt_err_t ret = RT_EOK; if (argc != 2) { rt_kprintf("bind_test [netdev_name] --bind network interface device byname.n"); return -RT_ERROR; } /* 创建 serial 线程 */ rt_thread_t thread = rt_thread_create("server", net_server_thread_entry, argv[1], 4096, 10, 10); /* 创建成功则启动线程 */ if (thread != RT_NULL) { rt_thread_startup(thread); } else { ret = RT_ERROR; } return ret; } #ifdefFINSH_USING_MSH #include MSH_CMD_EXPORT(server,network interface device test); #endif /* FINSH_USING_MSH */ Client：【Linux版】 #include #include #include #include #include #include #include #include #include #define SERVPORT 8888 int main(int argc,char *argv[]) { char sendbuf[] = "Client1 : HelloRtthread!"; char recvbuf[2014]; int sockfd,sendbytes; struct sockaddr_in serv_addr;//需要连接的服务器地址信息 if (argc != 2) { perror("init error"); } //1.创建socket //AF_INET 表示IPV4 //SOCK_STREAM 表示TCP if((sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))< 0) { perror("socket"); exit(1); } //填充服务器地址信息 serv_addr.sin_family = AF_INET; //网络层的IP协议: IPV4 serv_addr.sin_port = htons(SERVPORT); //传输层的端口号 serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]); //网络层的IP地址: 实际的服务器IP地址 bzero(&(serv_addr.sin_zero),8); //保留的8字节置零 //2.发起对服务器的连接信息 //三次握手,需要将sockaddr_in类型的数据结构强制转换为sockaddr if((connect(sockfd,(struct sockaddr*)&serv_addr,sizeof(struct sockaddr))) < 0) { perror("connect failed!"); exit(1); } printf("connect successful! n"); //3.发送消息给服务器端 while (1) { send(sockfd, sendbuf, strlen(sendbuf),0); recv(sockfd, recvbuf, sizeof(recvbuf),0); printf("Server: %s n", recvbuf); sleep(2); } //4.关闭 close(sockfd); } Client：【RT-Thread版】 /** ****************************************************************************** * @file client.c * @author BruceOu * @version V1.0 * @date 2022-05-30 * @Official Accounts 嵌入式实验楼 * @brief 客户端 ****************************************************************************** */ #include #include #include #include #include #define SERVER_HOST "192.168.101.8" #define SERVER_PORT 8888 static int client(int argc, char**argv) { struct sockaddr_in client_addr; struct sockaddr_in server_addr; struct netdev *netdev = RT_NULL; int sockfd = -1; char sendbuf[] = "Hello RT-Thread!rn"; char recvbuf[2014]; if (argc != 2) { rt_kprintf("bind_test[netdev_name] --bind network interfacedevice by name.n"); return -RT_ERROR; } /* 通过名称获取 netdev 网卡对象 */ netdev = netdev_get_by_name(argv[1]); if (netdev == RT_NULL) { rt_kprintf("get network interfacedevice(%s) failed.n", argv[1]); return -RT_ERROR; } if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM,0)) < 0) { rt_kprintf("Socket createfailed.n"); return -RT_ERROR; } /* 初始化需要绑定的客户端地址 */ client_addr.sin_family = AF_INET; client_addr.sin_port = htons(8080); /* 获取网卡对象中 IP 地址信息 */ client_addr.sin_addr.s_addr =netdev->ip_addr.addr; rt_memset(&(client_addr.sin_zero), 0,sizeof(client_addr.sin_zero)); if (bind(sockfd, (struct sockaddr*)&client_addr, sizeof(struct sockaddr)) < 0) { rt_kprintf("socket bindfailed.n"); closesocket(sockfd); return -RT_ERROR; } rt_kprintf("socket bind networkinterface device(%s) success!n", netdev->name); /* 初始化预连接的服务端地址 */ server_addr.sin_family = AF_INET; server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT); server_addr.sin_addr.s_addr =inet_addr(SERVER_HOST); rt_memset(&(server_addr.sin_zero), 0,sizeof(server_addr.sin_zero)); /* 连接到服务端 */ if (connect(sockfd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(struct sockaddr)) < 0) { rt_kprintf("socket connectfailed!n"); closesocket(sockfd); return -RT_ERROR; } else { rt_kprintf("socket connectsuccess!n"); } while (1) { send(sockfd, sendbuf, strlen(sendbuf),0); recv(sockfd, recvbuf, sizeof(recvbuf),0); fputs(recvbuf, stdout); memset(recvbuf, 0, sizeof(recvbuf)); rt_thread_mdelay(500); } /* 关闭连接 */ closesocket(sockfd); return RT_EOK; } #ifdef FINSH_USING_MSH #include MSH_CMD_EXPORT(client, networkinterface device test); #endif /* FINSH_USING_MSH */ 接下来就是验证了，现在CH32V307开发板上开启服务器。 Server： 然后开启客户端，笔者的客户端在Ubuntu上运行的： Client： 笔者这里使用的客户端只有两个，有兴趣的也可以使用多个客户端。 当然啦，如果懒得写客户端，也可使用网络调试助手测试。 附：CH32V307配置Flash和RAMCH32V307默认Flash大小为256 KB，SRAM大小为64 KB。 但是在实际过程中SRAM大小不够用，因此就需要重新规划，根据应用手册，其Flash和SRAM的大小支持配置，具体配置项如下： l 192 KB Flash +128 KB SRAM l 224 KB Flash + 96KB SRAM l 256 KB Flash + 54KB SRAM l 288 KB Flash + 32KB SRAM 具体方法如下： 第一步：切换启动模式，BOOT0 = 1，BOOT1 = 0
第二步：通过WCHISPTool工具下载程序，这里需要根据需求选择相应的配置方案。 【注】如果烧写不成功，可以尝试点击‘解除保护’。 第三步：切换启动模式，BOOT0 = 0，BOOT1 = 0，复位即可运行程序。 CH32V307开发板的USB2.0接口以及BOOT如下图所示：
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