linux網絡編程之socket（十一）套接字I/O超時設置方法和用select實現超時

一、使用alarm 函數設置超時

void handler(int sig)
{
}
signal(SIGALRM, handler);
    
alarm(5);
int ret = read(fd, buf, sizeof(buf));
if (ret == -1 && errno == EINTR)
    errno = ETIMEOUT;
else if (ret >= 0)
    alarm(0);
.................

程序大概框架如上所示，如果read在5s內被SIGALRM信號中斷而返回，則表示超時，否則未超 時已讀取到數據，取消鬧鐘。但這種方法不常用，因為有時可能在其他地方使用了alarm會造成混亂。

二、使用套接 字選項SO_SNDTIMEO、SO_RCVTIMEO

setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_RCVTIMEO, 5);
    
int ret = read(sock, buf, sizeof(buf));
if (ret == -1 && errno == EWOULDBLOCK)
    errno = ETIMEOUT;
..........

即使用setsockopt 函數進行設置，但這種方法可移植性比較差，不是每種系統實現都有這些選項。

三、使用select 實現超時

下面程序包含read_timeout、write_timeout、accept_timeout、 connect_timeout 四個函數封裝

/*************************************************************************
    > File Name: sysutil.c
    > Author: Simba
    > Mail: [email protected]
    > Created Time: Sat 02 Mar 2013 10:53:06 PM CST
 ************************************************************************/
    
#include "sysutil.h"
    
/* read_timeout - 讀超時檢測函數，不含讀操作
 * fd:文件描述符
 * wait_seconds:等待超時秒數， 如果為0表示不檢測超時；
 * 成功（未超時）返回0，失敗返回-1，超時返回-1並且errno = ETIMEDOUT
 */
    
int read_timeout(int fd, unsigned int wait_seconds)
{
    int ret = 0;
    if (wait_seconds > 0)
    {
    
        fd_set read_fdset;
        struct timeval timeout;
    
        FD_ZERO(&read_fdset);
        FD_SET(fd, &read_fdset);
    
        timeout.tv_sec = wait_seconds;
        timeout.tv_usec = 0;
    
        do
        {
            ret = select(fd + 1, &read_fdset, NULL, NULL, &timeout); //select會阻塞直到檢測到事件或者超時
            // 如果select檢測到可讀事件發送，則此時調用read不會阻塞
        }
        while (ret < 0 && errno == EINTR);
    
        if (ret == 0)
        {
            ret = -1;
            errno = ETIMEDOUT;
        }
        else if (ret == 1)
            return 0;
    
    }
    
    return ret;
}
    
/* write_timeout - 寫超時檢測函數，不含寫操作
 * fd:文件描述符
 * wait_seconds:等待超時秒數， 如果為0表示不檢測超時；
 * 成功（未超時）返回0，失敗返回-1，超時返回-1並且errno = ETIMEDOUT
 */
    
int write_timeout(int fd, unsigned int wait_seconds)
{
    int ret = 0;
    if (wait_seconds > 0)
    {
    
        fd_set write_fdset;
        struct timeval timeout;
    
        FD_ZERO(&write_fdset);
        FD_SET(fd, &write_fdset);
    
        timeout.tv_sec = wait_seconds;
        timeout.tv_usec = 0;
    
        do
        {
            ret = select(fd + 1, NULL, &write_fdset, NULL, &timeout);
        }
        while (ret < 0 && errno == EINTR);
    
        if (ret == 0)
        {
            ret = -1;
            errno = ETIMEDOUT;
        }
        else if (ret == 1)
            return 0;
    
    }
    
    return ret;
}
    
/* accept_timeout - 帶超時的accept
 * fd: 套接字
 * addr: 輸出參數，返回對方地址
 * wait_seconds: 等待超時秒數，如果為0表示正常模式
 * 成功（未超時）返回已連接套接字，失敗返回-1，超時返回-1並且errno = ETIMEDOUT
 */
    
int accept_timeout(int fd, struct sockaddr_in *addr, unsigned int wait_seconds)
{
    int ret;
    socklen_t addrlen = sizeof(struct sockaddr_in);
    
    if (wait_seconds > 0)
    {
    
        fd_set accept_fdset;
        struct timeval timeout;
        FD_ZERO(&accept_fdset);
        FD_SET(fd, &accept_fdset);
    
        timeout.tv_sec = wait_seconds;
        timeout.tv_usec = 0;
    
        do
        {
            ret = select(fd + 1, &accept_fdset, NULL, NULL, &timeout);
        }
        while (ret < 0 && errno == EINTR);
    
        if (ret == -1)
            return -1;
        else if (ret == 0)
        {
            errno = ETIMEDOUT;
            return -1;
        }
    }
    
    if (addr != NULL)
        ret = accept(fd, (struct sockaddr *)addr, &addrlen);
    else
        ret = accept(fd, NULL, NULL);
    if (ret == -1)
        ERR_EXIT("accpet error");
    
    return ret;
}
    
/* activate_nonblock - 設置IO為非阻塞模式
 * fd: 文件描述符
 */
void activate_nonblock(int fd)
{
    int ret;
    int flags = fcntl(fd, F_GETFL);
    if (flags == -1)
        ERR_EXIT("fcntl error");
    
    flags |= O_NONBLOCK;
    ret = fcntl(fd, F_SETFL, flags);
    if (ret == -1)
        ERR_EXIT("fcntl error");
}
    
/* deactivate_nonblock - 設置IO為阻塞模式
 * fd: 文件描述符
 */
void deactivate_nonblock(int fd)
{
    int ret;
    int flags = fcntl(fd, F_GETFL);
    if (flags == -1)
        ERR_EXIT("fcntl error");
    
    flags &= ~O_NONBLOCK;
    ret = fcntl(fd, F_SETFL, flags);
    if (ret == -1)
        ERR_EXIT("fcntl error");
}
    
/* connect_timeout - 帶超時的connect
 * fd: 套接字
 * addr: 輸出參數，返回對方地址
 * wait_seconds: 等待超時秒數，如果為0表示正常模式
 * 成功（未超時）返回0，失敗返回-1，超時返回-1並且errno = ETIMEDOUT
 */
int connect_timeout(int fd, struct sockaddr_in *addr, unsigned int wait_seconds)
{
    int ret;
    socklen_t addrlen = sizeof(struct sockaddr_in);
    
    if (wait_seconds > 0)
        activate_nonblock(fd);
    
    ret = connect(fd, (struct sockaddr *)addr, addrlen);
    if (ret < 0 && errno == EINPROGRESS)
    {
    
        fd_set connect_fdset;
        struct timeval timeout;
        FD_ZERO(&connect_fdset);
        FD_SET(fd, &connect_fdset);
    
        timeout.tv_sec = wait_seconds;
        timeout.tv_usec = 0;
    
        do
        {
            /* 一旦連接建立，套接字就可寫 */
            ret = select(fd + 1, NULL, &connect_fdset, NULL, &timeout);
        }
        while (ret < 0 && errno == EINTR);
    
        if (ret == 0)
        {
            errno = ETIMEDOUT;
            return -1;
        }
        else if (ret < 0)
            return -1;
    
        else if (ret == 1)
        {
            /* ret返回為1，可能有兩種情況，一種是連接建立成功，一種是套接字產生錯誤
             * 此時錯誤信息不會保存至errno變量中（select沒出錯）,因此，需要調用
             * getsockopt來獲取 */
            int err;
            socklen_t socklen = sizeof(err);
            int sockoptret = getsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_ERROR, &err, &socklen);
            if (sockoptret == -1)
                return -1;
            if (err == 0)
                ret = 0;
            else
            {
                errno = err;
                ret = -1;
            }
        }
    }
    
    if (wait_seconds > 0)
        deactivate_nonblock(fd);
    
    
    return ret;
}

下面來解析一下這些函數的封裝：

1、read_timeout ：如注釋所寫，這只是讀超時檢測函數，並不包含 讀操作，如果從此函數成功返回，則此時調用read將不再阻塞，測試代碼可以這樣寫：

int ret;
ret = read_timeout(fd, 5);
if (ret == 0)
    read(fd, buf, sizeof(buf));
else if (ret == -1 && errno == ETIMEOUT)
    printf("timeout...\n");
else
    ERR_EXIT("read_timeout");

如果 read_timeout(fd, 0); 則表示不檢測超時，函數直接返回為0，此時再調用read 將會阻塞。

當 wait_seconds 參數大於0，則進入if 括號執行，將超時時間設置為select函數的超時時間結構體，select會阻塞直到檢測 到事件發生或者超時。如果select返回-1且errno 為EINTR，說明是被信號中斷，需要重啟select；如果select返回0表示超 時；如果select返回1表示檢測到可讀事件；否則select返回-1 表示出錯。

2、write_timeout ：此函數跟 read_timeout 函數類似，只是select 關心的是可寫事件，不再贅述。

3、accept_timeout ：此函數是帶超時的 accept 函數，如果能從if (wait_seconds > 0) 括號執行後向下執行，說明select 返回為1，檢測到已連接隊列不為空 ，此時再調用accept 不再阻塞，當然如果wait_seconds == 0 則像正常模式一樣，accept 阻塞等待，注意，accept 返回 的是已連接套接字。

4、connect_timeout ：在調用connect前需要使用fcntl 函數將套接字標志設置為非阻塞，如 果網絡環境很好，則connect立即返回0，不進入if 大括號執行；如果網絡環境擁塞，則connect返回-1且errno == EINPROGRESS，表示正在處理。此後調用select與前面3個函數類似，但這裡關注的是可寫事件，因為一旦連接建立，套接字 就可寫。還需要注意的是當select 返回1，可能有兩種情況，一種是連接成功，一種是套接字產生錯誤，由這裡可知，這兩 種情況都會產生可寫事件，所以需要使用getsockopt來獲取一下。退出之前還需重新將套接字設置為阻塞。

我們可 以寫個小程序測試一下connect_timeout 函數，客戶端程序如下：

#include "sysutil.h"
    
int main(void)
{
    int sock;
    if ((sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP)) < 0)
        ERR_EXIT("socket");
    
    struct sockaddr_in servaddr;
    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_port = htons(5188);
    servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
    
    
    int ret = connect_timeout(sock, &servaddr, 5);
    if (ret == -1 && errno == ETIMEDOUT)
    {
        printf("timeout...\n");
        return 1;
    }
    else if (ret == -1)
        ERR_EXIT("connect_timeout");
    
    struct sockaddr_in localaddr;
    socklen_t addrlen = sizeof(localaddr);
    if (getsockname(sock, (struct sockaddr *)&localaddr, &addrlen) < 0)
        ERR_EXIT("getsockname");
    
    printf("ip=%s port=%d\n", inet_ntoa(localaddr.sin_addr), ntohs(localaddr.sin_port));
    
    
    return 0;
}

因為是在本機上測試，所以不會出現超時的情況，但出錯的情況還是可以看到的，比如不要啟動服務器端程序，而直接 啟動客戶端程序，輸出如下：

simba@ubuntu:~/Documents/code/linux_programming/UNP/socket$ ./echocli_timeout

connect_timeout: Connection refused

很明顯是connect_timeout 函數返回了-1 ，我們也可以推算出connect_timeout 函數中，select返回1，但卻是套接字發生錯誤的情況，errno = ECONNREFUSED，所 以打印出Connection refused。