linux网络编程之socket（十一）：套接字I/O超时设置方法和用select实现超时
linux网络编程之socket（十一）：套接字I/O超时设置方法和用select实现超时
注：如无特殊说明，sockfd 原始状态都是阻塞的。
一、使用alarm 函数设置超时
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内被SIGALRM信号中断而返回，则表示超时，否则未超时已读取到数据，取消闹钟。但这种方法不常用，因为有时可能在其他地方使用了alarm会造成混乱。
二、使用套接字选项SO_SNDTIMEO、SO_RCVTIMEO
struct timeval timeout = {3,0};
setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_RCVTIMEO, (char *)&timeout, sizeof(struct timeval));
int ret = read(sock, buf, sizeof(buf));
if (ret == -1 && errno == EWOULDBLOCK)
errno = ETIMEOUT;
..........即使用setsockopt 函数进行设置，但这种方法可移植性比较差，不是每种系统实现都有这些选项。
三、使用select 实现超时
下面程序包含read_timeout、write_timeout、accept_timeout、connect_timeout 四个函数封装
/*************************************************************************
> File Name: sysutil.c
> Author: Simba
> Mail: dameng34@163.com
> Created Time: Sat 02 Mar 2013 10:53:06 PM CST
************************************************************************/
#include "sysutil.h"
/* read_timeout - 读超时检测函数，不含读操作
* fd:文件描述符
* wait_seconds:等待超时秒数， 如果为0表示不检测超时；
* 成功（未超时）返回0，失败返回-1，超时返回-1并且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会阻塞直到检测到事件或者超时
// 如果select检测到可读事件发送，则此时调用read不会阻塞
}
while (ret < 0 && errno == EINTR);
if (ret == 0)
{
ret = -1;
errno = ETIMEDOUT;
}
else if (ret == 1)
return 0;
}
return ret;
}
/* write_timeout - 写超时检测函数，不含写操作
* fd:文件描述符
* wait_seconds:等待超时秒数， 如果为0表示不检测超时；
* 成功（未超时）返回0，失败返回-1，超时返回-1并且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 - 带超时的accept
* fd: 套接字
* addr: 输出参数，返回对方地址
* wait_seconds: 等待超时秒数，如果为0表示正常模式
* 成功（未超时）返回已连接套接字，失败返回-1，超时返回-1并且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 - 设置IO为非阻塞模式
* 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 - 设置IO为阻塞模式
* 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 - 带超时的connect
* fd: 套接字
* addr: 输出参数，返回对方地址
* wait_seconds: 等待超时秒数，如果为0表示正常模式
* 成功（未超时）返回0，失败返回-1，超时返回-1并且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
{
/* 一旦连接建立，套接字就可写 */
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返回为1，可能有两种情况，一种是连接建立成功，一种是套接字产生错误
* 此时错误信息不会保存至errno变量中（select没出错）,因此，需要调用
* getsockopt来获取 */
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;
}下面来解析一下这些函数的封装：
1、read_timeout ：如注释所写，这只是读超时检测函数，并不包含读操作，如果从此函数成功返回，则此时调用read将不再阻塞，测试代码可以这样写：
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); 则表示不检测超时，函数直接返回为0，此时再调用read 将会阻塞。
当wait_seconds 参数大于0，则进入if 括号执行，将超时时间设置为select函数的超时时间结构体，select会阻塞直到检测到事件发生或者超时。如果select返回-1且errno 为EINTR，说明是被信号中断，需要重启select；如果select返回0表示超时；如果select返回1表示检测到可读事件；否则select返回-1 表示出错。
2、write_timeout ：此函数跟read_timeout 函数类似，只是select 关心的是可写事件，不再赘述。
3、accept_timeout ：此函数是带超时的accept 函数，如果能从if (wait_seconds > 0) 括号执行后向下执行，说明select 返回为1，检测到已连接队列不为空，此时再调用accept 不再阻塞，当然如果wait_seconds == 0 则像正常模式一样，accept 阻塞等待，注意，accept 返回的是已连接套接字。
4、connect_timeout ：在调用connect前需要使用fcntl 函数将套接字标志设置为非阻塞，如果网络环境很好，则connect立即返回0，不进入if 大括号执行；如果网络环境拥塞，则connect返回-1且errno == EINPROGRESS，表示正在处理。此后调用select与前面3个函数类似，但这里关注的是可写事件，因为一旦连接建立，套接字就可写。还需要注意的是当select 返回1，可能有两种情况，一种是连接成功，一种是套接字产生错误，由这里可知，这两种情况都会产生可写事件，所以需要使用getsockopt来获取一下。退出之前还需重新将套接字设置为阻塞。
我们可以写个小程序测试一下connect_timeout 函数，客户端程序如下：
#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;
}因为是在本机上测试，所以不会出现超时的情况，但出错的情况还是可以看到的，比如不要启动服务器端程序，而直接启动客户端程序，输出如下：
simba@ubuntu:~/Documents/code/linux_programming/UNP/socket$ ./echocli_timeout connect_timeout: Connection refused
很明显是connect_timeout 函数返回了-1，我们也可以推算出connect_timeout 函数中，select返回1，但却是套接字发生错误的情况，errno = ECONNREFUSED，所以打印出Connection refused。
在这里可以粗略说下tcp connect 的机制，connect 只是完成发送 syn 的过程，后续的两次握手由协议栈完成。如果 fd 是 阻塞的，则 connect 会一直等到超时或者连接成功返回；如果 fd 是非阻塞的，则 connect 会立刻返回，但此时协议栈是否已经完成连接要判断下返回值和 errno；无论 fd 阻塞还是非阻塞，如果没有设置超时，则当重传 syn 次数达到 sysctl net.ipv4.tcp_syn_retries 时才超时结束，重传 syn 的时间采取指数退避的方式，假设 syn_retries 为5， 则分别为 1, 2, 4, 8, 16, 32 ... 即在目标 ip 不可达时要几十秒才 timeout（如果是ip 可达，但没有对应的监听端口，则在一次重试后，对端机器会发送reset 标志，连接结束，耗时 1s 多），故：
如果是非阻塞方式，按照stevens 建议，如上面的做法即可；
如果是阻塞方式，可以用 setsockopt 设置 SO_SNDTIMEO 即可。
参考：
《Linux C 编程一站式学习》
《TCP/IP详解 卷一》
《UNP》
腾讯云开发者
