Linux 进程池 – 七葉の喫茶ステラ

需求分析

假设: 我们结合学过的文件操作、网络通信、以及进程和线程的知识，实现一个基本的文件下载服务器模型，我们需要做哪些准备工作，或者说我们怎么设计整个数据通信逻辑。

首先，服务器需要能够处理大量连接的频繁接入和断开，这就要求我们不能简单地让一个进程同时处理连接接入和业务逻辑，这样的设计在现代应用领域是低效的。它不仅无法有效解耦，增加了代码书写的复杂性，还增加了并行逻辑设计的难度，并且无法充分利用多核 CPU 的性能，容易导致性能瓶颈。

在设计服务器架构时，我们需要考虑可维护性和性能两个基本要求。可维护性要求应用程序对开发者友好，使得开发和维护人员能够快速理解程序架构并进行后续开发。为了提供可维护性，项目各个部分的功能应当彼此分离。性能则要求应用程序充分利用操作系统资源，并减少资源消耗。在多进程程序中，创建和销毁进程的开销是非常大的。

因此，我们有必要利用多进程或多线程来实现 业务逻辑 和 任务管控逻辑 的分离。

我们可以维护一个主进程，它只负责接收用户请求，并将接收到的用户请求分配到不同的进程中去处理。 但是，如果我们不对任务进程进行任何限制和管理，随着任务的到达开始一个进程处理任务，任务处理结束后立即结束这个进程，这样的处理方式是非常不好的，因为进程的频繁创建和销毁会带来很大的软硬件开销。

为了解决这个问题，我们可以采用池化思想。维护一个包含多个进程的进程池，当有任务到来时，把任务交给空闲的进程执行。当任务执行完毕，并且没有任务可执行时，让进程休眠。这种池化的思想可以显著减少创建和销毁进程的软硬件开销，进而提高程序的执行效率。

在进程池模型中，父进程负责接收用户请求，获得连接的文件描述符，并且维护所有进程池中进程的状态，以便于把文件描述符对象交给空闲的池中进程来和客户端直接交互。进程池中的进程，在被主进程唤醒后，接收到对应的连接文件描述符对象，按照需求读取磁盘文件，并将读取的磁盘文件发送给客户端。客户端建立连接后，就可以接收返回的文件。

在设计服务器时，我们还需要考虑是使用进程池还是线程池。进程池设计中，每个进程有独立的内存空间，增加了进程间的隔离性。一个进程崩溃不会影响到其他进程。进程间存在隔离性，使得业务逻辑方便书写。但是，进程的创建和销毁比线程开销大，占用的内存空间也比线程大，上下文的调度切换时间也长。进程池适合并发量低、业务复杂、任务执行事件长的系统设计。

相比之下，线程池设计中，线程之间共享资源，隔离性差，一个线程极容易影响到另一个线程，需要更多的数据同步和一致性处理。但是，线程间通信比进程间通信要方便，线程较轻量，创建和销毁的开销较小。线程池适合并发量高、内存使用要求高、业务简单、可以大量快速、轻量级任务处理的场景。

第一版

设计逻辑

头文件引入和定义 (head.h)

引入所需的头文件
为整个项目提供基础的函数声明、结构体和类型定义。

主函数 (main.c)

初始化进程池并启动工作线程。
初始化 TCP 监听，绑定 IP 和端口，准备接收客户端连接。
使用 epoll 监听客户端连接。当客户端连接建立时，将连接分配给进程池中的工作进程，并更新进程状态为忙碌。
监听进程池中的线程，等待它们处理完客户端请求，然后通知主进程将状态从忙碌改为空闲。

进程池管理 (pool.c)

根据主进程的要求，启动指定数量的工作进程。
维护一个数组来记录工作进程及其状态，以便主进程监控工作进程何时完成任务。
当主进程接收到客户端连接时，进程池选择一个空闲的工作进程来处理连接。

工作进程 (worker.c)

由进程池初始化和启动。
等待接收主进程传递的客户端连接。
接收到客户端连接后，与客户端进行通信，完成文件传输，然后关闭连接。
通信结束后，向主进程发送状态更新，从忙碌状态改为空闲状态。
等待主进程分配新的客户端连接。

TCP 初始化 (tcpInit.c)

负责初始化 IP 和端口的监听
避免在主函数中编写大量 TCP 连接代码，实现解耦。

Epoll 操作 (epoll.c)

封装 epoll 的相关操作
避免在主函数中编写大量 epoll 添加文件描述符监听的代码，实现解耦。

本地 Socket 通信 (localSocket.c)

处理主进程和工作进程之间的进程间通信（IPC），特别是文件描述符的传递。
使用本地 Socket 实现复杂的 IPC，允许在主进程和工作进程之间传递文件描述符，并确保共享文件对象的能力。

该项目中需要使用的新函数

`socketpair` 创建一对互相连接的全双工通信

socketpair 函数用于创建一对已连接的 socket，即两个 socket 彼此相连，可以互相通信。这对 socket 通常用于在本地主机上的进程间通信（IPC）。

函数原型如下：

#include <sys/socket.h>
int socketpair(int domain, int type, int protocol, int sv[2]);

参数说明：

int domain: 指定通信协议的家族。常见的值是 AF_UNIX，用于 Unix 域套接字，或 AF_INET 用于 IPv4 套接字。本项目中使用 AF_LOCAL 用于本地通信。
int type: 指定 socket 的类型，这决定了 socket 支持的通信语义。常见的类型包括：
- SOCK_STREAM: 提供基于连接的、可靠的字节流服务（TCP）。
- SOCK_DGRAM: 提供无连接的、尽最大努力交付的数据报服务（UDP）。
int protocol: 指定使用的具体协议。对于 AF_UNIX 域，通常设置为 0，由系统选择默认协议。对于 AF_INET 域，常用的值是 IPPROTO_TCP 或 IPPROTO_UDP。默认设置 0 即可
int sv [2]: 这是一个整数数组，用于存储创建的一对 socket 文件描述符。sv[0] 是第一个 socket 的文件描述符，sv[1] 是第二个 socket 的文件描述符。

返回值：

如果调用成功，返回 0，并且 sv 数组被填充为两个 socket 的文件描述符。
如果调用失败，返回 -1，并设置全局变量 errno 以指示错误类型。

使用场景：

当需要在两个进程之间建立一个可靠的字节流连接或数据报连接时。
当需要创建一个简单的 IPC 通道，用于进程间的数据交换。

工作机制：

socketpair 函数调用操作系统内核，请求创建一对 socket，并确保它们彼此连接。
创建的这对 socket 可以立即用于双向通信，无需使用 connect 或 bind 等函数。

示例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    int sv[2];
    if (socketpair(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0, sv) == -1) {
        perror("Failed to create socket pair");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 使用 sv[0] 和 sv[1] 进行通信

    // 写入一些数据到 sv[1]
    const char *message = "Hello from one side!";
    if (write(sv[1], message, strlen(message)) == -1) {
        perror("Failed to write to socket");
    }

    // 从 sv[0] 读取数据
    char buffer[1024];
    ssize_t len = read(sv[0], buffer, sizeof(buffer));
    if (len == -1) {
        perror("Failed to read from socket");
    } else {
        printf("Received message: %s\n", buffer);
    }

    // 关闭 socket
    close(sv[0]);
    close(sv[1]);
    return 0;
}

这个示例使用了 socketpair 函数创建一对 socket，并使用它们进行简单的通信。我们向一个 socket 写入数据，并从另一个 socket 读取数据，最后关闭这两个 socket。

如果想通过 socketpair 函数实现两个本地进程间的文件对象描述符的传输，除了需要 socketpair 函数创建通信的端点, 还需要借助 sendmsg 函数和 recvmsg 函数来实现具体的数据传输。

`sendmsg` 发送数据

sendmsg 函数是一种高级的发送接口，用于通过 socket 发送数据。与 send 或 sendto 函数相比，sendmsg 提供了更多的灵活性和控制，允许发送者指定更多的消息属性，如辅助数据、文件描述符等。

函数原型如下：

#include <sys/socket.h>
ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags);

参数说明：

int sockfd: 这是 socket 的文件描述符，用于指定要发送数据的 socket。对应 socketpair 中创建的文件描述符 sv[] 数组
const struct msghdr *msg: 这是一个指向 msghdr 结构的指针，该结构定义了要发送的消息的元数据和数据部分。msghdr 结构包含以下主要成员：
- void *msg_name: 指向地址信息的指针，对于 SOCK_DGRAM 类型的 socket，这指定了目的地地址。填充 NULL 交给系统处理。
- socklen_t msg_namelen: 地址结构的长度，为 NULL 时系统自动填充
- struct iovec *msg_iov: 指向 iovec 结构数组的指针，iovec 包含了要发送的数据块的指针 void *iov_base 和长度 size_t iov_len。
- size_t msg_iovlen: iovec 数组的长度，即数据块的数量。
- void* msg_control: 指向辅助数据的指针，可以包含额外的信息，如权限或文件描述符。
- size_t msg_controllen: 辅助数据的长度。
- int msg_flags: 用于存储或接收特定于消息的标志。
int flags: 用于修改发送行为的选项标志。常用的标志包括：
- MSG_OOB: 发送带外数据（out-of-band data）。
- MSG_DONTROUTE: 不对数据进行路由选择，直接发送。
- MSG_EOR: 表示记录结束（仅用于 SOCK_SEQPACKET 类型的 socket）。
- 默认为 0。

返回值：

如果调用成功，返回已发送的字节总数。
如果调用失败，返回 -1，并设置全局变量 errno 以指示错误类型。

使用场景：

当需要发送非连续的数据块时，sendmsg 允许将多个数据块一次性发送，而不是先复制到一个连续的缓冲区中。
当需要发送辅助数据或文件描述符时，sendmsg 提供了发送这些附加信息的能力。

工作机制：

sendmsg 函数从 msghdr 结构指定的 iovec 数组中收集数据，并将其发送到 sockfd 指定的 socket。
如果 msg_name 成员不为空，对于 SOCK_DGRAM 类型的 socket，它将指定消息的目的地地址。

示例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sockfd == -1) {
        perror("Failed to create socket");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 绑定、监听、连接的代码...

    const char *message1 = "Hello, ";
    const char *message2 = "world!";
    struct iovec iov[2] = {
        { .iov_base = (void *)message1, .iov_len = strlen(message1) },
        { .iov_base = (void *)message2, .iov_len = strlen(message2) }
    };
    struct msghdr msg = {
        .msg_iov = iov,
        .msg_iovlen = 2,
    };

    ssize_t sent = sendmsg(sockfd, &msg, 0);
    if (sent == -1) {
        perror("Failed to send message");
        close(sockfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("Sent %zd bytes\n", sent);

    close(sockfd);
    return 0;
}

这个示例创建了一个 socket，并使用 sendmsg 函数发送两条数据消息。定义一个 iovec 数组，其中包含了两条消息的指针和长度，并初始化了一个 msghdr 结构来引用这个数组。然后调用了 sendmsg 发送整个消息。如果发送失败则打印错误信息并关闭 socket。

`recvmsg` 接收数据

recvmsg 函数是一种高级的接收接口，用于接收通过 socket 发送的数据。与 recv 函数相比，recvmsg 提供了更多的灵活性和控制，允许接收者获取关于接收数据的详细信息，包括辅助数据、文件描述符等。

函数原型如下：

#include <sys/socket.h>
ssize_t recvmsg(int sockfd, struct msghdr *msg, int flags);

参数说明：

int sockfd: 这是 socket 的文件描述符，用于指定要接收数据的 socket。
struct msghdr *msg: 这是一个指向 msghdr 结构的指针，该结构定义了接收数据的目标缓冲区和辅助数据缓冲区。
int flags: 用于修改接收行为的选项标志。常用的标志包括：
- 0: 正常接收数据。
- MSG_PEEK: 窥视接收数据，即读取数据但不去删除缓冲区中的数据。
- MSG_WAITALL: 等待直到接收到足够多的数据，至少填满一个 iovec 缓冲区。

返回值：

如果调用成功，返回接收到的字节总数。
如果调用失败，返回 -1，并设置全局变量 errno 以指示错误类型。

使用场景：

当需要接收非连续的数据块时，recvmsg 允许将数据直接接收到多个数据块中，而不是先接收到一个连续的缓冲区再复制到各个数据块。
当需要接收辅助数据或文件描述符时，recvmsg 提供了接收这些附加信息的能力。

工作机制：

recvmsg 函数从 socket 中接收数据，并将其存储到 msghdr 结构指定的 iovec 数组中。
如果 msg_name 成员不为空，recvmsg 将填充该缓冲区以包含发送方的地址信息。

示例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

int main() {
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sockfd == -1) {
        perror("Failed to create socket");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 连接的代码...

    char buffer1[32];
    char buffer2[32];
    struct iovec iov[2] = {
        { .iov_base = buffer1, .iov_len = sizeof(buffer1) },
        { .iov_base = buffer2, .iov_len = sizeof(buffer2) }
    };
    struct msghdr msg = {
        .msg_iov = iov,
        .msg_iovlen = 2,
        .msg_control = NULL,
        .msg_controllen = 0,
    };

    ssize_t received = recvmsg(sockfd, &msg, 0);
    if (received == -1) {
        perror("Failed to receive message");
        close(sockfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    } else if (received == 0) {
        printf("Connection closed by the peer.\n");
    } else {
        printf("Received %zd bytes\n", received);
        // 处理接收到的数据
    }

    close(sockfd);
    return 0;
}

这个示例创建了一个 socket 并连接到一个服务器。然后定义了两个数据接收缓冲区和一个 iovec 数组，以及一个 msghdr 结构来接收数据。使用 recvmsg 函数接收数据，并检查返回值以确定是否成功接收。如果接收到数据，打印出接收到的字节数并处理数据。如果连接被关闭，打印相应的消息。最后关闭 socket。

`cmsghdr`

struct cmsghdr 是 POSIX 系统上的一个 C 结构体，用于定义控制消息（也称为辅助数据）的头部信息，这些控制消息可以与正常的 socket 数据一起发送或接收。recvmsg 和 sendmsg 函数使用这种结构体来处理与 socket 相关的辅助数据，例如文件描述符、权限设置或其他协议特定的信息。

struct cmsghdr {
    socklen_t     cmsg_len;
    int           cmsg_level;
    int           cmsg_type;
    unsigned char cmsg_data[];
};

结构体成员说明：

socklen_t cmsg_len: 控制消息的长度，以字节为单位。这个长度包括了 cmsghdr 结构本身的整个大小，以及 cmsg_data 数组中数据的长度。
int cmsg_level: 指定控制消息的协议层。例如，SOL_SOCKET 表示这是一个通用的 socket 选项。
int cmsg_type: 指定控制消息的类型。类型依赖于 cmsg_level。例如，SCM_RIGHTS 用于传输文件描述符，SCM_CREDENTIALS 用于传输用户凭证。
unsigned char cmsg_data []: 一个无符号字符数组，用于存放实际的控制消息数据。数组的长度由 cmsg_len 成员减去 cmsghdr 头部的大小确定。

控制消息的使用场景：

当需要在 socket 通信中发送或接收额外的元数据时。
当需要在不同的进程间传输文件描述符或用户凭证等信息时。

控制消息的工作机制：

控制消息被封装在 sendmsg 和 recvmsg 函数的 msg_control 缓冲区中。
发送端使用 cmsghdr 结构来构造控制消息，并将其放入 msg_control 缓冲区。
接收端从 msg_control 缓冲区解析 cmsghdr 结构，以获取控制消息。

cmsg_data 数组：cmsg_data 数组用于存放 cmsghdr 结构中额外的数据，其长度可以根据实际需求变化。例如，当需要传递文件描述符时，cmsg_data 的长度将与 int 类型的大小一致。

CMSG_LEN 宏：CMSG_LEN 宏用于计算包括 cmsg_data 在内的 cmsghdr 结构的完整长度。使用时，传入 cmsg_data 的长度作为参数。例如，若 cmsg_data 用于存储文件描述符（通常是 int 类型），则 CMSG_LEN(sizeof(int)) 将给出整个 cmsghdr 结构的长度。

CMSG_DATA 宏：CMSG_DATA 宏用于获取指向 cmsghdr 结构中 cmsg_data 部分的指针。这对于访问和修改传输的额外数据非常有用。

示例代码：

#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

// 假设netfd是要传输的文件描述符
int *netfd = ...;

// 分配足够的内存以存储cmsghdr结构，包括cmsg_data
struct cmsghdr *pcms = malloc(CMSG_LEN(sizeof(int)));
if (!pcms) {
    // 错误处理
}

// 设置cmsghdr结构
pcms->cmsg_level = SOL_SOCKET; // 通常使用SOL_SOCKET
pcms->cmsg_type = SCM_RIGHTS;  // 文件描述符传递类型
pcms->cmsg_len = CMSG_LEN(sizeof(int));

// 获取cmsg_data部分的指针并设置文件描述符
void *addr = CMSG_DATA(pcms);
int *p_fd = (int *)addr;
*p_fd = *netfd;

// 使用recvmsg或sendmsg函数进行通信时，将cmsghdr结构传递给相应的缓冲区
// ...

在上述代码中，首先使用 malloc 分配了足够的内存来存储 cmsghdr 结构，包括 cmsg_data 部分。然后，使用 CMSG_LEN 宏计算结构的长度，并使用 CMSG_DATA 宏获取指向 cmsg_data 的指针。最后，将文件描述符的值赋给通过指针 p_fd 访问的位置。

Makefile

# makefile
# 定义一个 srcs 变量, 来代指: 使用 wildcard 函数获取当前目录下的所有. c 文件
srcs:= $(wildcard *.c) # 定义一个 objs 变量, 来代指: 使用 patsubst 函数讲 srcs 中所有的. c 文件拓展名替换成. o 文件 objs:=$ (patsubst %.c,%.o,  $(srcs)) # 编译 '-c$ ^'(源依赖项. c 文件)  输出到 '-o  $@'(目标. o) 文件 %.o:%.c gcc -c$ ^ -o  $@ -g # mian 文件依赖于所有的 objs 文件 # 把所有依赖项 ($ ^) 指定输出到当前目标 (-o  $@)(即: main) main:$ (objs)
    gcc  $^ -o$ @ -lpthread

# 清理 objs 文件 清理 main 文件
clean:
     $(RM)$ (objs) main

rebuild: clean main

header.h

/**
 * @file head.h
 * @brief 头文件，包含整个项目中使用的全局定义、数据结构和函数声明。
 */

#ifndef HEAD_H
#define HEAD_H

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

/**
 * @brief 定义进程的状态。
 */
enum {
    BUSY,  /**< 子进程当前正忙，正在处理任务。 */
    FREE   /**< 子进程当前空闲，可以接受新任务。 */
};

/**
 * @brief 子进程状态结构体，用于记录子进程的信息。
 */
typedef struct son_status_s {
    pid_t pid;         /**< 子进程的进程ID */
    int flag;          /**< 子进程的当前状态，BUSY 或 FREE */
    int local_socket;  /**< 子进程与父进程通信的本地socket文件描述符 */
} son_status_s;

/**
 * @brief 初始化进程池。
 * 
 * 根据指定的数量初始化进程池，创建子进程，并设置它们的状态。
 *
 * @param list 指向存储子进程状态的数组的指针。
 * @param num 要初始化的子进程数量。
 * @return 返回 0 表示初始化成功，-1 表示初始化失败。
 */
int initPool(son_status_s *list, int num);

/**
 * @brief 初始化 socket 服务端。
 * 
 * 根据提供的端口和 IP 地址创建并配置 socket，使其能够监听网络连接。
 *
 * @param socket_fd 指向 socket 文件描述符的指针。
 * @param port 要监听的端口号。
 * @param ip 要绑定的 IP 地址。
 * @return 返回 0 表示初始化成功，-1 表示初始化失败。
 */
int initSocket(int *socket_fd, const char *port, const char *ip);

/**
 * @brief 将文件描述符添加到 epoll 实例中。
 * 
 * 将指定的文件描述符添加到 epoll 实例中，以便进行事件监听。
 *
 * @param epoll_fd epoll 实例的文件描述符。
 * @param fd 要添加的文件描述符。
 * @return 返回 0 表示添加成功，-1 表示添加失败。
 */
int addEpoll(int epoll_fd, int fd);

/**
 * @brief 将客户端连接分配给子进程处理。
 * 
 * 在进程池中找到一个空闲的子进程，并将客户端连接传递给它处理。
 *
 * @param list 指向子进程状态数组的指针。
 * @param num 子进程的数量。
 * @param net_fd 客户端连接的文件描述符。
 * @return 返回 0 表示分配成功，-1 表示分配失败。
 */
int toSonNetFd(son_status_s *list, int num, int net_fd);

/**
 * @brief 子进程的工作函数。
 * 
 * 子进程在此函数中循环等待接收任务，并处理客户端请求。
 *
 * @param local_socket 子进程与父进程通信的本地 socket 文件描述符。
 * @return 返回 0 表示正常，-1 表示处理过程中出现错误。
 */
int doWorker(int local_socket);

/**
 * @brief 通过本地 socket 发送客户端文件描述符给子进程。
 * 
 * 将客户端连接的文件描述符通过本地 socket 发送给子进程。
 *
 * @param local_socket 父进程与子进程通信的本地 socket 文件描述符。
 * @param net_fd 客户端连接的文件描述符。
 * @return 返回 0 0表示成功，-1 表示失败。
 */
int sendMsg(int local_socket, int net_fd);

/**
 * @brief 子进程通过本地 socket 接收客户端文件描述符。
 * 
 * 子进程在此函数中接收父进程通过本地 socket 发送的客户端连接文件描述符。
 *
 * @param local_socket 子进程与父进程通信的本地 socket 文件描述符。
 * @param net_fd 指向接收到的客户端连接文件描述符的指针。
 * @return 返回 0 表示成功，-1 表示失败。
 */
int recvMsg(int local_socket, int *net_fd);

/**
 * @brief 与客户端进行交互。
 * 
 * 子进程使用此函数与客户端进行通信，例如发送或接收数据。
 *
 * @param net_fd 客户端连接的文件描述符。
 * @return 返回 0 表示成功，-1 表示通信失败。
 */
int toClientFile(int net_fd);

#endif // !HEAD_H

main.c

初始化进程池：调用 initPool 函数，创建 4 个子进程，并将它们的状态设置为 FREE。
初始化网络 socket：调用 initSocket 函数，创建一个 socket 用于监听端口 8080 上的连接请求。
创建 epoll 实例：调用 epoll_create 函数创建一个 epoll 实例，用于后续的事件监听。
添加监听 socket 到 epoll：调用 addEpoll 函数，将监听 socket 添加到 epoll 实例中，以便监听新的连接请求。
添加子进程的本地 socket 到 epoll：遍历进程池，将每个子进程的本地 socket 添加到 epoll 实例中，以便监听子进程的通知。
主事件循环：使用 epoll_wait 函数等待 epoll 事件的发生。对于每个事件：
- 如果事件是由监听 socket 触发的，接受新的客户端连接，然后调用 toSonNetFd 函数将客户端连接分配给一个空闲的子进程处理。
- 如果事件是由子进程的本地 socket 触发的，读取子进程发送的消息，并更新子进程的状态为 FREE。
循环结束：主事件循环无限循环，直到程序被外部中断或终止。

/**
 * @file main.c
 * @brief 主程序文件，包含程序的入口点和主逻辑。
 *
 * 此文件定义了程序的主要入口点 main 函数，负责初始化进程池、网络连接，
 * epoll 事件循环，并处理客户端请求。
 */

#include "head.h"

int main() {
    son_status_s list[4]; /**< 定义一个进程池数组，存储子进程的状态信息 */

    /**
   * 初始化进程池。
   * 创建一定数量的子进程，并将它们的状态设置为 FREE（空闲）。
   */
    initPool(list, 4);

    /**
   * 初始化网络 socket。
   * 创建并配置 socket，使其能够监听指定 IP 地址和端口上的连接请求。
   */
    int socket_fd;
    initSocket(&socket_fd, "8080", "172.16.0.3");

    /**
   * 创建 epoll 实例，并设置为非阻塞模式。
   * epoll 用于高效地处理大量并发连接。
   */
    int epoll_fd = epoll_create(1);

    /**
   * 将监听 socket 添加到 epoll 实例中。
   * 这样，当有新的连接请求时，epoll 可以通知主进程。
   */
    addEpoll(epoll_fd, socket_fd);

    /**
   * 将进程池中每个子进程的本地 socket 添加到 epoll 实例中。
   * 这样，主进程可以接收来自子进程的通知，例如任务完成。
   */
    for (int i = 0; i < 4; i++) {
        addEpoll(epoll_fd, list[i].local_socket);
    }

    /**
   * 主事件循环。
   * 使用 epoll_wait 等待并处理 I/O 事件。
   */
    while (1) {
        struct epoll_event events[10]; /**< 定义一个事件数组，存储 epoll 事件 */
        memset(events, 0, sizeof(events)); /**< 清零事件数组 */

        /**
     * 等待 epoll 事件。
     * -1 表示无限期等待，直到有事件发生。
     */
        int epoll_num = epoll_wait(epoll_fd, events, 10, -1);

        /**
     * 遍历所有事件，处理它们。
     */
        for (int i = 0; i < epoll_num; i++) {
            int fd = events[i].data.fd; /**< 获取事件对应的文件描述符 */

            /**
       * 如果事件是由监听 socket 触发的，接受新的客户端连接。
       */
            if (fd == socket_fd) {
                int net_fd = accept(socket_fd, NULL, NULL);
                if (net_fd < 0) {
                    perror("accept");
                    continue;
                }

                /**
         * 将新的客户端连接分配给一个空闲的子进程。
         */
                toSonNetFd(list, 4, net_fd);

                close(net_fd); /**< 关闭新创建的 socket，由子进程处理 */
                continue;
            }

            /**
       * 如果事件是由子进程的本地 socket 触发的，处理子进程的通知。
       */
            for (int j = 0; j < 4; j++) {
                if (list[j].local_socket == fd) {
                    char buf[60] = {0};
                    recv(fd, buf, sizeof(buf), 0); /**< 读取子进程发送的消息 */
                    list[j].flag = FREE; /**< 将子进程状态设置为 FREE */
                    break;
                }
            }
        }
    }

    return 0; /**< 程序正常退出 */
}

pool.c

初始化进程池 (initPool 函数):

定义一个循环，根据传入的 num 参数创建相应数量的子进程。
对于每个子进程：
- 创建一个 socketpair，用于父进程和子进程之间的通信。
- 使用 fork 创建子进程。
- 子进程关闭不需要的 socket 端点，然后调用 doWorker 函数进入工作循环。
- 父进程保存子进程的 PID 和用于通信的 socket 端点，并将子进程的状态设置为 FREE。
如果创建 socketpair 或者 fork 失败，函数返回 -1 表示错误。

分配客户端连接给子进程 (toSonNetFd 函数):

遍历进程池，寻找第一个状态为 FREE 的子进程。
使用 sendMsg 函数将客户端的网络文件描述符 net_fd 发送给子进程。
将找到的子进程状态设置为 BUSY。
如果所有子进程都忙，或者发送消息失败，则函数返回 -1 表示错误。

/**
 * @file pool.c
 * @brief 进程池管理模块。
 * 
 * 该文件实现了进程池的初始化和子进程的管理工作。
 */

#include "head.h"

/**
 * @brief 初始化进程池。
 *
 * 为指定数量的子进程分配资源，并创建 socketpair 用于与子进程通信。
 * 每个子进程通过 fork 创建，并进入 doWorker 函数循环等待任务。
 *
 * @param list 指向 son_status_s 结构体数组的指针，该数组用于存储子进程的状态。
 * @param num 子进程的数量。
 * @return 成功返回 0，失败返回 -1。
 */
int initPool(son_status_s *list, int num) {
    for (int i = 0; i < num; i++) {
        int socket_fd[2];
        if (socketpair(AF_LOCAL, SOCK_STREAM, 0, socket_fd) == -1) {
            // 处理错误...
            return -1;
        }

        pid_t son_id = fork();
        if (son_id == -1) {
            // 处理错误...
            return -1;
        } else if (son_id == 0) {
            // 子进程
            close(socket_fd[1]); // 关闭未使用的 socket 端点
            doWorker(socket_fd[0]); // 执行子进程任务循环
            exit(0); // 子进程结束
        } else {
            // 父进程
            list[i].flag = FREE; // 设置子进程状态为 FREE
            list[i].local_socket = socket_fd[1]; // 保存与子进程通信的 socket
            list[i].pid = son_id; // 保存子进程的 PID
            close(socket_fd[0]); // 关闭子进程未使用的 socket 端点
        }
    }
    return 0;
}

/**
 * @brief 将网络文件描述符传递给子进程处理。
 *
 * 遍历进程池，寻找第一个标记为 FREE 的子进程，并通过 socketpair 发送网络文件描述符。
 * 之后，将该子进程的状态标记为 BUSY。
 *
 * @param list 指向 son_status_s 结构体数组的指针，包含子进程的状态信息。
 * @param num 子进程的数量。
 * @param net_fd 需要传递给子进程的网络文件描述符。
 * @return 成功返回 0，失败返回 -1。
 */
int toSonNetFd(son_status_s *list, int num, int net_fd) {
    for (int i = 0; i < num; i++) {
        if (list[i].flag == FREE) {
            if (sendMsg(list[i].local_socket, net_fd) == -1) {
                // 处理错误...
                return -1;
            }
            list[i].flag = BUSY; // 将子进程状态设置为 BUSY
            return 0;
        }
    }
    return -1; // 没有找到空闲的子进程
}

worker.c

子进程工作循环 (doWorker 函数):
- 子进程进入一个无限循环，持续运行直到程序终止或出现错误。
- 在循环中，子进程首先调用 recvMsg 函数来接收父进程通过本地 socket 发送的客户端文件描述符 net_fd。
- 如果 recvMsg 失败，子进程将退出循环并结束。
处理客户端请求 (toClientFile 函数):
- 接收到客户端文件描述符后，子进程调用 toClientFile 函数来处理客户端请求。
- 在示例中，toClientFile 函数向客户端发送一个简单的 “hello” 消息。
- 如果 send 调用失败，toClientFile 函数将返回 -1 表示错误。
关闭客户端连接:
- 完成与客户端的交互后，子进程关闭客户端 socket。
通知父进程:
- 子进程通过本地 socket 发送一个特定的消息（例如 “111”）来通知父进程任务已完成。
- 这允许父进程更新子进程的状态，使其准备接收新的客户端连接。

/**
 * @file worker.c
 * @brief 子进程工作模块。
 * 
 * 该文件实现了子进程的工作循环，负责接收父进程发送的任务，
 * 并执行与客户端的交互。
 */

#include "head.h"

/**
 * @brief 子进程的工作函数。
 *
 * 子进程在此函数中循环运行，等待父进程通过本地 socket 发送的任务。
 * 当接收到任务后，子进程将调用 toClientFile 函数来处理客户端请求，
 * 然后通知父进程任务已完成。
 *
 * @param local_socket 子进程与父进程通信的本地 socket 文件描述符。
 * @return 始终返回 0，表示子进程正常运行。
 */
int doWorker(int local_socket) {
    while (1) {
        int net_fd;
        /**
         * 接收父进程发送的客户端文件描述符。
         * 如果 recvMsg 失败，子进程将退出循环并结束。
         */
        if (recvMsg(local_socket, &net_fd) == -1) {
            break;
        }

        /**
         * 处理客户端请求。
         * toClientFile 函数负责与客户端的交互，例如发送响应。
         */
        if (toClientFile(net_fd) == -1) {
            // 处理错误...
        }

        /**
         * 关闭客户端 socket，完成与客户端的交互。
         */
        close(net_fd);

        /**
         * 通知父进程任务已完成，子进程准备接收新任务。
         * 发送特定的消息（例如 "111"）作为通知。
         */
        send(local_socket, "111", 3, 0);
    }
    return 0;
}

/**
 * @brief 子进程与客户端的交互函数。
 *
 * 此函数负责子进程与客户端的交互，例如发送欢迎消息。
 * 这里仅为示例，实际应用中可能包含更复杂的逻辑。
 *
 * @param net_fd 客户端连接的文件描述符。
 * @return 成功返回 0，失败返回 -1。
 */
int toClientFile(int net_fd) {
    const char *message = "hello";
    /**
     * 向客户端发送消息。
     * 如果 send 调用失败，函数将返回 -1 表示错误。
     */
    int ret = send(net_fd, message, strlen(message), 0);
    if (ret == -1) {
        return -1;
    }
    return 0;
}

local.c

发送文件描述符 (sendMsg 函数):

初始化 msghdr 结构和相关的 iovec 结构，用于构造消息。
分配控制缓冲区 cmbuf 用于存储控制消息。
创建控制消息 cmsg，设置其长度、层级、类型，并在数据部分存储要发送的文件描述符 net_fd。
使用 sendmsg 系统调用发送消息，包括控制消息中的文件描述符。

接收文件描述符 (recvMsg 函数):

初始化 msghdr 结构和相关的 iovec 结构，用于接收消息。
分配控制缓冲区 cmbuf 用于接收控制消息。
使用 recvmsg 系统调用接收消息，包括控制消息。
遍历接收到的消息的控制消息，找到类型为 SCM_RIGHTS 的控制消息，并从中提取文件描述符。
如果控制消息存在且类型正确，将接收到的文件描述符存储在提供的指针 net_fd 中。

/**
 * @file local.c
 * @brief 本地通信模块。
 *
 * 该文件实现了父子进程间通过本地 socket 进行通信的函数。
 */

#include "head.h"

/**
 * @brief 通过本地 socket 发送客户端文件描述符给子进程。
 *
 * 使用 sendmsg 系统调用和控制消息（cmsg）来发送一个文件描述符。
 * 这种方法允许父子进程之间传递打开的文件描述符。
 *
 * @param local_socket 父进程与子进程通信的本地 socket 文件描述符。
 * @param net_fd 要发送给子进程的客户端 socket 文件描述符。
 * @return 成功返回 0，失败返回 -1。
 */
int sendMsg(int local_socket, int net_fd) {
  struct msghdr msg;
  bzero(&msg, sizeof(msg));
  char *str = "hello";  // 可以忽略的消息体，仅用于构造 msghdr 结构
  struct iovec vec[1];

  vec[0].iov_base = str;
  vec[0].iov_len = strlen(str);

  msg.msg_iov = vec;
  msg.msg_iovlen = 1;

  struct cmsghdr *cmsg = (struct cmsghdr *)malloc(CMSG_LEN(sizeof(int)));
  cmsg->cmsg_len = CMSG_LEN(sizeof(int));
  cmsg->cmsg_level = SOL_SOCKET;
  cmsg->cmsg_type = SCM_RIGHTS;

  int *fdptr = (int *)CMSG_DATA(cmsg);
  *fdptr = net_fd;

  msg.msg_control = cmsg;
  msg.msg_controllen = CMSG_LEN(sizeof(int));

  if (sendmsg(local_socket, &msg, 0) == -1) {
    return -1;
  }
  return 0;
}

/**
 * @brief 子进程通过本地 socket 接收父进程发送的客户端文件描述符。
 *
 * 使用 recvmsg 系统调用接收文件描述符。
 * 该函数从控制消息中提取文件描述符，并将其存储在提供的参数中。
 *
 * @param local_socket 子进程与父进程通信的本地 socket 文件描述符。
 * @param net_fd 指向用于存储接收到的客户端 socket 文件描述符的变量的指针。
 * @return 成功返回 0，失败返回 -1。
 */
int recvMsg(int local_socket, int *net_fd) {
  struct msghdr msg;
  bzero(&msg, sizeof(msg));

  // 准备正文信息
  char str[60] = {0};
  struct iovec vec[1];
  vec[0].iov_base = str;
  vec[0].iov_len = sizeof(str);

  msg.msg_iov = vec;
  msg.msg_iovlen = 1;

  // 准备控制信息
  struct cmsghdr *cms = (struct cmsghdr *)malloc(CMSG_LEN(sizeof(int)));
  cms->cmsg_len = CMSG_LEN(sizeof(int));  // 指明这个结构体的大小
  cms->cmsg_level = SOL_SOCKET;
  cms->cmsg_type = SCM_RIGHTS;

  msg.msg_control = cms;
  msg.msg_controllen = CMSG_LEN(sizeof(int));

  recvmsg(local_socket, &msg, 0);

  void *p = CMSG_DATA(cms);
  int *fd = (int *)p;

  *net_fd = *fd;

  return 0;
}

socket.c

创建 socket：使用 socket 系统调用创建一个新的 socket 文件描述符。如果创建失败，函数返回 -1。
设置 socket 选项：使用 setsockopt 系统调用设置 SO_REUSEADDR 选项，以允许重新使用本地地址和端口。如果设置失败，关闭 socket 并返回 -1。
构建地址结构体：初始化 sockaddr_in 结构体，设置地址族、端口号和 IP 地址。端口号和 IP 地址由字符串转换为网络字节序。
绑定 IP 地址和端口：使用 bind 系统调用将 socket 绑定到指定的 IP 地址和端口。如果绑定失败，关闭 socket 并返回 -1。
监听连接：使用 listen 系统调用设置 socket 为监听模式，最多允许指定数量的客户端连接等待接受。如果监听失败，关闭 socket 并返回 -1。
成功返回：如果所有步骤都成功完成，函数返回 0，表示 socket 初始化和配置成功。

/**
 * @file socket.c
 * @brief 网络通信模块。
 * 
 * 该文件实现了网络 socket 的初始化和配置，用于监听和接受客户端连接。
 */

#include "head.h"

/**
 * @brief 初始化并配置 socket 服务端。
 *
 * 创建一个 socket，绑定到指定的 IP 地址和端口，设置为监听模式。
 * 此函数还配置 socket 选项，以避免 TIME_WAIT 状态导致的端口占用问题。
 *
 * @param socket_fd 指向整数的指针，用于存储新创建的 socket 文件描述符。
 * @param port 要监听的端口号的字符串表示。
 * @param ip 要绑定的 IP 地址的字符串表示。
 * @return 成功返回 0，失败返回 -1。
 */
int initSocket(int *socket_fd, char *port, char *ip) {
    // 创建 socket 文件对象
    *socket_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (*socket_fd == -1) {
        return -1;  // 创建 socket 失败
    }

    // 解除 TIME_WAIT 等待时：导致端口占用问题
    int reuse = 1;
    if (setsockopt(*socket_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &reuse, sizeof(reuse)) == -1) {
        close(*socket_fd);  // 设置 socket 选项失败，关闭 socket
        return -1;
    }

    // 构建 sockaddr_in 结构体
    struct sockaddr_in addr;
    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_port = htons(atoi(port));  // 将端口号从字符串转换为网络字节序
    addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip);  // 将 IP 地址从字符串转换为网络字节序

    // 绑定端口
    if (bind(*socket_fd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr)) == -1) {
        close(*socket_fd);  // 绑定失败，关闭 socket
        return -1;
    }

    // 开始监听
    if (listen(*socket_fd, 10) == -1) {  // 最多允许 10 个客户端连接等待接受
        close(*socket_fd);  // 监听失败，关闭 socket
        return -1;
    }
    return 0;  // 初始化成功
}

epoll.c

函数声明：定义了 addEpoll 函数，该函数接受两个参数：epoll_fd（epoll 实例的文件描述符）和 fd（需要监听的文件描述符）。
创建 epoll 事件对象：声明并初始化了一个 epoll_event 结构体实例，用于设置监听的事件类型和关联的文件描述符。
设置监听事件：将 event.data.fd 设置为传入的 fd，表示该事件对象将关联到这个文件描述符。将 event.events 设置为 EPOLLIN，表示只监听可读事件。
添加到 epoll 实例：调用 epoll_ctl 函数，传入 epoll_fd、EPOLL_CTL_ADD、fd 和 event 作为参数，尝试将该事件添加到 epoll 实例中。
错误处理：如果 epoll_ctl 调用失败（返回 -1），则 addEpoll 函数也返回 -1，表示添加操作失败。
成功返回：如果添加操作成功，函数返回 0，表示文件描述符已成功添加到 epoll 实例中进行监听。

/**
 * @file epoll.c
 * @brief 包含 epoll 相关的函数实现。
 * 
 * 该文件提供了将文件描述符添加到 epoll 实例的函数。
 */

#include "head.h"

/**
 * @brief 将文件描述符添加到 epoll 实例中进行事件监听。
 *
 * 此函数创建一个 epoll 事件对象，设置其监听的事件类型为 EPOLLIN，
 * 然后将该事件对象与指定的文件描述符一起添加到 epoll 实例中。
 * 
 * @param epoll_fd epoll 实例的文件描述符。
 * @param fd 需要添加到 epoll 实例中监听的文件描述符。
 * @return 返回 0 表示添加成功，返回 -1 表示添加失败。
 */
int addEpoll(int epoll_fd, int fd) {
    struct epoll_event event;  /**< epoll 事件对象 */
    event.data.fd = fd;        /**< 设置事件对象关联的文件描述符 */
    event.events = EPOLLIN;    /**< 设置事件类型为可读 */

    int ret = epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &event);  /**< 调用 epoll_ctl 执行添加操作 */
    if (ret == -1) {
        return -1;  /**< 如果添加失败，返回 -1 */
    }
    return 0;  /**< 添加成功，返回 0 */
}

client.c

定义服务器地址：设置服务器的端口号和 IP 地址。
创建 socket：使用 socket 系统调用创建一个新的 socket 文件描述符。如果创建失败，打印错误并退出程序。
设置服务器地址结构：初始化 sockaddr_in 结构体，设置服务器的地址族为 AF_INET，端口号和 IP 地址转换为网络字节序。
连接到服务器：使用 connect 系统调用尝试连接到服务器。如果连接失败，打印错误，关闭 socket 并退出程序。
接收消息：定义一个缓冲区 buf 用于接收服务器发送的消息。使用 recv 系统调用接收消息。如果接收失败，打印错误，关闭 socket 并退出程序。成功接收消息后，打印消息内容。
关闭 socket：通信完成后，使用 close 系统调用关闭 socket 连接。

/**
 * @file client.c
 * @brief 客户端程序。
 * 
 * 该文件实现了一个简单的客户端，用于连接到指定的服务器地址和端口，
 * 并接收服务器发送的消息。
 */

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>

int main() {
    // 定义服务器的端口和 IP 地址
    char *port = "8080";
    char *ip = "172.16.0.3";

    /**
     * 创建 socket。
     * 创建一个用于通信的 socket，用于连接到服务器。
     */
    int socket_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (socket_fd == -1) {
        // 处理错误...
        return -1;
    }

    /**
     * 设置服务器地址结构。
     * 初始化 sockaddr_in 结构，设置服务器的地址族、端口和 IP 地址。
     */
    struct sockaddr_in addr;
    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_port = htons(atoi(port));  // 端口号转换为网络字节序
    addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip);  // IP 地址转换为网络字节序

    /**
     * 连接到服务器。
     * 使用 connect 系统调用建立到服务器的连接。
     */
    if (connect(socket_fd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr)) == -1) {
        // 处理错误...
        close(socket_fd);
        return -1;
    }

    /**
     * 接收服务器消息。
     * 从 socket 中接收服务器发送的消息，并存储在缓冲区 buf 中。
     */
    char buf[60] = {0};
    if (recv(socket_fd, buf, sizeof(buf), 0) == -1) {
        // 处理错误...
        close(socket_fd);
        return -1;
    }
    printf("buf: %s\n", buf);  // 打印接收到的消息

    /**
     * 关闭 socket。
     * 完成通信后，关闭 socket 连接。
     */
    close(socket_fd);
    return 0;
}

第二版

文件传输

client.c

接收文件名称：客户端首先接收服务器发送的文件名。这是通过调用 recv 函数并指定缓冲区 buf_name 来完成的。接收到的文件名将被用于本地文件的命名。
打开或创建本地文件：使用 open 函数，客户端尝试打开一个用于保存接收到的文件内容的本地文件。如果文件不存在，open 函数将创建该文件，并根据提供的权限参数 0666 设置文件权限。
循环接收文件内容：客户端进入一个循环，使用 recv 函数持续接收来自服务器的数据。每次接收到数据后，客户端都会检查返回值以确定是否接收到更多数据。如果 recv 返回大于 0 的值，表示接收到了数据。
写入文件内容：对于每次接收到的数据，客户端使用 write 函数将其写入到之前打开的本地文件中。write 函数的参数包括文件描述符、数据缓冲区和接收到的数据大小。
错误处理：如果在接收或写入过程中发生错误，客户端将执行错误处理逻辑。这可能包括打印错误信息、关闭文件描述符和 socket 连接，并退出程序。
关闭资源：完成数据接收后，客户端使用 close 函数关闭本地文件描述符，然后关闭与服务器的 socket 连接。这释放了所有相关的系统资源，并确保不会有资源泄露。
退出程序：在资源关闭后，客户端程序正常退出，返回 0 表示程序成功执行完成。

/**
 * @file client.c
 * @brief 客户端程序。
 *
 * 该文件实现了客户端的主要功能，包括连接到服务器、接收服务器发送的文件名称和内容，
 * 并将接收到的内容保存到本地文件中。
 */

#include <stdc.h>

int main() {
  // 定义服务器的端口和 IP 地址
  char *port = "8080";
  char *ip = "172.16.0.3";

  /**
   * 创建 socket。
   * 创建一个用于通信的 socket，用于连接到服务器。
   */
  int socket_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
  if (socket_fd == -1) {
    // 错误处理，例如打印错误信息并退出程序
    perror("socket creation failed");
    return -1;
  }

  /**
   * 设置服务器地址结构。
   * 初始化 sockaddr_in 结构，设置服务器的地址族、端口和 IP 地址。
   */
  struct sockaddr_in addr;
  addr.sin_family = AF_INET;
  addr.sin_port = htons(atoi(port));     // 端口号转换为网络字节序
  addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip);  // IP 地址转换为网络字节序

  /**
   * 连接到服务器。
   * 使用 connect 系统调用建立到服务器的连接。
   */
  if (connect(socket_fd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr)) == -1) {
    // 错误处理，例如关闭 socket_fd 并退出程序
    perror("connect failed");
    close(socket_fd);
    return -1;
  }

  /**
   * 接收服务器发送的文件名称。
   * 从 socket 中接收服务器发送的文件名，并存储在缓冲区 buf_name 中。
   */
+ char buf_name[60] = {0};
+ if (recv(socket_fd, buf_name, sizeof(buf_name), 0) == -1) {
+   // 错误处理
+   perror("recv failed");
+   close(socket_fd);
+   return -1;
+ }

  /**
   * 打开或创建用于保存文件内容的本地文件。
   */
+ int file_fd = open(buf_name, O_RDWR | O_CREAT, 0666);
+ if (file_fd == -1) {
+   // 错误处理
+   perror("open file failed");
+   close(socket_fd);
+   return -1;
+  }

  /**
   * 接收服务器发送的文件内容。
   * 循环接收服务器发送的数据，并将其写入到本地文件中。
   */
+ char buf[1024] = {0};
+ ssize_t res;
+ while ((res = recv(socket_fd, buf, sizeof(buf), 0)) > 0) {
+   write(file_fd, buf, res);
  }

+ if (res == -1) {
+   // 错误处理
+   perror("recv failed");
+ }

  /**
   * 关闭文件和 socket。
   * 完成通信后，关闭文件描述符和 socket 连接。
   */
+ close(file_fd);
  close(socket_fd);
  return 0;
}

send_file.c

定义文件名：设置要发送的文件名。
发送文件名：使用 send 函数将文件名作为字符串发送给客户端。
打开文件：使用 open 函数以只读模式打开文件，准备读取文件内容。
读取并发送文件内容：循环使用 read 函数从文件中读取数据到缓冲区 buf。
- 使用 send 函数将缓冲区 buf 中的数据发送给客户端。
错误处理：如果在打开文件或读取文件过程中发生错误，关闭文件描述符并返回错误代码 -1。
正常结束：
- 如果读取到文件末尾（read 返回 0），循环结束。
- 关闭文件描述符。
返回结果：如果所有操作成功完成，函数返回 0。

/**
 * @file send_file.c
 * @brief 文件发送模块。
 * 
 * 该文件实现了子进程发送文件给客户端的功能。
 */

#include "head.h"

/**
 * @brief 发送文件给客户端。
 *
 * 该函数负责打开指定的文件，并发送文件内容到客户端。
 * 首先发送文件名，然后打开文件并发送文件内容。
 *
 * @param net_fd 客户端连接的文件描述符。
 * @return 成功返回 0，失败返回 -1。
 */
int sendFile(int net_fd) {
    // 文件名，这里只是一个示例，实际使用时应根据情况确定文件名
    char *file_name = "file.txt";
    // 发送文件名给客户端
    send(net_fd, file_name, strlen(file_name), 0);

    // 打开文件，准备发送文件内容
    int file_fd = open(file_name, O_RDONLY);
    if (file_fd < 0) {
        // 如果打开文件失败，返回错误
        return -1;
    }

    // 读取文件内容并发送
    char buf[1024] = {0};
    ssize_t sret;
    while ((sret = read(file_fd, buf, sizeof(buf))) > 0) {
        // 发送读取到的数据
        send(net_fd, buf, sret, 0);
    }

    // 检查读取操作是否成功完成
    if (sret == -1) {
        // 如果读取失败，返回错误
        close(file_fd);
        return -1;
    }

    // 关闭文件描述符
    close(file_fd);
    return 0;
}

粘包问题

在 TCP/IP 网络编程中，”粘包问题” 是一个常见的现象，它源于 TCP 协议的流式传输特性。当应用层数据通过 TCP 发送时，这些数据被视为一个连续的字节流，而 TCP 协议本身并不为每个数据包提供明确的边界。这意味着，如果服务器连续发送多个数据包，客户端在接收时可能会发现一次 recv 调用就读取了多个数据包的内容，这种现象称为粘包。

例如，如果服务器首先发送一个文件名，然后发送该文件的内容，客户端可能在一次 recv 调用中同时接收到文件名和文件内容的一部分。这可能导致客户端将文件名和文件内容误认为是同一个数据实体，从而引发错误。

与 TCP 不同，UDP 是一个无连接的协议，它不会在传输层对数据进行拆分和重组。每个 UDP 数据报都是独立的，因此 UDP 不存在粘包问题。在 UDP 中，每个数据报都被视为一个完整的消息单元，由 IP 层负责拆分和重组。

为了解决 TCP 的粘包问题，开发者需要在应用层协议中明确定义数据的边界。

client.c

/**
 * @file client.c
 * @brief 客户端程序。
 *
 * 该文件实现了客户端的主要功能，包括连接到服务器、接收服务器发送的文件名称和内容，
 * 并将接收到的内容保存到本地文件中。
 */

#include <stdc.h>

int main() {
  // 定义服务器的端口和 IP 地址
  char *port = "8080";
  char *ip = "172.16.0.3";

  /**
   * 创建 socket。
   * 创建一个用于通信的 socket，用于连接到服务器。
   */
  int socket_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
  if (socket_fd == -1) {
    // 错误处理，例如打印错误信息并退出程序
    perror("socket creation failed");
    return -1;
  }

  /**
   * 设置服务器地址结构。
   * 初始化 sockaddr_in 结构，设置服务器的地址族、端口和 IP 地址。
   */
  struct sockaddr_in addr;
  addr.sin_family = AF_INET;
  addr.sin_port = htons(atoi(port));     // 端口号转换为网络字节序
  addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip);  // IP 地址转换为网络字节序

  /**
   * 连接到服务器。
   * 使用 connect 系统调用建立到服务器的连接。
   */
  if (connect(socket_fd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr)) == -1) {
    // 错误处理，例如关闭 socket_fd 并退出程序
    perror("connect failed");
    close(socket_fd);
    return -1;
  }

  /**
   * 接收服务器发送的文件名称长度。
   * 首先接收一个表示文件名长度的整数，以便分配合适的缓冲区。
   */
  int file_name_len;
  int recv_fd = recv(socket_fd, &file_name_len, sizeof(int), 0);

  /**
   * 检查接收文件名称长度是否成功。
   */
  if (recv_fd == -1) {
    // 错误处理
    perror("recv failed");
    close(socket_fd);
    return -1;
  }
  /**
   * 接收服务器发送的文件名称。
   * 根据接收到的长度，接收文件名字符串。
   */
  char buf_name[60] = {0};
  recv_fd = recv(socket_fd, buf_name, file_name_len, 0);

  if (recv_fd == -1) {
    // 错误处理
    perror("recv failed");
    close(socket_fd);
    return -1;
  }

  /**
   * 打开或创建用于保存文件内容的本地文件。
   */
  int file_fd = open(buf_name, O_RDWR | O_CREAT, 0666);
  if (file_fd == -1) {
    // 错误处理
    perror("open file failed");
    close(socket_fd);
    return -1;
  }

  /**
   * 接收文件内容长度。
   * 接收一个表示接下来要接收的文件内容长度的整数。
   */
  int len;
  recv_fd = recv(socket_fd, &len, sizeof(int), 0);

  if (recv_fd == -1) {
    // 错误处理
    perror("recv failed");
    close(socket_fd);
    return -1;
  }
  /**
   * 接收服务器发送的文件内容。
   * 根据接收到的长度，接收文件内容并写入本地文件。
   */
  char buf[1024] = {0};
  ssize_t res = recv(socket_fd, buf, len, 0);
  write(file_fd, buf, len);

  if (res == -1) {
    // 错误处理
    perror("recv failed");
  }

  printf("文件已成功接收！\n");

  /**
   * 关闭文件和 socket。
   * 完成通信后，关闭文件描述符和 socket 连接。
   */
  close(file_fd);
  close(socket_fd);
  return 0;
}

接收文件名称长度：客户端首先接收一个整数，该整数表示服务器随后发送的文件名称的长度。
错误检查：如果接收文件名称长度失败，客户端将打印错误信息，关闭 socket 并退出。
接收文件名称：客户端根据接收到的长度，接收文件名称字符串，并将其存储在 buf_name 缓冲区中。
错误检查：如果接收文件名称失败，客户端将执行错误处理。
打开或创建文件：客户端尝试打开一个文件用于写入，如果文件不存在则创建它。
接收文件内容长度：客户端接收另一个整数，表示接下来要从服务器接收的文件内容的字节长度。
接收文件内容：客户端根据接收到的长度，从服务器接收文件内容到缓冲区 buf 中。
写入文件：接收到的内容被写入到之前打开的本地文件中。
错误检查：如果在接收文件内容时发生错误，客户端将打印错误信息。
打印成功消息：如果文件接收成功，打印确认消息。
关闭资源：最后，客户端关闭文件描述符和 socket，释放资源。

send_file.c

/**
 * @file send_file.c
 * @brief 文件发送模块。
 *
 * 该文件实现了子进程发送文件给客户端的功能。
 */

#include "head.h"

/**
 * @brief 结构体用于封装传输的数据和长度。
 */
typedef struct train_s {
  int len;        /**< 数据长度 */
  char buf[1024]; /**< 数据缓冲区 */
} train_t;

/**
 * @brief 发送文件给客户端。
 *
 * 该函数负责打开指定的文件，并发送文件内容到客户端。
 * 首先发送文件名，然后打开文件并发送文件内容。
 *
 * @param net_fd 客户端连接的文件描述符。
 * @return 成功返回 0，失败返回 -1。
 */
int sendFile(int net_fd) {
  // 文件名，这里只是一个示例，实际使用时应根据情况确定文件名
  char *file_name = "file.txt";

  /**
   * 初始化传输结构体，设置文件名长度并复制文件名。
   */
  train_t train;
  bzero(&train, 0);
  train.len = strlen(file_name);
  memcpy(train.buf, file_name, train.len);

  /**
   * 发送文件名长度和文件名。
   * 将文件名和长度一同发送给客户端，以便客户端申请足够的接收缓冲区。
   */
  send(net_fd, &train, sizeof(int) + train.len, 0);

  // 打开文件，准备发送文件内容
  int file_fd = open(file_name, O_RDONLY);
  if (file_fd < 0) {
    perror("open file error");
    // 如果打开文件失败，返回错误
    return -1;
  }

  char buf[1024] = {0};

  int read_num = read(file_fd, buf, sizeof(buf));

  // 发送读取到的数据
  send(net_fd, &read_num, sizeof(int), 0);
  send(net_fd, buf, read_num, 0);

  // 检查读取操作是否成功完成
  if (read_num == -1) {
    // 如果读取失败，返回错误
    close(file_fd);
    return -1;
  }

  // 关闭文件描述符
  close(file_fd);
  return 0;
}

初始化传输结构体：定义并初始化 train_t 结构体，用于封装数据和长度信息。
设置文件名信息：将文件名的长度和内容复制到 train_t 结构体的缓冲区中。
发送文件名长度和文件名：将文件名的长度和文件名本身发送给客户端，这样客户端可以知道接收缓冲区需要多大。
打开文件：打开要发送的文件，准备读取内容。
读取并发送文件内容：
- 循环读取文件内容到缓冲区，发送数据长度和数据本身给客户端。
- 继续读取直到读取操作返回 0，表示文件读取完毕。
错误检查：如果文件读取失败，打印错误信息，关闭文件描述符，并返回错误代码 -1。
关闭文件描述符：完成文件内容发送后，关闭文件描述符以释放资源。
返回结果：如果所有操作成功完成，函数返回 0。

大文件传输

client.c

/**
 * @file client.c
 * @brief 客户端程序。
 *
 * 该文件实现了客户端的主要功能，包括连接到服务器、接收服务器发送的文件名称和内容，
 * 并将接收到的内容保存到本地文件中。
 */

#include <stdc.h>

int main() {
  // 定义服务器的端口和 IP 地址
  char *port = "8080";
  char *ip = "172.16.0.3";

  /**
   * 创建 socket。
   * 创建一个用于通信的 socket，用于连接到服务器。
   */
  int socket_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
  if (socket_fd == -1) {
    // 错误处理，例如打印错误信息并退出程序
    perror("socket creation failed");
    return -1;
  }

  /**
   * 设置服务器地址结构。
   * 初始化 sockaddr_in 结构，设置服务器的地址族、端口和 IP 地址。
   */
  struct sockaddr_in addr;
  addr.sin_family = AF_INET;
  addr.sin_port = htons(atoi(port));     // 端口号转换为网络字节序
  addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip);  // IP 地址转换为网络字节序

  /**
   * 连接到服务器。
   * 使用 connect 系统调用建立到服务器的连接。
   */
  if (connect(socket_fd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr)) == -1) {
    // 错误处理，例如关闭 socket_fd 并退出程序
    perror("connect failed");
    close(socket_fd);
    return -1;
  }

  /**
   * 接收服务器发送的文件名称长度。
   * 首先接收一个表示文件名长度的整数，以便分配合适的缓冲区。
   */
  int file_name_len;
  int recv_fd = recv(socket_fd, &file_name_len, sizeof(int), 0);

  /**
   * 检查接收文件名称长度是否成功。
   */
  if (recv_fd == -1) {
    // 错误处理
    perror("recv failed");
    close(socket_fd);
    return -1;
  }
  /**
   * 接收服务器发送的文件名称。
   * 接收到文件名称长度后，根据该长度接收实际的文件名。
   */
  char buf_name[60] = {0};
  recv_fd = recv(socket_fd, buf_name, file_name_len, 0);

  if (recv_fd == -1) {
    // 错误处理
    perror("recv failed");
    close(socket_fd);
    return -1;
  }

  /**
   * 打开或创建用于保存文件内容的本地文件。
   */
  int file_fd = open(buf_name, O_RDWR | O_CREAT, 0666);
  if (file_fd == -1) {
    // 错误处理
    perror("open file failed");
    close(socket_fd);
    return -1;
  }
  /**
   * 循环接收文件内容。
   * 直到从服务器接收完所有文件数据。
   */
  while (1) {
    int len = 0;
    /**
     * 接收文件块的长度。
     * 每次循环首先接收接下来要接收的数据块的长度。
     */
    recv_fd = recv(socket_fd, &len, sizeof(int), 0);
    /**
     * 检查接收长度信息是否成功，并处理接收结束条件。
     * 如果接收到的长度为0，表示文件传输结束。
     */
    if (recv_fd == -1) {
      perror("recv failed");
      close(socket_fd);
      return -1;
    }
    if (len == 0) {
      break;
    }
    /**
     * 接收文件数据块并写入文件。
     * 根据接收到的长度，接收数据并写入到之前打开的文件中。
     */
    char buf[1000] = {0};
    ssize_t recv_len = recv(socket_fd, buf, len, 0);
    write(file_fd, buf, recv_len);
  }

  printf("文件已成功接收！\n");

  /**
   * 关闭文件和 socket。
   * 完成通信后，关闭文件描述符和 socket 连接。
   */
  close(file_fd);
  close(socket_fd);
  return 0;
}

接收文件名称：根据先前接收到的文件名称长度，客户端接收实际的文件名称。
打开文件：客户端使用接收到的文件名称打开或创建一个本地文件，准备写入接收到的文件内容。
循环接收文件内容：客户端进入一个循环，准备接收服务器发送的文件内容。
接收数据块长度：在循环中，客户端首先接收接下来要接收的数据块的长度。
错误检查：如果接收长度信息失败，客户端将执行错误处理。
检查接收结束条件：如果接收到的长度为 0，表示文件内容已经全部接收完毕，客户端将退出循环。
接收数据块并写入文件：客户端根据接收到的长度接收数据块，并将其写入到本地文件中。
打印成功消息：接收完毕后，客户端打印一条消息，通知用户文件接收成功。
关闭资源：最后，客户端关闭文件描述符和 socket 连接，释放所有资源。

send_file.c

/**
 * @file send_file.c
 * @brief 文件发送模块。
 *
 * 该文件实现了子进程发送文件给客户端的功能。
 */

#include "head.h"

/**
 * @brief 结构体用于封装传输的数据和长度。
 */
typedef struct train_s {
  int len;        /**< 数据长度 */
  char buf[1024]; /**< 数据缓冲区 */
} train_t;

/**
 * @brief 发送文件给客户端。
 *
 * 该函数负责打开指定的文件，并发送文件内容到客户端。
 * 首先发送文件名的长度和文件名，然后分块读取并发送文件内容。
 *
 * @param net_fd 客户端连接的文件描述符。
 * @return 成功返回 0，失败返回 -1。
 */
int sendFile(int net_fd) {
  // 文件名，这里只是一个示例，实际使用时应根据情况确定文件名
  char *file_name = "斗破苍穹.txt";

  /**
   * 定义传输结构体，用于封装文件名和内容。
   */
  train_t train;
  /**
   * 初始化传输结构体，设置文件名长度。
   */
  bzero(&train, 0);
  train.len = strlen(file_name);
  /**
   * 复制文件名到传输结构体的缓冲区。
   */
  memcpy(train.buf, file_name, train.len);

  /**
   * 发送文件名长度和文件名。
   * 将文件名和长度一同发送给客户端，以便客户端申请足够的接收缓冲区。
   */
  send(net_fd, &train, sizeof(int) + train.len, 0);

  // 打开文件，准备发送文件内容
  int file_fd = open(file_name, O_RDONLY);
  if (file_fd < 0) {
    perror("open file error");
    // 如果打开文件失败，返回错误
    return -1;
  }
  /**
   * 循环读取文件内容并发送。
   * 直到读取完文件的所有内容。
   */
  while (1) {
    bzero(&train, sizeof(train));

    ssize_t read_res = read(file_fd, train.buf, sizeof(train.buf));
    train.len = read_res;
    if (read_res == 0) {
      break;
    }
    /**
     * 发送文件内容长度和内容。
     * 读取文件并发送内容长度和内容本身给客户端。
     */
    int net_res = send(net_fd, &train, train.len + sizeof(train.len), 0);

    // 检查读取操作是否成功完成
    if (net_res == -1) {
      // 如果读取失败，返回错误
      close(file_fd);
      return -1;
    }
  }
  // 关闭文件描述符
  close(file_fd);
  return 0;
}

定义传输结构体：定义 train_t 结构体用于封装文件名和内容的传输。
初始化传输结构体：使用 bzero 函数初始化 train_t 结构体，设置文件名长度。
复制文件名：将文件名复制到 train_t 结构体的缓冲区中。
发送文件名长度和文件名：先发送文件名的长度，然后发送文件名本身，以便客户端可以接收并存储文件名。
打开文件：打开指定的文件以读取内容。
循环读取和发送文件内容：
- 使用循环读取文件内容到缓冲区，然后发送数据长度和数据本身给客户端。
- 继续循环直到文件读取完毕。
发送数据长度：在发送每个数据块之前，先发送该数据块的长度，以便客户端可以分配合适的缓冲区。
发送数据块：发送从文件中读取的数据块。
错误检查：如果文件读取或发送过程中发生错误，执行错误处理并返回错误代码。
关闭文件描述符：发送完毕后，关闭文件描述符以释放资源。
返回结果：如果所有操作成功完成，函数返回 0。

半包问题

在 TCP/IP 网络编程中，尤其是在处理大文件传输时，可能会遇到所谓的 “半包问题”。这个问题描述了在数据传输过程中，一个数据包（或称为数据段）可能被操作系统只发送了一部分，而剩余部分延迟发送的情况。这种不连续的数据发送可能导致客户端在接收时出现错误，尤其是在客户端期望接收固定长度数据时。

数据的发送是由操作系统的网络栈控制的，send 函数调用只是将数据交给操作系统，而实际的网络传输时机和行为由操作系统决定。操作系统可能会因为多种原因（如网络拥塞、资源调度等）导致数据包的不完整发送。

如果客户端在接收数据时只读取了部分数据，而剩余的数据在之后的某个时刻才到达，这可能导致客户端在处理数据时出现错误。例如，在根据长度前缀接收后续数据时，如果长度不匹配，客户端可能会错误地将部分数据解释为完整消息，导致数据解析错误。

为了解决半包问题，可以在使用 recv 函数接收数据时，使用 MSG_WAITALL 标志位。这个标志位指示 recv 函数在接收到请求的长度 len 的数据之前不会返回，即使数据是分批次到达的。

client.c

/**
 * @file client.c
 * @brief 客户端程序。
 *
 * 该文件实现了客户端的主要功能，包括连接到服务器、接收服务器发送的文件名称和内容，
 * 并将接收到的内容保存到本地文件中。
 */

#include <stdc.h>

int main() {
  // 定义服务器的端口和 IP 地址
  char *port = "8080";
  char *ip = "172.16.0.3";

  /**
   * 创建 socket。
   * 创建一个用于通信的 socket，用于连接到服务器。
   */
  int socket_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
  if (socket_fd == -1) {
    // 错误处理，例如打印错误信息并退出程序
    perror("socket creation failed");
    return -1;
  }

  /**
   * 设置服务器地址结构。
   * 初始化 sockaddr_in 结构，设置服务器的地址族、端口和 IP 地址。
   */
  struct sockaddr_in addr;
  addr.sin_family = AF_INET;
  addr.sin_port = htons(atoi(port));     // 端口号转换为网络字节序
  addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip);  // IP 地址转换为网络字节序

  /**
   * 连接到服务器。
   * 使用 connect 系统调用建立到服务器的连接。
   */
  if (connect(socket_fd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr)) == -1) {
    // 错误处理，例如关闭 socket_fd 并退出程序
    perror("connect failed");
    close(socket_fd);
    return -1;
  }

  /**
   * 接收服务器发送的文件名称长度。
   * 首先接收一个表示文件名长度的整数，以便分配合适的缓冲区。
   */
  int file_name_len;
  int recv_fd = recv(socket_fd, &file_name_len, sizeof(int), 0);

  /**
   * 检查接收文件名称长度是否成功。
   */
  if (recv_fd == -1) {
    // 错误处理
    perror("recv failed");
    close(socket_fd);
    return -1;
  }
  /**
   * 接收服务器发送的文件名称。
   * 接收到文件名称长度后，根据该长度接收实际的文件名。
   */
  char buf_name[60] = {0};
  recv_fd = recv(socket_fd, buf_name, file_name_len, 0);

  if (recv_fd == -1) {
    // 错误处理
    perror("recv failed");
    close(socket_fd);
    return -1;
  }

  /**
   * 打开或创建用于保存文件内容的本地文件。
   */
  int file_fd = open(buf_name, O_RDWR | O_CREAT, 0666);
  if (file_fd == -1) {
    // 错误处理
    perror("open file failed");
    close(socket_fd);
    return -1;
  }
  /**
   * 循环接收文件内容。
   * 直到从服务器接收完所有文件数据。
   */
  while (1) {
    int len = 0;
    /**
     * 接收文件块的长度。
     * 每次循环首先接收接下来要接收的数据块的长度。
     * 使用带有 MSG_WAITALL 标志的 recv 调用确保接收到完整的长度信息
     */
    recv_fd = recv(socket_fd, &len, sizeof(int), MSG_WAITALL);
    /**
     * 检查接收长度信息是否成功，并处理接收结束条件。
     * 如果接收到的长度为0，表示文件传输结束。
     */
    if (recv_fd == -1) {
      perror("recv failed");
      close(socket_fd);
      return -1;
    }
    if (len == 0) {
      break;
    }
    /**
     * 接收文件数据块并写入文件。
     * 根据接收到的长度，接收数据并写入到之前打开的文件中。
     * 使用带有 MSG_WAITALL 标志的 recv 调用确保接收到完整的长度信息
     */
    char buf[1000] = {0};
    ssize_t recv_len = recv(socket_fd, buf, len, MSG_WAITALL);
    write(file_fd, buf, recv_len);
  }

  printf("文件已成功接收！\n");

  /**
   * 关闭文件和 socket。
   * 完成通信后，关闭文件描述符和 socket 连接。
   */
  close(file_fd);
  close(socket_fd);
  return 0;
}

抛出异常信号终止问题

当 TCP 连接的对端关闭连接时，发送端如果尝试向该连接发送数据，操作系统会发送一个 SIGPIPE 信号给发送进程。在默认情况下，这可能导致进程异常终止。

为了防止因 SIGPIPE 信号而导致的进程终止，可以在调用 send 函数时使用 MSG_NOSIGNAL 标志位。MSG_NOSIGNAL 指示 send 函数在对方关闭连接时不抛出 SIGPIPE 信号，而是返回一个错误码（通常是-1），并将 errno 设置为 EPIPE。

send_file.c

/**
 * @file send_file.c
 * @brief 文件发送模块。
 *
 * 该文件实现了子进程发送文件给客户端的功能。
 */

#include "head.h"

/**
 * @brief 结构体用于封装传输的数据和长度。
 */
typedef struct train_s {
  int len;        /**< 数据长度 */
  char buf[1024]; /**< 数据缓冲区 */
} train_t;

/**
 * @brief 处理 SIGPIPE 信号的函数。
 * 当发生管道破裂时（例如对方关闭了连接），此函数会被调用。
 * @param num 信号的编号
 */
void fun (int num) {
  printf("sigpeipe %d\n", num);
}

/**
 * @brief 发送文件给客户端。
 *
 * 该函数负责打开指定的文件，并发送文件内容到客户端。
 * 首先发送文件名的长度和文件名，然后分块读取并发送文件内容。
 *
 * @param net_fd 客户端连接的文件描述符。
 * @return 成功返回 0，失败返回 -1。
 */
int sendFile(int net_fd) {
  /**
   * 设置当发生 SIGPIPE 信号时，调用 fun 函数。
   */
  signal(SIGPIPE, fun);

  // 文件名，这里只是一个示例，实际使用时应根据情况确定文件名
  char *file_name = "斗破苍穹.txt";

  /**
   * 定义传输结构体，用于封装文件名和内容。
   */
  train_t train;
  /**
   * 初始化传输结构体，设置文件名长度。
   */
  bzero(&train, 0);
  train.len = strlen(file_name);
  /**
   * 复制文件名到传输结构体的缓冲区。
   */
  memcpy(train.buf, file_name, train.len);

  /**
   * 发送文件名长度和文件名。
   * 将文件名和长度一同发送给客户端，以便客户端申请足够的接收缓冲区。
   */
  send(net_fd, &train, sizeof(int) + train.len, MSG_NOSIGNAL);

  // 打开文件，准备发送文件内容
  int file_fd = open(file_name, O_RDONLY);
  if (file_fd < 0) {
    perror("open file error");
    // 如果打开文件失败，返回错误
    return -1;
  }
  /**
   * 循环读取文件内容并发送。
   * 直到读取完文件的所有内容。
   */
  while (1) {
    bzero(&train, sizeof(train));

    int read_res = read(file_fd, train.buf, sizeof(train.buf));
    train.len = read_res;
    if (read_res == 0) {
      break;
    }
    /**
     * 发送文件内容长度和内容。
     * 发送前先发送长度，然后发送内容，使用 MSG_NOSIGNAL 标志防止 SIGPIPE。
     */
    int net_res = send(net_fd, &train, train.len + sizeof(train.len), MSG_NOSIGNAL);

    // 检查读取操作是否成功完成
    if (net_res == -1) {
      // 如果读取失败，返回错误
      close(file_fd);
      return -1;
    }
  }
  // 关闭文件描述符
  close(file_fd);
  return 0;
}

进度条

如果要模拟日常下载文件时的进度条显示效果，可以采取以下步骤：在文件传输开始之前，首先将文件的总大小信息发送至客户端。随后，在文件传输过程中，客户端可以依据已接收的文件数据量与文件总大小的比例，动态更新并展示进度条。

实现这一功能需利用 fstat 函数来获取文件的状态信息。

`fstat` 获取文件描述符元数据

fstat 函数用于获取一个文件描述符（file descriptor）的元数据（metadata），并将这些信息存储在一个 stat 结构体中。这个函数是 POSIX 标准的一部分，通常用于获取文件或文件系统的状态信息。

函数原型如下：

#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
int fstat(int fd, struct stat *statbuf);

参数说明：

int fd: 这是要获取状态信息的文件描述符。这个文件描述符可以是任何打开的文件、socket、管道或其他特殊文件的描述符。
struct stat *statbuf: 这是一个指向 stat 结构的指针，用于接收文件描述符的状态信息。stat 结构包含了广泛的信息，例如文件大小、块大小、总块数、访问权限、所有者、组、访问时间、修改时间等。

返回值：

如果调用成功，返回 0。
如果调用失败，返回 -1，并设置全局变量 errno 以指示错误类型。

使用场景：

当需要获取有关文件或文件系统的状态信息时。
当需要检查文件的访问权限、所有者、组或其他属性时。

工作机制：

fstat 函数调用操作系统内核，请求获取与给定文件描述符关联的文件的状态信息。
内核将这些信息填充到 statbuf 指向的结构中。

client.c

/**
 * @file client.c
 * @brief 客户端程序。
 *
 * 该文件实现了客户端的主要功能，包括连接到服务器、接收服务器发送的文件名称和内容，
 * 并将接收到的内容保存到本地文件中。
 */

#include <stdc.h>

int main() {
  // 定义服务器的端口和 IP 地址
  char *port = "8080";
  char *ip = "172.16.0.3";

  /**
   * 创建 socket。
   * 创建一个用于通信的 socket，用于连接到服务器。
   */
  int socket_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
  if (socket_fd == -1) {
    // 错误处理，例如打印错误信息并退出程序
    perror("socket creation failed");
    return -1;
  }

  /**
   * 设置服务器地址结构。
   * 初始化 sockaddr_in 结构，设置服务器的地址族、端口和 IP 地址。
   */
  struct sockaddr_in addr;
  addr.sin_family = AF_INET;
  addr.sin_port = htons(atoi(port));     // 端口号转换为网络字节序
  addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip);  // IP 地址转换为网络字节序

  /**
   * 连接到服务器。
   * 使用 connect 系统调用建立到服务器的连接。
   */
  if (connect(socket_fd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr)) == -1) {
    // 错误处理，例如关闭 socket_fd 并退出程序
    perror("connect failed");
    close(socket_fd);
    return -1;
  }
  // 接收文件大小
  // 在接收文件之前，先接收文件的总大小，用于后续显示接收进度
  off_t file_size = 0;
  recv(socket_fd, &file_size, sizeof(off_t), MSG_WAITALL);
  printf("文件大小为：%ld\n", file_size);

  /**
   * 接收服务器发送的文件名称长度。
   * 首先接收一个表示文件名长度的整数，以便分配合适的缓冲区。
   */
  int file_name_len;
  int recv_fd = recv(socket_fd, &file_name_len, sizeof(int), 0);

  /**
   * 检查接收文件名称长度是否成功。
   */
  if (recv_fd == -1) {
    // 错误处理
    perror("recv failed3");
    close(socket_fd);
    return -1;
  }
  /**
   * 接收服务器发送的文件名称。
   * 接收到文件名称长度后，根据该长度接收实际的文件名。
   */
  char buf_name[60] = {0};
  recv_fd = recv(socket_fd, buf_name, file_name_len, 0);

  if (recv_fd == -1) {
    // 错误处理
    perror("recv failed 1");
    close(socket_fd);
    return -1;
  }

  /**
   * 打开或创建用于保存文件内容的本地文件。
   */
  int file_fd = open(buf_name, O_RDWR | O_CREAT, 0666);
  if (file_fd == -1) {
    // 错误处理
    perror("open file failed");
    close(socket_fd);
    return -1;
  }

  off_t cursize = 0;
  off_t last_update_size = 0;

  /**
   * 循环接收文件内容。
   * 直到从服务器接收完所有文件数据。
   */
  while (1) {
    int len = 0;
    /**
     * 接收文件块的长度。
     * 每次循环首先接收接下来要接收的数据块的长度。
     * 使用带有 MSG_WAITALL 标志的 recv 调用确保接收到完整的长度信息
     */
    recv_fd = recv(socket_fd, &len, sizeof(int), MSG_WAITALL);
    /**
     * 检查接收长度信息是否成功，并处理接收结束条件。
     * 如果接收到的长度为0，表示文件传输结束。
     */
    if (recv_fd == -1) {
      perror("recv failed 2");
      close(socket_fd);
      return -1;
    }
    if (len == 0) {
      break;
    }
    /**
     * 接收文件数据块并写入文件。
     * 根据接收到的长度，接收数据并写入到之前打开的文件中。
     * 使用带有 MSG_WAITALL 标志的 recv 调用确保接收到完整的长度信息
     */
    char buf[1000] = {0};
    ssize_t recv_len = recv(socket_fd, buf, len, MSG_WAITALL);
    write(file_fd, buf, recv_len);

    cursize += recv_len;

    /**
     * 打印接收进度。
     * 每接收到一定量的数据，打印接收进度。
     */
    if (cursize - last_update_size >= 1024 * 1024) {
      printf("接收进度：%.2f%%\n", (double)cursize / file_size * 100);
      last_update_size = cursize;
    }

  }

  printf("文件已成功接收！\n");

  /**
   * 关闭文件和 socket。
   * 完成通信后，关闭文件描述符和 socket 连接。
   */
  close(file_fd);
  close(socket_fd);
  return 0;
}

接收文件大小：在开始接收文件之前，客户端首先接收并打印出文件的总大小，这有助于计算和显示接收进度。
接收文件名称长度和名称：客户端接收文件名称的长度和名称，以便知道保存文件的名称。
打开或创建文件：客户端根据接收到的文件名称打开或创建文件，准备写入接收到的数据。
初始化接收进度：初始化当前接收大小和上次更新的接收大小。
循环接收文件内容：客户端进入循环，使用 recv 函数接收服务器发送的数据块。
接收数据块长度：在循环中，客户端首先接收数据块的长度。
接收数据块并写入文件: 客户端根据接收到的长度接收数据块，并将其写入到本地文件中。
更新接收进度：每次接收到一定量的数据后，客户端更新当前接收大小，并根据当前大小与上次更新大小的差值决定是否打印当前接收进度。
检查接收结束条件：如果接收到的长度为 0，表示文件传输结束，客户端退出循环。
打印成功消息：接收完毕后，客户端打印一条消息，通知用户文件接收成功。
关闭资源：最后，客户端关闭文件描述符和 socket 连接，释放所有资源。

send_file.c

/**
 * @file send_file.c
 * @brief 文件发送模块。
 *
 * 该文件实现了子进程发送文件给客户端的功能。
 */

#include "head.h"

/**
 * @brief 结构体用于封装传输的数据和长度。
 */
typedef struct train_s {
  int len;        /**< 数据长度 */
  char buf[1024]; /**< 数据缓冲区 */
} train_t;

/**
 * @brief 处理 SIGPIPE 信号的函数。
 * 当发生管道破裂时（例如对方关闭了连接），此函数会被调用。
 * @param num 信号的编号
 */
void fun(int num) { printf("sigpeipe %d\n", num); }

/**
 * @brief 发送文件给客户端。
 *
 * 该函数负责打开指定的文件，并发送文件内容到客户端。
 * 首先发送文件名的长度和文件名，然后分块读取并发送文件内容。
 *
 * @param net_fd 客户端连接的文件描述符。
 * @return 成功返回 0，失败返回 -1。
 */
int sendFile(int net_fd) {
  // 设置当发生 SIGPIPE 信号时，调用 fun 函数。
  signal(SIGPIPE, fun);

  // 文件名，这里只是一个示例，实际使用时应根据情况确定文件名
  char *file_name = "斗破苍穹.txt";

  // 打开文件，准备发送文件内容
  int file_fd = open(file_name, O_RDONLY);
  if (file_fd < 0) {
    perror("open file error");
    // 如果打开文件失败，返回错误
    return -1;
  }

  // 定义传输结构体，用于封装文件名和内容。
  train_t train;
  // 获取文件信息
  struct stat stat_file;
  fstat(file_fd, &stat_file);
  // 发送文件长度
  send(net_fd, &stat_file.st_size, sizeof(off_t), MSG_NOSIGNAL);

  // 初始化传输结构体，设置文件名长度。
  bzero(&train, 0);
  train.len = strlen(file_name);
  // 复制文件名到传输结构体的缓冲区。
  memcpy(train.buf, file_name, train.len);

  /**
   * 发送文件名长度和文件名。
   * 将文件名和长度一同发送给客户端，以便客户端申请足够的接收缓冲区。
   */
  send(net_fd, &train, sizeof(int) + train.len, MSG_NOSIGNAL);

  /**
   * 循环读取文件内容并发送。
   * 直到读取完文件的所有内容。
   */
  while (1) {
    bzero(&train, sizeof(train));

    int read_res = read(file_fd, train.buf, sizeof(train.buf));
    train.len = read_res;
    if (read_res == 0) {
      break;
    }
    /**
     * 发送文件内容长度和内容。
     * 发送前先发送长度，然后发送内容，使用 MSG_NOSIGNAL 标志防止 SIGPIPE。
     */
    int net_res =
        send(net_fd, &train, train.len + sizeof(train.len), MSG_NOSIGNAL);

    // 检查读取操作是否成功完成
    if (net_res == -1) {
      // 如果读取失败，返回错误
      close(file_fd);
      return -1;
    }
  }
  // 关闭文件描述符
  close(file_fd);
  return 0;
}

零拷贝

在传统的文件传输过程中，服务端首先需要从磁盘读取文件数据到内核缓冲区，然后将数据从内核缓冲区拷贝到用户空间的应用程序缓冲区，最后再次将数据从用户空间拷贝到内核空间的套接字缓冲区，以便发送。这个过程中的两次数据拷贝可能导致效率低下。

零拷贝技术旨在减少或消除这种不必要的数据拷贝。通过直接在内核空间操作数据，零拷贝避免了数据在用户空间和内核空间之间的来回拷贝，从而提高了数据传输的效率。

mmap 函数创建了文件内容的内存映射，它允许程序像访问普通内存一样访问文件内容。虽然 mmap 本身并不直接实现零拷贝，但它可以作为实现零拷贝技术的一部分。当使用 mmap 映射文件后，数据传输可以通过直接操作内存映射来完成，避免了从内核到用户空间的第一次数据拷贝。

`mmap` 映射文件到进程的地址空间

mmap 函数是一种在 POSIX 兼容的操作系统中使用的内存映射方法，它允许程序员将一个文件或者其他对象映射到进程的地址空间中。这样，文件内容就可以像访问内存一样被访问，这通常用于提高文件访问的效率。

函数原型如下：

#include <sys/mman.h>
void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

参数说明：

void *addr: 期望的映射区域的起始地址。如果为 NULL，则由系统选择映射区域的地址。
size_t length: 映射区域的长度，必须是非负整数，并且通常是页面大小的整数倍。
int prot: 期望的内存保护选项，可以是以下选项的组合：
- PROT_EXEC: 允许执行内存内容。
- PROT_READ: 允许读取内存内容。
- PROT_WRITE: 允许写入内存内容。
- PROT_NONE: 不允许访问内存。
int flags: 控制映射区域的选项，常用的标志包括：
- MAP_SHARED: 映射区域的修改会反映到文件上，多个映射可以共享数据。
- MAP_PRIVATE: 映射区域是私有的，对它的修改不会反映到文件上。
- MAP_ANONYMOUS: 匿名映射，不与任何文件关联。
- MAP_FIXED: 强制将映射放在 addr 指定的位置。
int fd: 被映射文件的文件描述符。如果是匿名映射，这个值通常是 -1。
off_t offset: 文件映射的起始位置偏移量，通常应该是文件系统页大小的整数倍。

返回值：

如果调用成功，mmap 返回指向映射区域的指针。
如果调用失败，返回 MAP_FAILED（通常是 (void *)-1），并设置全局变量 errno 以指示错误类型。

使用场景：

当需要高效地访问大型文件时。
当需要创建或修改一块可以被多个进程共享的内存区域时。

工作机制：

mmap 将文件内容映射到进程的地址空间，使得文件可以像访问内存一样被访问。
对映射区域的修改可能会影响到文件本身，这取决于 flags 参数。

client.c

/**
 * @file client.c
 * @brief 客户端程序。
 *
 * 该文件实现了客户端的主要功能，包括连接到服务器、接收服务器发送的文件名称和内容，
 * 并将接收到的内容保存到本地文件中。
 */

#include <stdc.h>

int main() {
  // 定义服务器的端口和 IP 地址
  char *port = "8080";
  char *ip = "172.16.0.3";

  /**
   * 创建 socket。
   * 创建一个用于通信的 socket，用于连接到服务器。
   */
  int socket_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
  if (socket_fd == -1) {
    // 错误处理，例如打印错误信息并退出程序
    perror("socket creation failed");
    return -1;
  }

  /**
   * 设置服务器地址结构。
   * 初始化 sockaddr_in 结构，设置服务器的地址族、端口和 IP 地址。
   */
  struct sockaddr_in addr;
  addr.sin_family = AF_INET;
  addr.sin_port = htons(atoi(port));     // 端口号转换为网络字节序
  addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip);  // IP 地址转换为网络字节序

  /**
   * 连接到服务器。
   * 使用 connect 系统调用建立到服务器的连接。
   */
  if (connect(socket_fd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr)) == -1) {
    // 错误处理，例如关闭 socket_fd 并退出程序
    perror("connect failed");
    close(socket_fd);
    return -1;
  }
  // 接收文件大小
  // 在接收文件之前，先接收文件的总大小，用于后续显示接收进度
  off_t file_size = 0;
  recv(socket_fd, &file_size, sizeof(off_t), MSG_WAITALL);
  printf("文件大小为：%ld\n", file_size);

  /**
   * 接收服务器发送的文件名称长度。
   * 首先接收一个表示文件名长度的整数，以便分配合适的缓冲区。
   */
  int file_name_len;
  int recv_fd = recv(socket_fd, &file_name_len, sizeof(int), 0);

  /**
   * 检查接收文件名称长度是否成功。
   */
  if (recv_fd == -1) {
    // 错误处理
    perror("recv failed");
    close(socket_fd);
    return -1;
  }
  /**
   * 接收服务器发送的文件名称。
   * 接收到文件名称长度后，根据该长度接收实际的文件名。
   */
  char buf_name[60] = {0};
  recv_fd = recv(socket_fd, buf_name, file_name_len, 0);

  if (recv_fd == -1) {
    // 错误处理
    perror("recv failed");
    close(socket_fd);
    return -1;
  }

  /**
   * 打开或创建用于保存文件内容的本地文件。
   */
  int file_fd = open(buf_name, O_RDWR | O_CREAT, 0666);
  if (file_fd == -1) {
    // 错误处理
    perror("open file failed");
    close(socket_fd);
    return -1;
  }

  // 预分配文件空间
  ftruncate(file_fd, file_size);

  sleep(3);
  // 创建内存映射，允许整个文件一次性读入内存，提高传输效率。
  char *p = (char *)mmap(NULL, file_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED,
                         file_fd, 0);
  if (p == MAP_FAILED) {
    perror("mmap failed");
    return -1;
  }
  // 接收文件内容到内存映射区域
  // 一次性接收整个文件的内容到通过 mmap 创建的内存映射区域
  recv(socket_fd, p, file_size, MSG_WAITALL);

  printf("文件已成功接收！\n");
  // 使用 munmap 释放之前创建的内存映射区域
  munmap(p, file_size);

  /**
   * 关闭文件和 socket。
   * 完成通信后，关闭文件描述符和 socket 连接。
   */
  close(file_fd);
  close(socket_fd);
  return 0;
}

接收文件大小：客户端首先接收服务器发送的文件大小，这用于后续操作中的进度显示和文件空间预分配。
接收文件名称：客户端接收服务器发送的文件名称。
打开或创建文件：客户端根据接收到的文件名称打开或创建文件。
预分配文件空间：使用 ftruncate 系统调用预分配文件大小，为使用 mmap 映射整个文件做准备。
使用 mmap 映射文件：客户端创建内存映射，将文件一次性读入内存，这可以提高大文件传输的效率。
接收文件内容：客户端通过 socket 接收文件内容，直接写入到内存映射区域。
打印接收成功消息：文件内容接收完成后，客户端打印成功消息。
内存映射释放：客户端使用 munmap 函数释放之前创建的内存映射区域。
关闭资源：客户端关闭文件描述符和 socket 连接，释放所有资源。

send_file.c

/**
 * @file send_file.c
 * @brief 文件发送模块。
 *
 * 该文件实现了子进程发送文件给客户端的功能。
 */

#include "head.h"

/**
 * @brief 结构体用于封装传输的数据和长度。
 */
typedef struct train_s {
  int len;        /**< 数据长度 */
  char buf[1024]; /**< 数据缓冲区 */
} train_t;

/**
 * @brief 处理 SIGPIPE 信号的函数。
 * 当发生管道破裂时（例如对方关闭了连接），此函数会被调用。
 * @param num 信号的编号
 */
void fun(int num) { printf("sigpeipe %d\n", num); }

/**
 * @brief 发送文件给客户端。
 *
 * 该函数负责打开指定的文件，并发送文件内容到客户端。
 * 首先发送文件名的长度和文件名，然后分块读取并发送文件内容。
 *
 * @param net_fd 客户端连接的文件描述符。
 * @return 成功返回 0，失败返回 -1。
 */
int sendFile(int net_fd) {
  // 设置当发生 SIGPIPE 信号时，调用 fun 函数。
  signal(SIGPIPE, fun);

  // 文件名，这里只是一个示例，实际使用时应根据情况确定文件名
  char *file_name = "斗破苍穹.txt";

  // 打开文件，准备发送文件内容
  int file_fd = open(file_name, O_RDWR);
  if (file_fd < 0) {
    perror("open file error");
    // 如果打开文件失败，返回错误
    return -1;
  }

  // 定义传输结构体，用于封装文件名和内容。
  train_t train;
  // 获取文件信息
  struct stat stat_file;
  fstat(file_fd, &stat_file);
  // 发送文件长度
  send(net_fd, &stat_file.st_size, sizeof(off_t), MSG_NOSIGNAL);

  // 初始化传输结构体，设置文件名长度。
  bzero(&train, 0);
  train.len = strlen(file_name);
  // 复制文件名到传输结构体的缓冲区。
  memcpy(train.buf, file_name, train.len);

  // 发送文件名长度和文件名
  send(net_fd, &train, sizeof(int) + train.len, MSG_NOSIGNAL);
  // 使用内存映射发送文件内容
  char *p = (char *)mmap(NULL, stat_file.st_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, file_fd, 0);
  if (p == MAP_FAILED)
  {
    perror("mmap error");
    return -1;
  }
  send(net_fd, p, stat_file.st_size, MSG_NOSIGNAL);

  printf("传输完成！\n");

  munmap(p, stat_file.st_size);
  // 关闭文件描述符
  close(file_fd);
  return 0;
}

设置 SIGPIPE 信号处理器：使用 signal 函数设置当 SIGPIPE 信号发生时调用 fun 函数，以处理客户端突然断开连接的情况。
打开文件：打开要发送的文件，如果文件打开失败，打印错误信息并返回错误代码。
获取文件信息：使用 fstat 函数获取文件的大小和其他信息。
发送文件大小：将文件的大小发送给客户端，以便客户端可以预先知道文件的大小。
发送文件名：发送文件名的长度和文件名本身给客户端。
内存映射文件：使用 mmap 将文件内容映射到内存中，这样可以高效地发送大文件。
发送文件内容：通过内存映射，一次性发送整个文件的内容给客户端。
打印传输完成信息：文件发送完成后，打印传输完成的信息。
清理资源：使用 munmap 解除内存映射，并关闭文件描述符，释放所有资源。
返回结果：如果所有操作成功完成，函数返回 0。

sendfile

sendfile 函数允许数据直接在内核空间内进行传输，这意味着数据可以从文件系统的缓冲区直接发送到网络接口，而无需先拷贝到应用程序的用户空间缓冲区，再由用户空间拷贝到内核的套接字缓冲区。这种机制减少了数据拷贝的次数，从而提高了文件传输的效率。`

使用 sendfile 时，数据的传输路径是：磁盘文件 -> 内核文件缓冲区 -> 网卡。这个过程中，数据避免了进入用户空间，减少了上下文切换和数据拷贝的开销。

虽然 mmap 可以减少从磁盘到用户空间的数据拷贝，但在使用 sendfile 的情况下，可以进一步减少从用户空间到内核空间的套接字缓冲区的数据拷贝。sendfile 直接在内核中处理数据传输，避免了额外的数据拷贝步骤。

send_file.c

/**
 * @file send_file.c
 * @brief 文件发送模块。
 *
 * 该文件实现了子进程发送文件给客户端的功能。
 */

#include "head.h"

/**
 * @brief 结构体用于封装传输的数据和长度。
 */
typedef struct train_s {
  int len;        /**< 数据长度 */
  char buf[1024]; /**< 数据缓冲区 */
} train_t;

/**
 * @brief 处理 SIGPIPE 信号的函数。
 * 当发生管道破裂时（例如对方关闭了连接），此函数会被调用。
 * @param num 信号的编号
 */
void fun(int num) { printf("sigpeipe %d\n", num); }

/**
 * @brief 发送文件给客户端。
 *
 * 该函数负责打开指定的文件，并发送文件内容到客户端。
 * 首先发送文件名的长度和文件名，然后分块读取并发送文件内容。
 *
 * @param net_fd 客户端连接的文件描述符。
 * @return 成功返回 0，失败返回 -1。
 */
int sendFile(int net_fd) {
  // 设置当发生 SIGPIPE 信号时，调用 fun 函数。
  signal(SIGPIPE, fun);

  // 文件名，这里只是一个示例，实际使用时应根据情况确定文件名
  char *file_name = "file.txt";

  // 打开文件，准备发送文件内容
  int file_fd = open(file_name, O_RDWR);
  if (file_fd < 0) {
    perror("open file error");
    // 如果打开文件失败，返回错误
    return -1;
  }

  // 定义传输结构体，用于封装文件名和内容。
  train_t train;
  bzero(&train, 0);
  // 获取文件信息
  struct stat stat_file;
  fstat(file_fd, &stat_file);
  // 发送文件长度
  send(net_fd, &stat_file.st_size, sizeof(off_t), MSG_NOSIGNAL);

  // 初始化传输结构体，设置文件名长度。
  bzero(&train, 0);
  train.len = strlen(file_name);
  // 复制文件名到传输结构体的缓冲区。
  memcpy(train.buf, file_name, train.len);

  // 发送文件名长度和文件名
  send(net_fd, &train, sizeof(int) + train.len, MSG_NOSIGNAL);

  sendfile(net_fd, file_fd, NULL, stat_file.st_size);

  printf("传输完成！\n");

  // 关闭文件描述符
  close(file_fd);
  return 0;
}

第三版

在多进程程序中，确保主进程退出时子进程也能随之退出是一个重要的编程实践，这有助于防止孤儿进程的产生并确保资源得到适当的清理。为了实现这一目标，可以通过监听信号并相应地处理这些信号来控制子进程的行为。

首主进程可以设置一个信号处理函数来监听特定的信号，如 SIGTERM 或 SIGINT。当这些信号被触发时，例如用户按下 Ctrl+C 或向主进程发送终止信号，信号处理函数将被调用。在这个函数中，主进程可以向所有子进程发送退出的信号或消息，指示它们进行清理并退出。这可以通过发送特定的系统调用，如 kill，或者使用进程间通信机制，如管道、共享内存或消息队列来实现。

一旦子进程接收到退出信号或消息，它们应该执行必要的清理工作，如关闭打开的文件描述符、释放分配的内存和注销注册的信号处理函数。完成这些清理工作后，子进程通过调用 exit 函数来终止自身。

在子进程开始退出流程后，主进程需要等待它们的退出。这可以通过使用 wait 或 waitpid 系统调用来实现，这些调用将阻塞主进程，直到所有子进程都已经退出。在子进程全部退出后，主进程可以继续执行任何剩余的清理工作，如关闭它自己的文件描述符和注销信号处理函数，然后退出。

main.c

/**
 * @file main.c
 * @brief 主程序文件，包含程序的入口点和主逻辑。
 *
 * 此文件定义了程序的主要入口点 main 函数，负责初始化进程池、网络连接，
 * epoll 事件循环，并处理客户端请求。
 */

#include "head.h"

/**
 * 初始化信号处理和管道。
 * 创建一个管道用于信号处理，当接收到特定信号时，向管道写入数据。
 */
int pipe_fd[2];
void fun(int num) { write(pipe_fd[1], "1", 1); }

int main() {
  son_status_s list[4]; /**< 定义一个进程池数组，存储子进程的状态信息 */

  /**
   * 初始化进程池。
   * 创建一定数量的子进程，并将它们的状态设置为 FREE（空闲）。
   */
  initPool(list, 4);
  /**
   * 创建管道并设置信号处理函数。
   * 当接收到 SIGINT (信号 2) 时，向管道写入一个字符。
   */
  pipe(pipe_fd);
  signal(2, fun);

  /**
   * 初始化网络 socket。
   * 创建并配置 socket，使其能够监听指定 IP 地址和端口上的连接请求。
   */
  int socket_fd;
  initSocket(&socket_fd, "8080", "172.16.0.3");

  /**
   * 创建 epoll 实例，并设置为非阻塞模式。
   * epoll 用于高效地处理大量并发连接。
   */
  int epoll_fd = epoll_create(1);

  /**
   * 将监听 socket 添加到 epoll 实例中。
   * 这样，当有新的连接请求时，epoll 可以通知主进程。
   */
  addEpoll(epoll_fd, socket_fd);

  /**
   * 将进程池中每个子进程的本地 socket 添加到 epoll 实例中。
   * 这样，主进程可以接收来自子进程的通知，例如任务完成。
   */
  for (int i = 0; i < 4; i++) {
    addEpoll(epoll_fd, list[i].local_socket);
  }
  /**
   * 将管道读端添加到epoll监听中。
   * 这样，当信号处理函数向管道写入数据时，epoll可以捕捉到事件。
   */
  addEpoll(epoll_fd, pipe_fd[0]);

  /**
   * 主事件循环。
   * 使用 epoll_wait 等待并处理 I/O 事件。
   */
  while (1) {
    struct epoll_event events[10]; /**< 定义一个事件数组，存储 epoll 事件 */
    memset(events, 0, sizeof(events)); /**< 清零事件数组 */

    /**
     * 等待 epoll 事件。
     * -1 表示无限期等待，直到有事件发生。
     */
    int epoll_num = epoll_wait(epoll_fd, events, 10, -1);

    /**
     * 遍历所有事件，处理它们。
     */
    for (int i = 0; i < epoll_num; i++) {
      int fd = events[i].data.fd; /**< 获取事件对应的文件描述符 */

      /**
       * 如果事件是由监听 socket 触发的，接受新的客户端连接。
       */
      if (fd == socket_fd) {
        int net_fd = accept(socket_fd, NULL, NULL);
        if (net_fd < 0) {
          perror("accept");
          continue;
        }

        /**
         * 将新的客户端连接分配给一个空闲的子进程。
         */
        toSonNetFd(list, 4, net_fd);

        close(net_fd); /**< 关闭新创建的 socket，由子进程处理 */
        continue;
      }
      /**
       * 处理管道事件。
       * 当从管道读取数据时，意味着接收到了 SIGINT 信号。
       * 通知所有子进程退出，并等待它们结束，然后主进程也退出。
       */
      else if (fd == pipe_fd[0]) {
        char buf[60] = {0};
        read(fd, buf, sizeof(buf));

        for (int i = 0; i < 4; i++) {
          sendMsg(list[i].local_socket, 1);
        }
        for (int j = 0; j < 4; j++) {
          wait(NULL);
        }

        printf("子进程全部退出, 主进程也退出 \n");
      }

      /**
       * 如果事件是由子进程的本地 socket 触发的，处理子进程的通知。
       */
      for (int j = 0; j < 4; j++) {
        if (list[j].local_socket == fd) {
          char buf[60] = {0};
          recv(fd, buf, sizeof(buf), 0); /**< 读取子进程发送的消息 */
          list[j].flag = FREE; /**< 将子进程状态设置为 FREE */
          break;
        }
      }
    }
  }

  return 0; /**< 程序正常退出 */
}

初始化管道和信号处理：
- 创建一个管道 pipe_fd 用于信号处理。
- 设置信号处理函数 fun，当接收到 SIGINT 信号时，向管道写入一个字符。
添加管道读端到 epoll 监听：将管道读端添加到 epoll 实例中，以便能够监听到信号事件。
主事件循环：在 epoll 事件循环中，除了监听网络连接和子进程通知外，还监听管道事件。
处理管道事件：
- 当从管道读取数据时，意味着接收到了 SIGINT 信号。
- 遍历进程池，向每个子进程发送退出信号。
等待子进程退出：使用 wait 函数等待所有子进程结束。
主进程退出：所有子进程结束后，主进程打印退出信息并退出。

local.c

/**
 * @file local.c
 * @brief 本地通信模块。
 *
 * 该文件实现了父子进程间通过本地 socket 进行通信的函数。
 */

#include "head.h"

/**
 * @brief 通过本地 socket 发送客户端文件描述符给子进程。
 *
 * 使用 sendmsg 系统调用和控制消息（cmsg）来发送一个文件描述符。
 * 这种方法允许父子进程之间传递打开的文件描述符。
 *
 * @param local_socket 父进程与子进程通信的本地 socket 文件描述符。
 * @param net_fd 要发送给子进程的客户端 socket 文件描述符。
 * @param flag 附加的标志，可以用于控制子进程的行为。
 * @return 成功返回 0，失败返回 -1。
 */
int sendMsg(int local_socket, int net_fd, int flag) {
  struct msghdr msg;
  bzero(&msg, sizeof(msg));

  struct iovec vec[1];

  vec[0].iov_base = &flag;
  vec[0].iov_len = sizeof(int);

  msg.msg_iov = vec;
  msg.msg_iovlen = 1;

  struct cmsghdr *cmsg = (struct cmsghdr *)malloc(CMSG_LEN(sizeof(int)));
  cmsg->cmsg_len = CMSG_LEN(sizeof(int));
  cmsg->cmsg_level = SOL_SOCKET;
  cmsg->cmsg_type = SCM_RIGHTS;

  msg.msg_control = cmsg;
  msg.msg_controllen = CMSG_LEN(sizeof(int));

  void *p = CMSG_DATA(cms);
  int *fd = (int *)p;
  *fd = net_fd;

  if (sendmsg(local_socket, &msg, 0) == -1) {
    return -1;
  }
  return 0;
}

/**
 * @brief 子进程通过本地 socket 接收父进程发送的客户端文件描述符。
 *
 * 使用 recvmsg 系统调用接收文件描述符。
 * 该函数从控制消息中提取文件描述符，并将其存储在提供的参数中。
 *
 * @param local_socket 子进程与父进程通信的本地 socket 文件描述符。
 * @param net_fd 指向用于存储接收到的客户端 socket 文件描述符的变量的指针。
 * @param flag 指向用于存储接收到的标志的变量的指针。
 * @return 成功返回 0，失败返回 -1。
 */
int recvMsg(int local_socket, int *net_fd, int *flag) {
  struct msghdr msg;
  bzero(&msg, sizeof(msg));

  // 准备正文信息
  int *num = (int *)malloc(sizeof(int));
  struct iovec vec[1];
  vec[0].iov_base = num;
  vec[0].iov_len = sizeof(int);

  msg.msg_iov = vec;
  msg.msg_iovlen = 1;

  // 准备控制信息
  struct cmsghdr *cms = (struct cmsghdr *)malloc(CMSG_LEN(sizeof(int)));
  cms->cmsg_len = CMSG_LEN(sizeof(int));  // 指明这个结构体的大小
  cms->cmsg_level = SOL_SOCKET;
  cms->cmsg_type = SCM_RIGHTS;

  msg.msg_control = cms;
  msg.msg_controllen = CMSG_LEN(sizeof(int));

  recvmsg(local_socket, &msg, 0);

  void *p = CMSG_DATA(cms);
  int *fd = (int *)p;

  *net_fd = *fd;

  *flag = *num;

  return 0;
}

worker.c

/**
 * @file worker.c
 * @brief 子进程工作模块。
 *
 * 该文件实现了子进程的工作循环，负责接收父进程发送的任务，
 * 并执行与客户端的交互。
 */

#include "head.h"

/**
 * @brief 子进程的工作函数。
 *
 * 子进程在此函数中循环运行，等待父进程通过本地 socket 发送的任务。
 * 当接收到任务后，子进程将调用 toClientFile 函数来处理客户端请求，
 * 然后通知父进程任务已完成。如果接收到退出信号，则子进程将退出。
 *
 * @param local_socket 子进程与父进程通信的本地 socket 文件描述符。
 * @return 始终返回 0，表示子进程正常运行。
 */
int doWorker(int local_socket) {
  while (1) {
    int net_fd;
    int flag = 0;
    /**
     * 接收父进程发送的客户端文件描述符。
     * 如果 recvMsg 失败，子进程将退出循环并结束。
     */
    if (recvMsg(local_socket, &net_fd) == -1) {
      break;
    }
    /**
     * 检查标志是否指示子进程退出。
     * 如果标志为 -1，表示父进程发送了退出信号。
     */
    if (flag == -1) {
      printf("收到父进程的通知, 要求退出的通知 \n");
      exit(0);
    }

    /**
     * 处理客户端请求。
     * toClientFile 函数负责与客户端的交互，例如发送响应。
     */
    if (toClientFile(net_fd) == -1) {
      // 处理错误...
      break;
    }

    /**
     * 关闭客户端 socket，完成与客户端的交互。
     */
    close(net_fd);

    /**
     * 通知父进程任务已完成，子进程准备接收新任务。
     * 发送特定的消息（例如 "111"）作为通知。
     */
    send(local_socket, "任务完成", 3, 0);
  }
  return 0;
}

/**
 * @brief 子进程与客户端的交互函数。
 *
 * 此函数负责子进程与客户端的交互，例如发送欢迎消息。
 * 这里仅为示例，实际应用中可能包含更复杂的逻辑。
 *
 * @param net_fd 客户端连接的文件描述符。
 * @return 成功返回 0，失败返回 -1。
 */
int toClientFile(int net_fd) {
  /**
   * 向客户端发送消息。
   * 如果 send 调用失败，函数将返回 -1 表示错误。
   */
  if (sendFile(net_fd) == -1) {
    return -1;
  }
  return 0;
}

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需求分析

第一版

设计逻辑

该项目中需要使用的新函数

socketpair 创建一对互相连接的全双工通信

sendmsg 发送数据

recvmsg 接收数据

cmsghdr

Makefile

header.h

main.c

pool.c

worker.c

local.c

socket.c

epoll.c

client.c

第二版

文件传输

client.c

send_file.c

粘包问题

client.c

send_file.c

大文件传输

client.c

send_file.c

半包问题

client.c

抛出异常信号终止问题

send_file.c

进度条

fstat 获取文件描述符元数据

client.c

send_file.c

零拷贝

mmap 映射文件到进程的地址空间

client.c

send_file.c

sendfile

send_file.c

第三版

main.c

local.c

worker.c

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`socketpair` 创建一对互相连接的全双工通信

`sendmsg` 发送数据

`recvmsg` 接收数据

`cmsghdr`

`fstat` 获取文件描述符元数据

`mmap` 映射文件到进程的地址空间

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