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## 第 15 章 套接字和标准I/O
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本章代码，在[TCP-IP-NetworkNote](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote)中可以找到。
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### 15.1 标准 I/O 的优点
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#### 15.1.1 标准 I/O 函数的两个优点
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除了使用 read 和 write 函数收发数据外，还能使用标准 I/O 函数收发数据。下面是标准 I/O 函数的两个优点：
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- 标准 I/O 函数具有良好的移植性
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- 标准 I/O 函数可以利用缓冲提高性能
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创建套接字时，操作系统会准备 I/O 缓冲。此缓冲在执行 TCP 协议时发挥着非常重要的作用。此时若使用标准 I/O 函数，将得到额外的缓冲支持。如下图：
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假设使用 fputs 函数进行传输字符串 「Hello」时，首先将数据传递到标准 I/O 缓冲，然后将数据移动到套接字输出缓冲，最后将字符串发送到对方主机。
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设置缓冲的主要目的是为了提高性能。从以下两点可以说明性能的提高：
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- 传输的数据量
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- 数据向输出缓冲移动的次数。
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比较 1 个字节的数据发送 10 次的情况和 10 个字节发送 1 次的情况。发送数据时，数据包中含有头信息。头信息与数据大小无关，是按照一定的格式填入的。假设头信息占 40 个字节，需要传输的数据量也存在较大区别：
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- 1 个字节 10 次：40*10=400 字节
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- 10个字节 1 次：40*1=40 字节。
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#### 15.1.2 标准 I/O 函数和系统函数之间的性能对比
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下面是利用系统函数的示例：
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- [syscpy.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch15/syscpy.c)
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下面是使用标准 I/O 函数复制文件
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- [stdcpy.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch15/stdcpy.c)
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对于以上两个代码进行测试，明显基于标准 I/O 函数的代码跑的更快。这是因为标准 I/O 函数通过缓冲区减少了系统调用的次数，每次系统调用都有一定的开销（用户态与内核态的切换），而缓冲机制可以将多次小数据量的 I/O 操作合并为较少次数的系统调用，从而提高性能。
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#### 15.1.3 标准 I/O 函数的几个缺点
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标准 I/O 函数存在以下几个缺点：
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- 不容易进行双向通信
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- 有时可能频繁调用 fflush 函数
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- 需要以 FILE 结构体指针的形式返回文件描述符。
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### 15.2 使用标准 I/O 函数
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#### 15.2.1 利用 fdopen 函数转换为 FILE 结构体指针
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函数原型如下：
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```c
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#include <stdio.h>
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FILE *fdopen(int fildes, const char *mode);
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/*
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成功时返回转换的 FILE 结构体指针，失败时返回 NULL
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fildes ： 需要转换的文件描述符
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mode ： 将要创建的 FILE 结构体指针的模式信息
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*/
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```
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以下为示例：
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- [desto.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch15/desto.c)
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```c
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#include <stdio.h>
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#include <fcntl.h>
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int main()
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{
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FILE *fp;
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int fd = open("data.dat", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC); //创建文件并返回文件描述符
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if (fd == -1)
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{
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fputs("file open error", stdout);
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return -1;
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}
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fp = fdopen(fd, "w"); //返回 写 模式的 FILE 指针
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fputs("NetWork C programming \n", fp);
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fclose(fp);
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return 0;
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}
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```
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编译运行：
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```
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gcc desto.c -o desto
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./desto
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cat data.dat
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```
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运行结果：
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文件描述符转换为 FILE 指针，并可以通过该指针调用标准 I/O 函数。
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#### 15.2.2 利用 fileno 函数转换为文件描述符
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函数原型如下：
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```c
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#include <stdio.h>
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int fileno(FILE *stream);
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/*
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成功时返回文件描述符，失败时返回 -1
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||
*/
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```
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示例：
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- [todes.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch15/todes.c)
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```c
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#include <stdio.h>
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#include <fcntl.h>
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int main()
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{
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||
FILE *fp;
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int fd = open("data.dat", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC);
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||
if (fd == -1)
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||
{
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fputs("file open error", stdout);
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||
return -1;
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}
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printf("First file descriptor : %d \n", fd);
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fp = fdopen(fd, "w"); //转成 file 指针
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fputs("TCP/IP SOCKET PROGRAMMING \n", fp);
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printf("Second file descriptor: %d \n", fileno(fp)); //转回文件描述符
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fclose(fp);
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return 0;
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}
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```
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### 15.3 基于套接字的标准 I/O 函数使用
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把第四章的回声客户端和回声服务端的内容改为基于标准 I/O 函数的数据交换形式。
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代码如下：
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- [echo_client.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch15/echo_client.c)
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- [echo_stdserv.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch15/echo_stdserv.c)
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编译运行：
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```shell
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gcc echo_client.c -o eclient
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gcc echo_stdserv.c -o eserver
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```
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结果：
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可以看出，运行结果和第四章相同，这是利用标准 I/O 实现的。
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### 15.4 习题
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> 以下答案仅代表本人个人观点，可能不是正确答案。
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1. **请说明标准 I/O 的 2 个优点。他为何拥有这 2 个优点？**
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答：①具有很高的移植性②有良好的缓冲提高性能。
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移植性的原因：标准 I/O 函数是由 ANSI C 标准定义的，在任何符合 ANSI C 标准的平台上都能使用，适合所有编程领域。
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性能的原因：标准 I/O 函数内部维护了用户态缓冲区，数据首先在缓冲区中积累，当缓冲区填满或显式刷新时才一次性调用系统函数（如 `write`）进行实际 I/O。这减少了用户态与内核态之间上下文切换的次数，从而显著提高了性能。
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2. **利用标准 I/O 函数传输数据时，下面的说法是错误的**：
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> 调用 fputs 函数传输数据时，调用后应立即开始发送！
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**为何上述说法是错误的？为达到这种效果应该添加哪些处理过程？**
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答：因为标准 I/O 函数使用缓冲机制，调用 `fputs` 后数据只是被写入到用户态的缓冲区中，而不是立即发送到套接字输出缓冲或对端主机。只有在缓冲区满、缓冲区方向改变（如从读切换到写）、文件关闭或显式刷新时，数据才会真正发送。
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为达到立即发送的效果，应该在调用 `fputs` 后添加 `fflush` 函数来刷新缓冲区，例如：
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```c
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fputs("Hello", fp);
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fflush(fp); // 强制将缓冲区数据发送
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```
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