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超时检测机制和心跳包机制(Heartbeat)

一、超时检测机制

1. I/O 函数超时设置
1.1 select/poll/epoll 的超时参数
  • select

    c

    struct timeval timeout = {3, 0}; // 3秒超时
    int n = select(maxfd+1, &readfds, NULL, NULL, &timeout);
    if (n == 0) printf("select timeout\n"); // 超时无事件
    

  • poll

    c

    struct pollfd fds = {fd, POLLIN, 0};
    int n = poll(&fds, 1, 3000); // 3000毫秒超时
    if (n == 0) printf("poll timeout\n");
    
  • epoll

    c

    struct epoll_event events[10];
    int n = epoll_wait(epfd, events, 10, 3000); // 3000毫秒超时
    if (n == 0) printf("epoll timeout\n");
    
1.2 setsockopt 设置套接字超时
  • 接收超时(SO_RCVTIMEO)

    c

    struct timeval rcv_timeout = {5, 0}; // 5秒
    setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_RCVTIMEO, &rcv_timeout, sizeof(rcv_timeout));
    
  • 发送超时(SO_SNDTIMEO)

    c

    struct timeval snd_timeout = {5, 0}; // 5秒
    setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_SNDTIMEO, &snd_timeout, sizeof(snd_timeout));
    
2. 信号驱动超时(alarm + sigaction)
2.1 信号自重启机制
  • 默认行为:信号处理完成后,系统调用自动重启(如recv继续阻塞)。
  • 关闭自重启:通过sigaction设置SA_RESTART标志。

    c

    struct sigaction act;
    sigaction(SIGALRM, NULL, &act); // 获取原有信号属性
    act.sa_handler = timeout_handler;
    act.sa_flags &= ~SA_RESTART; // 关闭自重启
    sigaction(SIGALRM, &act, NULL); // 重新设置信号处理
    
2.2 超时处理示例

c

void timeout_handler(int sig) {printf("Timeout occurred!\n");
}int main() {alarm(5); // 设置5秒超时sigset_t mask;sigemptyset(&mask);sigaddset(&mask, SIGALRM);sigprocmask(SIG_BLOCK, &mask, NULL); // 阻塞SIGALRM信号// 模拟阻塞操作char buf[1024];int n = recv(sockfd, buf, sizeof(buf), 0);if (n == -1 && errno == EINTR) {printf("recv interrupted by timeout\n");}return 0;
}

二、心跳包机制(Heartbeat)

1. 时间相关函数
1.1 time () - 获取时间戳

c

#include <time.h>
time_t now = time(NULL); // 返回从1970年至今的秒数
1.2 localtime () - 转换为本地时间

c

struct tm *tm = localtime(&now);
printf("%d-%02d-%02d %02d:%02d:%02d\n",tm->tm_year + 1900, tm->tm_mon + 1, tm->tm_mday,tm->tm_hour, tm->tm_min, tm->tm_sec);
1.3 strftime () - 格式化时间字符串

c

char buf[64];
strftime(buf, sizeof(buf), "%F %T", tm); // 格式化为"YYYY-MM-DD HH:MM:SS"
printf("Formatted time: %s\n", buf);
2. 心跳包实现原理
  • 作用:检测连接存活状态,防止被防火墙 / NAT 断开。
  • 核心逻辑
    1. 客户端定期发送心跳包(如每 30 秒)。
    2. 服务器维护客户端最后通信时间戳。
    3. 服务器定时检查时间戳,超时则判定客户端离线。
3. UDP 心跳包示例(服务器端)
3.1 数据结构定义

c

enum MsgType { DATA, HEARTBEAT }; // 消息类型:数据/心跳typedef struct {enum MsgType type; // 消息类型char data[128];    // 数据内容
} HeartbeatMsg;typedef struct {struct sockaddr_in addr; // 客户端地址time_t last_active;      // 最后活跃时间
} ClientInfo;
3.2 维护客户端状态

c

ClientInfo clients[MAX_CLIENTS];
int client_count = 0;// 更新客户端时间戳
void update_client(struct sockaddr_in *addr) {for (int i = 0; i < client_count; i++) {if (memcmp(&clients[i].addr, addr, sizeof(struct sockaddr_in)) == 0) {clients[i].last_active = time(NULL);return;}}// 新增客户端if (client_count < MAX_CLIENTS) {clients[client_count].addr = *addr;clients[client_count].last_active = time(NULL);client_count++;}
}// 定时检查超时客户端(线程函数)
void *timeout_checker(void *arg) {while (1) {sleep(1); // 每秒检查一次time_t now = time(NULL);for (int i = 0; i < client_count; i++) {if (now - clients[i].last_active > 60) { // 超时阈值60秒printf("Client %s:%d offline\n",inet_ntoa(clients[i].addr.sin_addr),ntohs(clients[i].addr.sin_port));// 删除客户端(示例:简单覆盖)clients[i] = clients[client_count - 1];client_count--;i--;}}}
}
3.3 接收处理

c

int main() {int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);struct sockaddr_in server_addr = {.sin_family = AF_INET,.sin_port = htons(8888),.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY};bind(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));pthread_t tid;pthread_create(&tid, NULL, timeout_checker, NULL); // 启动超时检查线程HeartbeatMsg msg;struct sockaddr_in client_addr;socklen_t addr_len = sizeof(client_addr);while (1) {ssize_t n = recvfrom(sockfd, &msg, sizeof(msg), 0,(struct sockaddr *)&client_addr, &addr_len);if (n > 0) {if (msg.type == HEARTBEAT) {update_client(&client_addr); // 更新心跳时间printf("Received heartbeat from %s:%d\n",inet_ntoa(client_addr.sin_addr),ntohs(client_addr.sin_port));} else if (msg.type == DATA) {update_client(&client_addr); // 更新数据时间printf("Received data: %s\n", msg.data);}}}
}

三、超时检测与心跳包对比

特性超时检测心跳包
核心目的防止 I/O 操作永久阻塞维持连接活跃状态,检测客户端存活
实现方式系统调用超时参数、信号机制应用层定期通信、时间戳维护
协议支持全协议通用主要用于长连接(如 TCP、UDP)
典型场景网络请求超时处理即时通信、物联网设备在线检测
复杂度系统级支持,复杂度低需应用层实现,复杂度中

四、总结

  1. 超时检测是网络编程中处理阻塞操作的关键机制,通过select/poll/epoll的超时参数或setsockopt设置套接字超时,结合信号处理可实现灵活的超时控制。
  2. 心跳包通过应用层协议维护连接状态,适用于长连接场景(如 IM、IoT),需结合时间函数(time/localtime)和数据结构(如客户端列表)实现。
  3. UDP 无连接特性导致心跳包需额外维护客户端地址和时间戳,通常通过多线程定时检查超时。
  4. 实际应用中常结合超时检测和心跳包,确保网络连接的可靠性和健壮性。

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