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socket编程之常用api介绍与socket、select、poll、epoll高并发服务器模型代码实现

2022-07-07 16:03:00 cheems~

前言

  本文旨在学习socket网络编程这一块的内容,epoll是重中之重,后续文章写reactor模型是建立在epoll之上的。

  本专栏知识点是通过零声教育的线上课学习,进行梳理总结写下文章,对c/c++linux课程感兴趣的读者,可以点击链接 C/C++后台高级服务器课程介绍 详细查看课程的服务。

socket编程

socket介绍

  传统的进程间通信借助内核提供的IPC机制进行, 但是只能限于本机通信, 若要跨机通信, 就必须使用网络通信( 本质上借助内核-内核提供了socket伪文件的机制实现通信----实际上是使用文件描述符), 这就需要用到内核提供给用户的socket API函数库。

  使用socket会建立一个socket pair,如下图, 一个文件描述符操作两个缓冲区。

在这里插入图片描述

使用socket的API函数编写服务端和客户端程序的步骤

在这里插入图片描述

预备知识

网络字节序

  网络字节序:大端和小端的概念

  • 大端: 低位地址存放高位数据, 高位地址存放低位数据
  • 小端: 低位地址存放低位数据, 高位地址存放高位数据

  大端和小端的使用使用场合:在网络中经常需要考虑大端和小端的是IP和端口。网络传输用的是大端,计算机用的是小端, 所以需要进行大小端的转换

  下面4个函数就是进行大小端转换的函数,函数名的h表示主机host, n表示网络network, s表示short, l表示long。

#include <arpa/inet.h>
uint32_t htonl(uint32_t hostlong);
uint16_t htons(uint16_t hostshort);
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);

上述的几个函数, 如果本来不需要转换函数内部就不会做转换。

IP地址转换函数

  IP地址转换函数

int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);
  • p->表示点分十进制的字符串形式
  • to->到
  • n->表示network网络

函数说明: 将字符串形式的点分十进制IP转换为大端模式的网络IP(整形4字节数)
参数说明:

  • af: AF_INET
  • src: 字符串形式的点分十进制的IP地址
  • dst: 存放转换后的变量的地址
  • 例如inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &serv.sin_addr.s_addr);

  手工也可以计算: 如192.168.232.145, 先将4个正数分别转换为16进制数,
   192—>0xC0   168—>0xA8    232—>0xE8    145—>0x91
  最后按照大端字节序存放: 0x91E8A8C0, 这个就是4字节的整形值。
  

const char *inet_ntop(int af, const void *src, char *dst, socklen_t size);

函数说明: 网络IP转换为字符串形式的点分十进制的IP
参数说明:

  • af: AF_INET
  • src: 网络的整形的IP地址
  • dst: 转换后的IP地址,一般为字符串数组
  • size: dst的长度

返回值:

  • 成功–返回执行dst的指针
  • 失败–返回NULL, 并设置errno

  例如: IP地址为010aa8c0, 转换为点分十进制的格式:
  01---->1    0a---->10   a8---->168    c0---->192
  由于从网络中的IP地址是高端模式, 所以转换为点分十进制后应该为: 192.168.10.1

struct sockaddr

socket编程用到的重要的结构体:struct sockaddr
在这里插入图片描述

//struct sockaddr结构说明:
struct sockaddr {
    
     sa_family_t sa_family;
     char     sa_data[14];
}

//struct sockaddr_in结构:
struct sockaddr_in {
    
     sa_family_t    sin_family; /* address family: AF_INET */
     in_port_t      sin_port;   /* port in network byte order */
     struct in_addr sin_addr;   /* internet address */
};

/* Internet address. */
struct in_addr {
    
      uint32_t  s_addr;     /* address in network byte order */
};	 //网络字节序IP--大端模式

通过man 7 ip可以查看相关说明

主要API函数介绍

socket

int socket(int domain, int type, int protocol);

函数描述: 创建socket

参数说明:

  • domain: 协议版本
- - AF_INET IPV4
- - AF_INET6 IPV6
- - AF_UNIX AF_LOCAL本地套接字使用
  • type:协议类型
- - SOCK_STREAM 流式, 默认使用的协议是TCP协议
- - SOCK_DGRAM  报式, 默认使用的是UDP协议
  • protocal:
- - 一般填0, 表示使用对应类型的默认协议.
  • 返回值:
- - 成功: 返回一个大于0的文件描述符
- - 失败: 返回-1, 并设置errno

  当调用socket函数以后, 返回一个文件描述符, 内核会提供与该文件描述符相对应的读和写缓冲区, 同时还有两个队列, 分别是请求连接队列和已连接队列(监听文件描述符才有,listenFd)

在这里插入图片描述

bind

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

函数描述: 将socket文件描述符和IP,PORT绑定

参数说明:

  • socket: 调用socket函数返回的文件描述符
  • addr: 本地服务器的IP地址和PORT,
struct sockaddr_in serv;
serv.sin_family = AF_INET;
serv.sin_port = htons(8888);
//serv.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
//INADDR_ANY: 表示使用本机任意有效的可用IP
inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &serv.sin_addr.s_addr);
  • addrlen: addr变量的占用的内存大小

返回值:

  • 成功: 返回0
  • 失败: 返回-1, 并设置errno

listen

int listen(int sockfd, int backlog);

函数描述: 将套接字由主动态变为被动态

参数说明:

  • sockfd: 调用socket函数返回的文件描述符
  • backlog: 在linux系统中,这里代表全连接队列(已连接队列)的数量。在unix系统种,这里代表全连接队列(已连接队列)+ 半连接队列(请求连接队列)的总数

返回值:

  • 成功: 返回0
  • 失败: 返回-1, 并设置errno

accept

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);	

函数说明:获得一个连接, 若当前没有连接则会阻塞等待.

函数参数:

  • sockfd: 调用socket函数返回的文件描述符
  • addr: 传出参数, 保存客户端的地址信息
  • addrlen: 传入传出参数, addr变量所占内存空间大小

返回值:

  • 成功: 返回一个新的文件描述符,用于和客户端通信
  • 失败: 返回-1, 并设置errno值.

  accept函数是一个阻塞函数, 若没有新的连接请求, 则一直阻塞.
  从已连接队列中获取一个新的连接, 并获得一个新的文件描述符, 该文件描述符用于和客户端通信. (内核会负责将请求队列中的连接拿到已连接队列中)

connect

int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

函数说明: 连接服务器

函数参数:

  • sockfd: 调用socket函数返回的文件描述符
  • addr: 服务端的地址信息
  • addrlen: addr变量的内存大小

返回值:

  • 成功: 返回0
  • 失败: 返回-1, 并设置errno值

读取和发送数据

  接下来就可以使用write和read函数进行读写操作了。除了使用read/write函数以外, 还可以使用recv和send函数。

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);	
//对应recv和send这两个函数flags直接填0就可以了

  注意: 如果写缓冲区已满, write也会阻塞, read读操作的时候, 若读缓冲区没有数据会引起阻塞。

高并发服务器模型-select

select介绍

  多路IO技术: select, 同时监听多个文件描述符, 将监控的操作交给内核去处理

int select(int nfds, fd_set * readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

数据类型fd_set::文件描述符集合——本质是位图

函数介绍: 委托内核监控该文件描述符对应的读,写或者错误事件的发生

参数说明:

  • nfds: 最大的文件描述符+1
  • readfds: 读集合, 是一个传入传出参数
		传入: 指的是告诉内核哪些文件描述符需要监控
		传出: 指的是内核告诉应用程序哪些文件描述符发生了变化
  • writefds: 写文件描述符集合(传入传出参数,同上)
  • execptfds: 异常文件描述符集合(传入传出参数,同上)
  • timeout:
		NULL--表示永久阻塞, 直到有事件发生
		0   --表示不阻塞, 立刻返回, 不管是否有监控的事件发生
		>0  --到指定事件或者有事件发生了就返回
  • 返回值: 成功返回发生变化的文件描述符的个数。失败返回-1, 并设置errno值。

select-api

将fd从set集合中清除

void FD_CLR(int fd, fd_set *set);

功能描述: 判断fd是否在集合中
返回值: 如果fd在set集合中, 返回1, 否则返回0

int FD_ISSET(int fd, fd_set *set);

将fd设置到set集合中

void FD_SET(int fd, fd_set *set);

初始化set集合

void FD_ZERO(fd_set *set);

用select函数其实就是委托内核帮我们去检测哪些文件描述符有可读数据,可写,错误发生

int select(int nfds, fd_set * readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

select优缺点

select优点:

  1. select支持跨平台

select缺点:

  1. 代码编写困难
  2. 会涉及到用户区到内核区的来回拷贝
  3. 当客户端多个连接, 但少数活跃的情况, select效率较低(例如: 作为极端的一种情况, 3-1023文件描述符全部打开, 但是只有1023有发送数据, select就显得效率低下)
  4. 最大支持1024个客户端连接(select最大支持1024个客户端连接不是有文件描述符表最多可以支持1024个文件描述符限制的, 而是由FD_SETSIZE=1024限制的)

FD_SETSIZE=1024 fd_set使用了该宏, 当然可以修改内核, 然后再重新编译内核, 一般不建议这么做

select代码实现

#include <errno.h>
#include <netinet/in.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/poll.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <pthread.h>

#define MAX_LEN 4096

int main(int argc, char **argv) {
    
    int listenfd, connfd, n;
    struct sockaddr_in svr_addr;
    char buff[MAX_LEN];

    if ((listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1) {
    
        printf("create socket error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno);
        return 0;
    }

    memset(&svr_addr, 0, sizeof(svr_addr));
    svr_addr.sin_family = AF_INET;
    svr_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    svr_addr.sin_port = htons(8081);

    if (bind(listenfd, (struct sockaddr *) &svr_addr, sizeof(svr_addr)) == -1) {
    
        printf("bind socket error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno);
        return 0;
    }

    if (listen(listenfd, 10) == -1) {
    
        printf("listen socket error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno);
        return 0;
    }
    //select
    fd_set rfds, rset, wfds, wset;
    FD_ZERO(&rfds);
    FD_ZERO(&wfds);
    FD_SET(listenfd, &rfds);
    int max_fd = listenfd;

    while (1) {
    
        rset = rfds;
        wset = wfds;
        int nready = select(max_fd + 1, &rset, &wset, NULL, NULL);

        if (FD_ISSET(listenfd, &rset)) {
     //
            struct sockaddr_in clt_addr;
            socklen_t len = sizeof(clt_addr);
            if ((connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *) &clt_addr, &len)) == -1) {
    
                printf("accept socket error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno);
                return 0;
            }
            FD_SET(connfd, &rfds);
            if (connfd > max_fd) max_fd = connfd;
            if (--nready == 0) continue;
        }
        int i = 0;
        for (i = listenfd + 1; i <= max_fd; i++) {
    
            if (FD_ISSET(i, &rset)) {
     //
                n = recv(i, buff, MAX_LEN, 0);
                if (n > 0) {
    
                    buff[n] = '\0';
                    printf("recv msg from client: %s\n", buff);
                    FD_SET(i, &wfds);
                }
                else if (n == 0) {
     //
                    FD_CLR(i, &rfds);
                    close(i);
                }
                if (--nready == 0) break;
            }
            else if (FD_ISSET(i, &wset)) {
    
                send(i, buff, n, 0);
                FD_SET(i, &rfds);
                FD_CLR(i, &wfds);
            }
        }
    }
    close(listenfd);
    return 0;
}

高并发服务器模型-poll

poll介绍

  poll跟select类似, 监控多路IO, 但poll不能跨平台。其实poll就是把select三个文件描述符集合变成一个集合了。

int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);

参数说明:

  • fds: 传入传出参数, 实际上是一个结构体数组
fds.fd: 要监控的文件描述符
fds.events: 
	POLLIN---->读事件
	POLLOUT---->写事件
fds.revents: 返回的事件
  • nfds: 数组实际有效内容的个数
  • timeout: 超时时间, 单位是毫秒.
-1:永久阻塞, 直到监控的事件发生
0: 不管是否有事件发生, 立刻返回
>0: 直到监控的事件发生或者超时

返回值:

  • 成功:返回就绪事件的个数
  • 失败: 返回-1。若timeout=0, poll函数不阻塞,且没有事件发生, 此时返回-1, 并且errno=EAGAIN, 这种情况不应视为错误。
struct pollfd {
    
   int   fd;        /* file descriptor */   监控的文件描述符
   short events;     /* requested events */  要监控的事件---不会被修改
   short revents;    /* returned events */   返回发生变化的事件 ---由内核返回
};

说明:

  1. 当poll函数返回的时候, 结构体当中的fd和events没有发生变化, 究竟有没有事件发生由revents来判断, 所以poll是请求和返回分离
  2. struct pollfd结构体中的fd成员若赋值为-1, 则poll不会监控
  3. 相对于select, poll没有本质上的改变; 但是poll可以突破1024的限制.在/proc/sys/fs/file-max查看一个进程可以打开的socket描述符上限,如果需要可以修改配置文件: /etc/security/limits.conf,加入如下配置信息, 然后重启终端即可生效
* soft nofile 1024
* hard nofile 100000

soft和hard分别表示ulimit命令可以修改的最小限制和最大限制

poll代码实现

#include <errno.h>
#include <netinet/in.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/poll.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <pthread.h>
#define MAX_LEN 4096
#define POLL_SIZE 1024

int main(int argc, char **argv) {
    
    int listenfd, connfd, n;
    struct sockaddr_in svr_addr;
    char buff[MAX_LEN];

    if ((listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1) {
    
        printf("create socket error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno);
        return 0;
    }

    memset(&svr_addr, 0, sizeof(svr_addr));
    svr_addr.sin_family = AF_INET;
    svr_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    svr_addr.sin_port = htons(8081);

    if (bind(listenfd, (struct sockaddr *) &svr_addr, sizeof(svr_addr)) == -1) {
    
        printf("bind socket error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno);
        return 0;
    }

    if (listen(listenfd, 10) == -1) {
    
        printf("listen socket error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno);
        return 0;
    }

    //poll
    struct pollfd fds[POLL_SIZE] = {
    0};
    fds[0].fd = listenfd;
    fds[0].events = POLLIN;

    int max_fd = listenfd;
    int i = 0;
    for (i = 1; i < POLL_SIZE; i++) {
    
        fds[i].fd = -1;
    }
    while (1) {
    
        int nready = poll(fds, max_fd + 1, -1);

        if (fds[0].revents & POLLIN) {
    
            struct sockaddr_in client = {
    };
            socklen_t len = sizeof(client);
            if ((connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *) &client, &len)) == -1) {
    
                printf("accept socket error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno);
                return 0;
            }
            printf("accept \n");
            fds[connfd].fd = connfd;
            fds[connfd].events = POLLIN;
            if (connfd > max_fd) max_fd = connfd;
            if (--nready == 0) continue;
        }
        //int i = 0;
        for (i = listenfd + 1; i <= max_fd; i++) {
    
            if (fds[i].revents & POLLIN) {
    
                n = recv(i, buff, MAX_LEN, 0);
                if (n > 0) {
    
                    buff[n] = '\0';
                    printf("recv msg from client: %s\n", buff);
                    send(i, buff, n, 0);
                }
                else if (n == 0) {
     //
                    fds[i].fd = -1;
                    close(i);
                }
                if (--nready == 0) break;
            }
        }
    }
}

高并发服务器模型-epoll (重点)

epoll介绍

  将检测文件描述符的变化委托给内核去处理, 然后内核将发生变化的文件描述符对应的事件返回给应用程序。

  记住,epoll是事件驱动的,其底层数据结构是红黑树,红黑树的key是fd,val是事件,返回的是事件。

epoll有两种工作模式,ET和LT模式。

水平触发LT:

  • 高电平代表1
  • 只要缓冲区中有数据, 就一直通知

边缘触发ET:

  • 电平有变化就代表1
  • 缓冲区中有数据只会通知一次, 之后再有新的数据到来才会通知(若是读数据的时候没有读完, 则剩余的数据不会再通知, 直到有新的数据到来)

  epoll默认是水平触发LT,在需要高性能的场景下,可以改成边缘ET非阻塞方式来提高效率。

  一般使用LT是一次性读数据读不完,数据较多的情况。而一次性能够读完,小数据量则用边缘ET。

  ET模式由于只通知一次, 所以在读的时候要循环读, 直到读完, 但是当读完之后read就会阻塞, 所以应该将该文件描述符设置为非阻塞模式(fcntl函数)

  read函数在非阻塞模式下读的时候, 若返回-1, 且errno为EAGAIN, 则表示当前资源不可用, 也就是说缓冲区无数据(缓冲区的数据已经读完了); 或者当read返回的读到的数据长度小于请求的数据长度时,就可以确定此时缓冲区中已没有数据可读了,也就可以认为此时读事件已处理完成。

epoll反应堆

  反应堆: 一个小事件触发一系列反应

  epoll反应堆的思想: c++的封装思想(把数据和操作封装到一起)

  • 将描述符,事件,对应的处理方法封装在一起
  • 当描述符对应的事件发生了, 自动调用处理方法(其实原理就是回调函数)

  epoll反应堆的核心思想是: 在调用epoll_ctl函数的时候, 将events上树的时候,利用epoll_data_t的ptr成员, 将一个文件描述符,事件和回调函数封装成一个结构体, 然后让ptr指向这个结构体。然后调用epoll_wait函数返回的时候, 可以得到具体的events, 然后获得events结构体中的events.data.ptr指针, ptr指针指向的结构体中有回调函数, 最终可以调用这个回调函数。

struct epoll_event {
    
	uint32_t     events;      /* Epoll events */
	epoll_data_t data;        /* User data variable */
};
typedef union epoll_data {
    
	void        *ptr;
	int          fd;
	uint32_t     u32;
	uint64_t     u64;
} epoll_data_t;

epoll-api

int epoll_create(int size);

函数说明: 创建一个树根

参数说明:

  • size: 最大节点数, 此参数在linux 2.6.8已被忽略, 但必须传递一个大于0的数,历史意义,用epoll_create1也行。
  • 返回值:
成功: 返回一个大于0的文件描述符, 代表整个树的树根.
失败: 返回-1, 并设置errno值.

int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

函数说明: 将要监听的节点在epoll树上添加, 删除和修改

参数说明:

  • epfd: epoll树根

  • op:

EPOLL_CTL_ADD: 添加事件节点到树上
EPOLL_CTL_DEL: 从树上删除事件节点
EPOLL_CTL_MOD: 修改树上对应的事件节点
  • fd: 事件节点对应的文件描述符
  • event: 要操作的事件节点
struct epoll_event {
    
	uint32_t     events;      /* Epoll events */
	epoll_data_t data;        /* User data variable */
};
typedef union epoll_data {
    
	void        *ptr;
	int          fd;
	uint32_t     u32;
	uint64_t     u64;
} epoll_data_t;
  • event.events常用的有:
EPOLLIN: 读事件
EPOLLOUT: 写事件
EPOLLERR: 错误事件
EPOLLET: 边缘触发模式
  • event.fd: 要监控的事件对应的文件描述符

int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);

函数说明:等待内核返回事件发生

参数说明:

  • epfd: epoll树根
  • events: 传出参数, 其实是一个事件结构体数组
  • maxevents: 数组大小
  • timeout:
	-1: 表示永久阻塞
	0: 立即返回
	>0: 表示超时等待事件

返回值:

  • 成功: 返回发生事件的个数
  • 失败: 若timeout=0, 没有事件发生则返回; 返回-1, 设置errno值

  epoll_wait的events是一个传出参数, 调用epoll_ctl传递给内核什么值, 当epoll_wait返回的时候, 内核就传回什么值,不会对struct event的结构体变量的值做任何修改。

epoll优缺点

epoll优点:

  1. 性能高,百万并发不在话下,而select就不行

epoll缺点:

  1. 不能跨平台,linux下的

epoll代码实现

#include <errno.h>
#include <netinet/in.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/poll.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <pthread.h>

#define POLL_SIZE 1024
#define MAX_LEN 4096

int main(int argc, char **argv) {
    
    int listenfd, connfd, n;
    char buff[MAX_LEN];
    struct sockaddr_in svr_addr;
    memset(&svr_addr, 0, sizeof(svr_addr));
    svr_addr.sin_family = AF_INET;
    svr_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    svr_addr.sin_port = htons(8081);

    if ((listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1) {
    
        printf("create socket error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno);
        return 0;
    }

    if (bind(listenfd, (struct sockaddr *) &svr_addr, sizeof(svr_addr)) == -1) {
    
        printf("bind socket error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno);
        return 0;
    }

    if (listen(listenfd, 10) == -1) {
    
        printf("listen socket error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno);
        return 0;
    }

    int epfd = epoll_create(1); //int size

    struct epoll_event events[POLL_SIZE] = {
    0};
    struct epoll_event ev;

    ev.events = EPOLLIN;
    ev.data.fd = listenfd;

    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, listenfd, &ev);

    while (1) {
    
        int nready = epoll_wait(epfd, events, POLL_SIZE, 5);
        if (nready == -1) {
    
            continue;
        }
        int i = 0;
        for (i = 0; i < nready; i++) {
    
            int actFd = events[i].data.fd;
            if (actFd == listenfd) {
    
                struct sockaddr_in cli_addr;
                socklen_t len = sizeof(cli_addr);
                if ((connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *) &cli_addr, &len)) == -1) {
    
                    printf("accept socket error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno);
                    return 0;
                }
                printf("accept\n");
                ev.events = EPOLLIN;
                ev.data.fd = connfd;
                epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, connfd, &ev);
            }
            else if (events[i].events & EPOLLIN) {
    
                n = recv(actFd, buff, MAX_LEN, 0);
                if (n > 0) {
    
                    buff[n] = '\0';
                    printf("recv msg from client: %s\n", buff);
                    send(actFd, buff, n, 0);
                }
                else if (n == 0) {
     //
                    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, actFd, NULL);
                    close(actFd);
                }
            }
        }
    }
    return 0;
}
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